地球同步轨道辐射制冷器热

地球同步轨道辐射制冷器热分析摘要：运用I_deas11有限元软件对大体积、大冷量地球同步轨道三轴稳定辐射制冷器进行了在轨冬至和夏至时刻的热模拟计算。给出辐射制冷器的热物理模型和有限元模型，用有限差分的方法计算了辐冷器入轨后各部件的温度变化，同时获得一级辐射体、二级辐射体、太阳屏和辐射面板的几何分布最大温差云图。比较了冬至和夏至两种太阳极限位置下的平衡温度和所接受的空间热负载。关键字：辐射制冷器有限元方法热分析1引言辐射制冷器因其无运动部件、无功耗的特点，而具有高可靠性、高稳定性和长寿命的优势，被广泛应用于空间飞行器红外遥感探测系统。我国目前在轨的风云一号、风云二号气象卫星所使用的制冷设备都是辐射制冷器。辐冷器有效地冷却了红外元件，使红外探测器获得了满意的工作性能。随着空间探测技术的发展，辐射制冷技术向大冷量、长寿命方向延伸[1]。作为一种空间用被动制冷设备，辐射制冷器是通过向冷黑空间辐射热量而获得冷量的，因此增加辐射面积，在有效的屏蔽外来热负载的情况下，就可以获得更多的冷量。对于地球同步轨道辐冷器，当有效辐射面积增大时，需要加大太阳屏的尺寸以遮挡太阳光和卫星平台的热负载，此时部件内部温度的不均匀性就会增加[2]。仍然使用等温模型进行热设计，建立各部件的热平衡方程，综合考虑传导和辐射两种传热方式，通过求解方程组获得各部件的温度，难免会引起较大的误差。此时我们考虑采用有限差分的方法，利用有限元分析软件I-deas11对大体积的辐射制冷器进行热模拟计算，把各个部件划分成小单元来检验辐冷器部件内部的温度均匀性，模拟卫星入轨后温度的变化情况。2TMG热分析I-deas是一个高度集成的CAD/CAE/CAM/CAT系统，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等分析功能。其中TMG模块可以有效地模拟轨道卫星的传导和辐射。TMG的模拟流程为：选定仿真目标，运用主模块进行零件设计，建立几何模型；定义有限元模型，进行网格划分，网格检查和修改；运用TMG模块进行热分析，定义边界条件初始条件，分析选项，提出结果请求，选择解算方法并求解；最后进行后处理，获得可视化温度场和热流[3]。3物理模型地球同步轨道辐射制冷器主要由以下几部分组成：二级辐射体、一级辐射体、隔热屏、外壳、太阳屏、安装环、辐射面板、各级支撑等。运用I-deas11的CAD功能建立地球同步轨道辐冷器的几何模型。图1是三维实物模型图，为了分析方便进行了必要的简化，未考虑内部的控制引线。二级辐射体为圆盘形，直径取为210mm；一级辐射体为八边形扣掉圆形的环面，八边形的边长为133mm，圆盘的直径为220mm。一二级辐射体在同一平面上。一级辐射体与二级辐射体之间有一直径210mm高60mm的桶形隔热屏。二级辐射体是通过二级支撑固定在隔热屏上。出于稳定性考虑，隔热屏通过一级支撑与外壳相连。太阳屏为八块等边梯形板拼接的喇叭形，梯形的上底边长为138mm，下底边长为215mm，高220mm；为防止太阳光直接照到二级辐射体，太阳屏与二级辐射面成25°角。辐射面板为四边形扣除一八边形的环面，四边形边长为600mm；外壳面是直径为370mm高度60mm的圆桶面，外壳与太阳屏通过安装环相连。为了结构稳定，在辐射面板和安装环之间安装了外壳支撑。外壳后盖呈平底锅形，底面直径230mm高40mm，可以方便地与卫星其它部件连接。图1辐射制冷器热物理模型为了分析方便，在创建几何模型时，忽略了各个部件的厚度，都以面代替。在对其进行网格划分时，支撑都采用beam单元，不同的支撑取的截面形状和大小不同。对于面几何都采用sheer单元，不同部件选择不同的厚度。例如太阳屏选用厚度为10mm的三角形sheel单元，隔热屏选用厚度为1mm的三角形sheel单元。辐冷器入轨后所受到的外来热负载主要有太阳光谱的辐射热，地球的红外辐射和阳光反照热，还有卫星平台对外壳的辐射和传导热。对于太阳光谱既考虑了镜面反射也考虑了漫反射的情况。在绕地球的一个周期里选择了均匀分布的12个计算点。共计算了4个周期的温度变化。按瞬态变时间步长向后积分设定分析选项。选择了夏至和冬至两个太阳光最强与最弱两个位置分别计算，获得辐冷器温度场和热量传输情况的变化。4计算结果与讨论卫星入轨后，辐射制冷器各个部件的温度急速下降，到第一周期末，二级辐射体温度已经降到最低温度的90%，一级辐射体、太阳屏温度、辐射面板和外壳的温度都基本达到各自的最低温度。图二给出第一周期内辐冷器温度的变化情况。其中二级辐射体温度下降最快，其次是一级辐射体，太阳屏和辐射面板几乎同步降温，外壳最慢。到了轨道第二周期末，只有二级辐射体仍在以较慢的速率降温，离最低温度还差3-5℃，其他各部件温度已达到最低。到第四周期辐冷器已达到热平衡，各部件的时间平均温度基本没有变化。椅图晕2什们第一周期内辐蜂射制冷器温度与分布英对于三轴稳定兽的地球同步轨罚道大尺寸辐冷搜器，同一时刻租有些部分受到藏太阳照射，有片些部分未受到身太阳照射。例历如辐射面板和议太阳屏，预计换会有较大的温眉差。倍图三标示了第常三周期内各部且件内部几何位恼置上的温度不凤均匀性，结果自显示外壳面板嚷的最大温差为沃2.惑8科℃嗓，太阳屏的最拳大温差为鼠2.鼻7汗℃蛮，一级辐射板咳的最大温差为充0.坡1孝℃术，二级辐射板礼的最大温差为就0.0堤2伸℃宋。辐冷器在入荷轨后的各个周赌期里，各部件神内部温度的不巡均匀性基本相侵同。交图忽3暖骆辐射制冷器各疯部件内最大温乌差恳孝从结果来看，旅二级辐射体可疤以作为等温体钟，尽管辐射面扫板和太阳屏的勒温差接近偏3歼℃定，对探测元件锁不造成影响，何因为探测元件详是安装在二级千部分。在以往福的等温模型中踩，把太阳屏和舌辐射面板作为伪等温体处理是菊可以接受的。浇夏至时辐冷器孙的平衡温度和齐所吸收的外来森热负载如表一谣所示。辐冷器丰吸收的外来热级负载有太阳辐候射热、地球红剂外辐射热和阳栋光反照热等。久其中太阳辐射溪热为主要热负因载，太阳屏吸交收的太阳辐射恩热最多，思为豆17.6圣3华瓦。二级辐射列体的最低温度任为圣零青下戏120.惠1投℃网。停表矿一跪浇夏至时辐冷器羊温度及外来热麦负勾载替团部件设温度卖（瓣℃词）元地球红顾外历(献mW)定阳光反馆照臭(餐mW)槐太阳神光突(会mW)揉二级辐射体释-120.1陶1.5陵0.08销700仇一级辐射体辟-104.4盯1.9秤0.1遍1026帜太阳屏勿-60.2涂3.6冬2.7衣17638歼辐射面板扭-60.4慰18.6谜1.2锯7282络安装环村-60.3意25.4利1.6捆2012宜外壳乔-60.4戒0.1毕0.06刘4106之冬至时辐冷器专的平衡温度和巩所吸收的空间巨外热流如表二边所示。其中地裂球红外辐射热捐为主要热负载办，安装环吸收筛的地球红外辐坡射热元为妙25.4m疏W趋。二级辐射体晶的最低温度为气零下编172.怎9京℃朵。兄表剂二桃式冬至时辐冷器天温度及外来热才负的载压筛部件置温度棒（关℃蝶）刺地球红汪外靠(馒mW)框阳光反市照仗(乱mW)委太阳语光袍(马mW)暗二级辐射体赵-172.9适1.5讽0.02防0.03硬一级辐射体诸-145.1改1.9宪0.03魄0.05衬太阳屏务-64.3周3.6鼠0.8副0.8主辐射面板驻-64.5犬18.6河0.37碑0愚安装环坟-64.1吩25.4这1.63演1.7翁外壳俘-64.1赏0.1要0.03涝0.12抬辐冷器二级辐填射体在冬至和沿夏至时所达到年的最低温度相瓜差伴5军3盼℃乳，这主要是由填于夏至时地球婶离太阳最近，恰冬至时地球离多太阳最远，太型阳的热流密度猾不同所致。卫昂星上的探测元铁件安装在二级姿辐射体部分，逃探测元件无法邀在如此大的温柿差下工作，因作此必须对二级唤辐射体实施温眯控措施遮。踢参考文献壶[1]如搭王维扬，董德刷平较.闲虑中科院上海技晕术物理研究所娃空间制冷技术鸽的发