一种空间辐射换热规律地面常压等效热试验方法技术

本发明专利技术属于航天器热试验技术领域，涉及一种空间辐射换热规律地面常压等效热试验方法。能够克服地面常压环境中无法实现空间辐射换热规律模拟的不足，实现空间辐射器散热规律的模拟。本发明专利技术的基本工作原理是散热热流等效，即地面散热系统的散热热流与空间散热系统的散热热流相等，在地面散热系统与空间散热系统入口温度相同的条件下，如果两个散热系统各支路出口温度也能保持一致，根据能量守恒定理，可以视为两个系统的散热热流具有等效关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器热试验
，涉及。
技术介绍
机械泵驱动的流体回路热控技术具备一体化热收集、热传输、热利用和热排散能力，且结构简单、鲁棒性好，技术上较为成熟。此外，由于具备主动调控能力，适应性非常强， 易于实现模块化设计，可在一定程度上实现柔性设计与装配，在国内外诸多航天器上获得了成功应用。作为一种较为成熟的航天器主动热控系统，流体回路热控系统通常由控制器和回路系统两部分构成，为了实现其在航天器热控系统上的可靠应用，必须对控制器和回路系统进行充分的热平衡试验验证。目前型号研制流程中，两者研发一般同时开展。研制初期回路系统热性能测试多采用地面冷源在地面常压环境下进行，控制器则主要依靠地面仿真测试+地面常压性能测试验证。以上测试方法一般无法实现辐射器的空间辐射换热规律模拟，对流体回路热控系统性能验证不够充分，具有很大的局限性和不足，可能会给后续研制工作留下一些技术隐串)Qi、O特别是在研制后期，流体回路热控系统研制完成后一般需要利用真空热平衡试验进行整体测试(包括控制器与回路系统)，真空测试系统不仅技术复杂、试验周期长、成本高，而且在试验过程中一旦出现由于控制器或者回路系统设计缺陷等原因造成系统测试故障/性能不能满足要求，不仅会对科研经费造成损失，而且还会对航天器整体研制进度造成影响。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提出，能够克服地面常压环境中无法实现空间辐射换热规律模拟的不足，实现空间辐射器散热规律的模拟。该空间辐射换热规律地面常压等效热试验方法，包括以下步骤第一步计算辐射器温度Lk ；将辐射器及其附着冷板看作一个集总参数部件，根据能量守恒定律有方程dTrk_8] M^kC= Quk+Q^-Q^k(1)式中，k e 为辐射器支路序号；Mnk为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板总质量；Cnk为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板的平均比热容；Td为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板的平均温度说,k为第k个辐射器支路中冷板组件交换到辐射器组件的热量，其表达式为Qi,,= lCp,kGr,kcf(Tri-Tr,k)(2)式中，ξ CP,k为冷板组件换热效率，Gc,k为第k个辐射器支路工质流量，Cf为回路工质比热容，Tri为辐射器支路入口流体温度，根据等效原理，Gr,Tri可分别由地面散热系统测量值G。,k、Tci等效替换；Qs,k为第k个辐射器支路中辐射器接收的空间外部热流，其表达式为3Qsjc = 瓜 t⑶1=\式中，Ank为第k个辐射器支路中辐射器面积，α k,i和qu分别为第k个辐射器支路中辐射器空间热流吸收率和空间热流密度，i = 1，2，3分别表示太阳直接辐射、地球反照辐射与地球红外辐射为第k个辐射器支路中辐射器向空间辐射的热量，其表达式为 _4] Qr,k = Ar,ker,koTr,k4(4)式中，ε r,k为第k个辐射器支路中辐射器表面发射率，σ为Mefan-BoItzmarm常数；第二步根据第一步计算的辐射器温度！；丨计算辐射器出口流体温度TM,k ；首先引入冷板换热效率定义式lCP,k= (Tri-Tro, k)/(Tri-Tr, k)(5)由式(4)可得辐射器出口流体温度TM,k Tro,k = Tri-ξ Cp, k (Tri-Tr, k)(6)第三步计算稳态热流分量如；根据式⑴可知，Qs,项是辐射器与空间环境之间的净热量交换，将该项分解为稳态热流项Qsb, k和动态热流项Qst,k，即有Qs,k-Qr,k = Qsb,k+Qst,k(7)考虑到空间外热流k会随轨道周期呈周期性变化，因而采用傅里叶级数展开为1OOOOQ^k(θ)= ^O+Σ(an cos_ + K sin膽0(8)2ιι式中，a0为空间外热流Qs, k傅里叶级数的直流分量，同时也是稳态热流项Qsb, k的一个分量；第四步计算稳态热流Qsb,k ；其表达式为00Qsh,k = QS,k _ Qr,k _ Q站= β0+Σ ( C0S n(0t + bn Sin ηω ) _ Qr,k _ Q站(9)1为了获取稳态热流Qsb,k数值，对式(9)两边积分有0000Q0\Qsb,kdt = Jo0 + cosm)t + bn sinncot、- ArkSrkGTrk4 -QJdt(10)OO1为了构造式(10)右侧稳态项，引入轨道周期平均热流Qav,k = Ar,k ε r,k σ Tav,k4有COCO00 ooIQsbdt = Jk-Gav1J^+J (Σ K cos ηω + bn smηω ) + Qwk - ArkerkaTrk4 -Qst Jdt (11)式中，Tav,k为常量，是辐射器在轨时的周期平均温度值。 其中权利要求1.空间辐射换热规律地面常压等效热试验方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步计算辐射器温度将辐射器及其附着冷板看作一个集总参数部件，根据能量守恒定律有方程 dTrk式中，ke 为辐射器支路序号；Mnk为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板总质量；k k为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板的平均比热容； ；, k为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板的平均温度说,k为第k个辐射器支路中冷板组件交换到辐射器组件的热量，其表达式为式中，ξ cp,k为冷板组件换热效率，Gc,k为第k个辐射器支路工质流量，cf为回路工质比热容，Tri为辐射器支路入口流体温度，根据等效原理，Gr, Tri可分别由地面散热系统测量值kk、!^等效替换；Qs,k为第k个辐射器支路中辐射器接收的空间外部热流，其表达式为式中，Ad为第k个辐射器支路中辐射器面积，α k,i和qu分别为第k个辐射器支路中辐射器空间热流吸收率和空间热流密度，i = 1，2，3分别表示太阳直接辐射、地球反照辐射与地球红外辐射；为第k个辐射器支路中辐射器向空间辐射的热量，其表达式为式中，、，k为第k个辐射器支路中辐射器表面发射率，O为Mefan-Boltzmarm常数； 第二步根据第一步计算的辐射器温度i;,k，计算辐射器出口流体温度Tra,k ；首先引入冷板换热效率定义式由式⑷可得辐射器出口流体温度第三步计算稳态热流分量；根据式(1)可知，Qs,项是辐射器与空间环境之间的净热量交换，将该项分解为稳态热流项Qsb, k和动态热流项，即有考虑到空间外热流会随轨道周期呈周期性变化，因而采用傅里叶级数展开为式中，为空间外热流Qs, k傅里叶级数的直流分量，同时也是稳态热流项Qsb, k的一个分量；第四步计算稳态热流Qsb,k ；其表达式为为了获取稳态热流Qsb,k数值，对式(9)两边积分有2.一种实现上述方法的控制系统，其特征在于包括稳态热流控制器和动态热流控制器，其中稳态热流控制器用于辅助动态热流控制器，稳态热流控制器和动态热流控制器的控制参考量均由辐射器散热仿真单元生成，包括稳态热流参考量Qsb和辐射器出口温度参考量Tra,k，其中，稳态热流控制参考量Qsb用于稳态热流控制器，动态热流控制参考量TM,k用于动态热流控制器。3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于其中稳态热流控制器采用“制冷机组+大功率加热器”稳态热流调节单元，通过等效换热器与各辐射器等效支路进行热量耦合；制冷机组和大功率加热器二者串联构成一个独立二次回路，大功率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁献文，刘东晓，王玉莹，宋馨，张加迅，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：