绕地卫星热分析与红外仿真软件研制

发布时间：2020-05-06 13:14

【摘要】：卫星是人类探索宇宙空间的主要工具。准确高效的计算出在轨变热环境下卫星的瞬态温度场分布是进行卫星热控分析与设计的必要环节,也是进行卫星红外仿真的关键步骤。如今商业航天蓬勃发展,微纳卫星逐渐成为新型主流卫星产品,对于这些新型卫星来讲更加迫切需要进行精准热分析。但是目前阶段成熟的热分析软件大多为国外团队研发,对复杂模型的求解精度较低,用于卫星热分析的国产软件更是十分的匮乏。本文通过基于Fortran自编程的方式开展绕地飞行卫星热分析与红外仿真软件的研制工作,并使用自编卫星热分析软件对在轨变热环境下某绕地卫星的轨道热环境进行仿真计算。首先对卫星热分析理论进行简要介绍,卫星的热分析计算主要包括轨道参数计算,空间外热流计算和温度计算三方面。在卫星质心轨道坐标系下建立了简单快速求解太阳向量、地球向量的仿真模型,对姿态变化和遮挡判断方法进行了介绍,在此基础上完成了空间外热流的推导;对求解三维模型温度场的有限体积法进行了推导并对边界条件进行了统一化处理。对考虑自身发射与背景反射的红外辐射特性的求解方法进行了推导。使用Fortran语言完成了自编卫星热分析软件的主体程序编程并通过可视化编程实现了自编软件的封装工作。自编卫星热分析软件可实现求解在任意日期、任意在轨位置、任意椭圆轨道参数下任意几何构型绕地卫星的外热流、整星温度场以及红外辐射特性。在求解计算过程中可以综合考虑空间外热流、环境辐射、目标自身的辐射发射以及部件之间的辐射遮挡的影响。使用商业软件Fluent对自编卫星热分析软件的导热部分及辐射遮挡判断进行了正确性验证,自编软件的计算结果与Fluent验证结果基本保持一致;进行真空低温条件下的多体系统辐射导热耦合换热实验验证,实验结果与自编软件计算结果误差基本保持在3K以内。使用自编卫星热分析软件对一椭圆轨道近地卫星的轨道热环境进行了仿真计算,并对计算结果进行了详细的分析与讨论。卫星外表面接收外热流情况具有显著的周期性且受姿态影响较大,太阳辐射占比最大、地球红外次之、地球反照占比最小。卫星的整星温度场主要受空间外热流与卫星内部热源的影响。卫星在近红外波段(3-5μm)的辐射力比远红外波段(8-12μm)的辐射力低一个数量级,进行卫星红外仿真时不可忽略卫星对背景的反射辐射。对某卫星进行了变轨道参数热分析计算,从变轨道参数分析结果中可以看出轨道参数是卫星在轨瞬时最高/低温度的重要影响因素之一。对卫星的典型热物性参数进行了参数敏感性分析,从敏感性分析结果可看出整星温度对卫星表面涂层的敏感度很大。
【图文】：

光谱分布,光谱分布,太阳辐射,地球反照

图 2-1 太阳辐射光谱分布可划分为紫外线、可见光与红外线，其划分标准如表 2-1 所外辐射占比太阳总辐射的比率虽说很小但对卫星外表面的在进行卫星热控涂层研制及选取时要充分考虑到这一点。表 2-1 太阳光划分标准太阳光波长范围紫外线＜0.3~0.38μm可见光 0.38~0.76μm红外线＞0.7~0.78μm红外辐射及地球反照辐射红外辐射与地球反照辐射展开研究时要将地球与周围大气统，这一整体系统的能量来源是太阳辐射。被地球-大气系为热量后以长波辐射方式进入宇宙空间的部分称为地球红气系统反射进入宇宙空间的太阳辐射称为地球反照辐射。表面形貌变化、季节变化、昼夜变化等因素会对地球红外辐

示意图,热平衡,卫星系统,物体

热传导：是指温差存在于不同的物体之间或者同一个物体的不同部分之发生的温度由高温向低温进行传递的现象[54]。卫星在轨运行期间不能将其当个简单的等温体处理，，而是存在一定的温度梯度。使用傅里叶定律求解导热问其表达式为[54]：ndTqdx 热辐射：物体的温度高于 0K 时会向外发射电磁波，一个物体发射的电磁其他物体吸收并转换为热能的过程称为热辐射[54]。使用斯蒂芬-玻尔兹曼方程射问题进行求解，其表达式为[54]：4 41 12 1 2q A X (T T)（2）卫星的热平衡计算卫星的温度场受到环境和自身两个因素的影响，这两个因素共同确定某卫星的温度。依据能量守恒列出卫星在空间环境中的热平衡关系，即单位时间出卫星系统的能量等于进入卫星系统的能量与卫星系统自身产生的热量之和出表达式如公式 2-3 所示[55]。在轨绕地运行卫星的热平衡示意图如图 2-2 所示
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V444.3;TP311.52

【相似文献】