航天器熱網絡理論及其在熱控設計中的應用研究.pdf

1、航天器熱控系統(tǒng)是保證航天器在高真空、高黑度、低溫以及各種輻射的特殊空間熱環(huán)境下正常工作的關鍵系統(tǒng)。航天器熱控系統(tǒng)的設計是一個非常復雜的過程，涉及到多方面的熱控制技術。從人類開始探索太空以來，航天器熱控制技術為了適應航天技術的發(fā)展需求，內容不斷豐富。但是隨著航天技術的不斷發(fā)展，應用衛(wèi)星的新特點是長壽命和多功能，載人航天器的特點是重復使用、永久性和大尺寸，未來航天器將繼續(xù)向大型化和小型化兩個方向發(fā)展，這些新特點和發(fā)展趨勢對熱控系統(tǒng)提出了更嚴

2、格的要求。 本文以航天器熱網絡理論為依據，分析了作為熱網絡理論基礎的熱網絡方程，在建立過程中的關鍵參數，提出了計算這些關鍵參數的改進方法，并將該方法應用到對接機構和太陽電池陣的在軌熱分析中，在對多層打孔隔熱材料在軌熱分析以及熱性能研究的基礎上，對空間對接機構進行了初步的熱控設計。在全文中，一方面，對輻射交換系數計算中蒙特卡羅方法和太陽外熱流的計算方法以及空間多層打孔隔熱材料熱計算模型進行了改進，對這些理論的研究都具有一定的學術價

3、值。另一方面，利用新方法、新模型，分析了對接機構和太陽電池陣的在軌溫度分布規(guī)律，明確了各種因素的影響特點，研究了多層打孔隔熱材料的熱性能，熱真空試驗過程中積累了大量的經驗，這些都有著一定的工程應用價值。 首先，進行了熱網絡理論及關鍵參數分析計算。航天器熱網絡理論是航天器熱設計中的重要理論，有效導熱系數、輻射交換系數和外熱流，是熱網絡方程建立的關鍵參數。這里對后兩個參數的計算方法進行了分析。利用輻射交換系數和角系數的關系，計算復雜

4、系統(tǒng)內表面間的輻射交換系數。在用蒙特卡羅法確定表面間的角系數時，采用切球法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法來確定能束的發(fā)射方向，改進了原有的方法，進一步提高了計算速度。分解太陽輻射能量傳遞過程，提出的新方法將太陽外熱流、太陽輻射交換系數和各種角系數聯系起來。該方法可以大大減小計算耗時、提高計算精度，有利于程序的編制。太陽外熱流計算時得到的表面間的角系數可以和輻射交換系數計算中所需的角系數實現數據共享，從而大大減小了計算工作量。 其次，進行了空間對

5、接機構熱分析。在單機設備形狀的規(guī)則化處理和機構輻射換熱的近似假定的基礎上，建立了對接機構熱分析的物理模型，并進行了節(jié)點劃分，利用熱網絡理論，建立了空間對接機構熱分析的數學模型，利用龍格-庫塔法計算得到對接機構在軌溫度。了解了對接機構各構件周期溫度的變化規(guī)律和對接機構溫度場的分布特點，著重分析了收攏情況下，對接機構外部構件、框架構件以及內部構件表面輻射特性對在軌溫度的影響，為對接機構熱控涂層的選擇提供了重要的參考。計算結果表明只靠熱控涂層

6、的熱控措施很難保證空間對接機構的溫度滿足設計要求，還需要采用多層隔熱材料包覆或者電加熱措施等。 第三，進行了空間用多層打孔隔熱材料熱計算模型及應用研究。多層隔熱材料是航天器被動熱控制的最基本手段之一，為了盡快地使材料排氣，減小殘余氣體導熱的影響，提高隔熱性能，通常采用打孔的方法。分析了空間多層打孔隔熱材料中導熱和輻射的復合傳熱問題，在一定假設的基礎上，建立了反射屏穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度計算模型和投射輻射數值分析模型。分析瞬態(tài)溫度計算結果

7、，明確了空間多層打孔隔熱材料在軌溫度分布特點。分析在陰影區(qū)的惡劣環(huán)境下，多層打孔隔熱材料的穩(wěn)態(tài)計算結果，明確了幾何參數、表面特性參數對材料熱性能的影響。該研究對提高材料的隔熱效果，實現材料的優(yōu)化設計具有積極的指導意義。 第四，對接機構初步熱控設計及熱分析。借鑒國內外航天器熱控設計經驗，首先針對對接機構結構和工作特點，對不同位置處的設備構件，進行不同形式的多層隔熱材料包覆，提出了被動熱控方案，然后在熱分析的基礎上，在部分構件上施加

8、了電加熱的主動熱控措施，并確定了加熱功率。對有熱控情況下，對接機構處于自主飛行階段和對接階段，不同軌道艙體邊界條件的多種工況下計算結果分析，表明采用了初步的熱控方案(包括被動、主動熱控措施)后，對接機構各構件的溫度滿足設計要求。不同邊界條件下的溫度數據可為對接機構和航天器艙體更有效的連接提供有意義的參考。 第五，進行了太陽電池陣在軌熱分析，并通過地面熱真空試驗對熱計算模型進行了驗證。航天器上大型外懸結構對在軌溫度非常敏感，以太陽

9、電池陣為例，數值模擬得到其在軌溫度的分布，分析了電池陣表面輻射特性和軌道高度對太陽電池陣溫度的影響。該熱分析中，有效導熱系數是熱網絡理論中最為關鍵的參數，利用簡化的模型得到蜂窩材料各向等效熱阻的基礎上，采用熱阻法計算得到電池板各方向上的有效導熱系數。全面考慮布片效率和光電轉換效率，根據不同位置處節(jié)點熱網絡方程的特點，建立太陽電池陣熱分析的熱網絡方程組，采用ADI算法對方程組進行求解。各種因素對太陽電池陣在軌溫度的影響分析，對電池陣的設計