【摘 要】
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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
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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。
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