【摘要】：衛(wèi)星是人類探索宇宙空間的主要工具。準確高效的計算出在軌變熱環(huán)境下衛(wèi)星的瞬態(tài)溫度場分布是進行衛(wèi)星熱控分析與設計的必要環(huán)節(jié),也是進行衛(wèi)星紅外仿真的關鍵步驟。如今商業(yè)航天蓬勃發(fā)展,微納衛(wèi)星逐漸成為新型主流衛(wèi)星產(chǎn)品,對于這些新型衛(wèi)星來講更加迫切需要進行精準熱分析。但是目前階段成熟的熱分析軟件大多為國外團隊研發(fā),對復雜模型的求解精度較低,用于衛(wèi)星熱分析的國產(chǎn)軟件更是十分的匱乏。本文通過基于Fortran自編程的方式開展繞地飛行衛(wèi)星熱分析與紅外仿真軟件的研制工作,并使用自編衛(wèi)星熱分析軟件對在軌變熱環(huán)境下某繞地衛(wèi)星的軌道熱環(huán)境進行仿真計算。首先對衛(wèi)星熱分析理論進行簡要介紹,衛(wèi)星的熱分析計算主要包括軌道參數(shù)計算,空間外熱流計算和溫度計算三方面。在衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標系下建立了簡單快速求解太陽向量、地球向量的仿真模型,對姿態(tài)變化和遮擋判斷方法進行了介紹,在此基礎上完成了空間外熱流的推導;對求解三維模型溫度場的有限體積法進行了推導并對邊界條件進行了統(tǒng)一化處理。對考慮自身發(fā)射與背景反射的紅外輻射特性的求解方法進行了推導。使用Fortran語言完成了自編衛(wèi)星熱分析軟件的主體程序編程并通過可視化編程實現(xiàn)了自編軟件的封裝工作。自編衛(wèi)星熱分析軟件可實現(xiàn)求解在任意日期、任意在軌位置、任意橢圓軌道參數(shù)下任意幾何構型繞地衛(wèi)星的外熱流、整星溫度場以及紅外輻射特性。在求解計算過程中可以綜合考慮空間外熱流、環(huán)境輻射、目標自身的輻射發(fā)射以及部件之間的輻射遮擋的影響。使用商業(yè)軟件Fluent對自編衛(wèi)星熱分析軟件的導熱部分及輻射遮擋判斷進行了正確性驗證,自編軟件的計算結果與Fluent驗證結果基本保持一致;進行真空低溫條件下的多體系統(tǒng)輻射導熱耦合換熱實驗驗證,實驗結果與自編軟件計算結果誤差基本保持在3K以內(nèi)。使用自編衛(wèi)星熱分析軟件對一橢圓軌道近地衛(wèi)星的軌道熱環(huán)境進行了仿真計算,并對計算結果進行了詳細的分析與討論。衛(wèi)星外表面接收外熱流情況具有顯著的周期性且受姿態(tài)影響較大,太陽輻射占比最大、地球紅外次之、地球反照占比最小。衛(wèi)星的整星溫度場主要受空間外熱流與衛(wèi)星內(nèi)部熱源的影響。衛(wèi)星在近紅外波段(3-5μm)的輻射力比遠紅外波段(8-12μm)的輻射力低一個數(shù)量級,進行衛(wèi)星紅外仿真時不可忽略衛(wèi)星對背景的反射輻射。對某衛(wèi)星進行了變軌道參數(shù)熱分析計算,從變軌道參數(shù)分析結果中可以看出軌道參數(shù)是衛(wèi)星在軌瞬時最高/低溫度的重要影響因素之一。對衛(wèi)星的典型熱物性參數(shù)進行了參數(shù)敏感性分析,從敏感性分析結果可看出整星溫度對衛(wèi)星表面涂層的敏感度很大。
【圖文】：

圖 2-1 太陽輻射光譜分布可劃分為紫外線、可見光與紅外線，其劃分標準如表 2-1 所外輻射占比太陽總輻射的比率雖說很小但對衛(wèi)星外表面的在進行衛(wèi)星熱控涂層研制及選取時要充分考慮到這一點。表 2-1 太陽光劃分標準太陽光 波長范圍紫外線 ＜0.3~0.38μm可見光 0.38~0.76μm紅外線 ＞0.7~0.78μm紅外輻射及地球反照輻射紅外輻射與地球反照輻射展開研究時要將地球與周圍大氣統(tǒng)，這一整體系統(tǒng)的能量來源是太陽輻射。被地球-大氣系為熱量后以長波輻射方式進入宇宙空間的部分稱為地球紅氣系統(tǒng)反射進入宇宙空間的太陽輻射稱為地球反照輻射。表面形貌變化、季節(jié)變化、晝夜變化等因素會對地球紅外輻

熱傳導：是指溫差存在于不同的物體之間或者同一個物體的不同部分之發(fā)生的溫度由高溫向低溫進行傳遞的現(xiàn)象[54]。衛(wèi)星在軌運行期間不能將其當個簡單的等溫體處理，，而是存在一定的溫度梯度。使用傅里葉定律求解導熱問其表達式為[54]：ndTqdx 熱輻射：物體的溫度高于 0K 時會向外發(fā)射電磁波，一個物體發(fā)射的電磁其他物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能的過程稱為熱輻射[54]。使用斯蒂芬-玻爾茲曼方程射問題進行求解，其表達式為[54]：4 41 12 1 2q A X (T T)（2）衛(wèi)星的熱平衡計算衛(wèi)星的溫度場受到環(huán)境和自身兩個因素的影響，這兩個因素共同確定某衛(wèi)星的溫度。依據(jù)能量守恒列出衛(wèi)星在空間環(huán)境中的熱平衡關系，即單位時間出衛(wèi)星系統(tǒng)的能量等于進入衛(wèi)星系統(tǒng)的能量與衛(wèi)星系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量之和出表達式如公式 2-3 所示[55]。在軌繞地運行衛(wèi)星的熱平衡示意圖如圖 2-2 所示
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V444.3;TP311.52

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1 C.羅塞蒂,賀張;利用衛(wèi)星的全球通信、導航和監(jiān)視系統(tǒng)方案[J];世界導彈與航天;1988年07期

2 朱文耀,黃s

本文編號：2651319