地球同步軌道輻射制冷器熱分析摘要：運用I_deas11有限元軟件對大體積、大冷量地球同步軌道三軸穩(wěn)定輻射制冷器進行了在軌冬至和夏至時刻的熱模擬計算。給出輻射制冷器的熱物理模型和有限元模型，用有限差分的方法計算了輻冷器入軌后各部件的溫度變化，同時獲得一級輻射體、二級輻射體、太陽屏和輻射面板的幾何分布最大溫差云圖。比較了冬至和夏至兩種太陽極限位置下的平衡溫度和所接受的空間熱負載。關鍵字：輻射制冷器有限元方法熱分析1引言輻射制冷器因其無運動部件、無功耗的特點，而具有高可靠性、高穩(wěn)定性和長壽命的優(yōu)勢，被廣泛應用于空間飛行器紅外遙感探測系統(tǒng)。我國目前在軌的風云一號、風云二號氣象衛(wèi)星所使用的制冷設備都是輻射制冷器。輻冷器有效地冷卻了紅外元件，使紅外探測器獲得了滿意的工作性能。隨著空間探測技術的發(fā)展，輻射制冷技術向大冷量、長壽命方向延伸[1]。作為一種空間用被動制冷設備，輻射制冷器是通過向冷黑空間輻射熱量而獲得冷量的，因此增加輻射面積，在有效的屏蔽外來熱負載的情況下，就可以獲得更多的冷量。對于地球同步軌道輻冷器，當有效輻射面積增大時，需要加大太陽屏的尺寸以遮擋太陽光和衛(wèi)星平臺的熱負載，此時部件內(nèi)部溫度的不均勻性就會增加[2]。仍然使用等溫模型進行熱設計，建立各部件的熱平衡方程，綜合考慮傳導和輻射兩種傳熱方式，通過求解方程組獲得各部件的溫度，難免會引起較大的誤差。此時我們考慮采用有限差分的方法，利用有限元分析軟件I-deas11對大體積的輻射制冷器進行熱模擬計算，把各個部件劃分成小單元來檢驗輻冷器部件內(nèi)部的溫度均勻性，模擬衛(wèi)星入軌后溫度的變化情況。2TMG熱分析I-deas是一個高度集成的CAD/CAE/CAM/CAT系統(tǒng)，軟件內(nèi)含諸如結構分析、熱力分析、優(yōu)化設計、耐久性分析等分析功能。其中TMG模塊可以有效地模擬軌道衛(wèi)星的傳導和輻射。TMG的模擬流程為：選定仿真目標，運用主模塊進行零件設計，建立幾何模型；定義有限元模型，進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格檢查和修改；運用TMG模塊進行熱分析，定義邊界條件初始條件，分析選項，提出結果請求，選擇解算方法并求解；最后進行后處理，獲得可視化溫度場和熱流[3]。3物理模型地球同步軌道輻射制冷器主要由以下幾部分組成：二級輻射體、一級輻射體、隔熱屏、外殼、太陽屏、安裝環(huán)、輻射面板、各級支撐等。運用I-deas11的CAD功能建立地球同步軌道輻冷器的幾何模型。圖1是三維實物模型圖，為了分析方便進行了必要的簡化，未考慮內(nèi)部的控制引線。二級輻射體為圓盤形，直徑取為210mm；一級輻射體為八邊形扣掉圓形的環(huán)面，八邊形的邊長為133mm，圓盤的直徑為220mm。一二級輻射體在同一平面上。一級輻射體與二級輻射體之間有一直徑210mm高60mm的桶形隔熱屏。二級輻射體是通過二級支撐固定在隔熱屏上。出于穩(wěn)定性考慮，隔熱屏通過一級支撐與外殼相連。太陽屏為八塊等邊梯形板拼接的喇叭形，梯形的上底邊長為138mm，下底邊長為215mm，高220mm；為防止太陽光直接照到二級輻射體，太陽屏與二級輻射面成25°角。輻射面板為四邊形扣除一八邊形的環(huán)面，四邊形邊長為600mm；外殼面是直徑為370mm高度60mm的圓桶面，外殼與太陽屏通過安裝環(huán)相連。為了結構穩(wěn)定，在輻射面板和安裝環(huán)之間安裝了外殼支撐。外殼后蓋呈平底鍋形，底面直徑230mm高40mm，可以方便地與衛(wèi)星其它部件連接。圖1輻射制冷器熱物理模型為了分析方便，在創(chuàng)建幾何模型時，忽略了各個部件的厚度，都以面代替。在對其進行網(wǎng)格劃分時，支撐都采用beam單元，不同的支撐取的截面形狀和大小不同。對于面幾何都采用sheer單元，不同部件選擇不同的厚度。例如太陽屏選用厚度為10mm的三角形sheel單元，隔熱屏選用厚度為1mm的三角形sheel單元。輻冷器入軌后所受到的外來熱負載主要有太陽光譜的輻射熱，地球的紅外輻射和陽光反照熱，還有衛(wèi)星平臺對外殼的輻射和傳導熱。對于太陽光譜既考慮了鏡面反射也考慮了漫反射的情況。在繞地球的一個周期里選擇了均勻分布的12個計算點。共計算了4個周期的溫度變化。按瞬態(tài)變時間步長向后積分設定分析選項。選擇了夏至和冬至兩個太陽光最強與最弱兩個位置分別計算，獲得輻冷器溫度場和熱量傳輸情況的變化。4計算結果與討論衛(wèi)星入軌后，輻射制冷器各個部件的溫度急速下降，到第一周期末，二級輻射體溫度已經(jīng)降到最低溫度的90%，一級輻射體、太陽屏溫度、輻射面板和外殼的溫度都基本達到各自的最低溫度。圖二給出第一周期內(nèi)輻冷器溫度的變化情況。其中二級輻射體溫度下降最快，其次是一級輻射體，太陽屏和輻射面板幾乎同步降溫，外殼最慢。到了軌道第二周期末，只有二級輻射體仍在以較慢的速率降溫，離最低溫度還差3-5℃，其他各部件溫度已達到最低。到第四周期輻冷器已達到熱平衡，各部件的時間平均溫度基本沒有變化。椅圖暈2什們第一周期內(nèi)輻蜂射制冷器溫度與分布英對于三軸穩(wěn)定獸的地球同步軌罰道大尺寸輻冷搜器，同一時刻租有些部分受到藏太陽照射，有片些部分未受到身太陽照射。例歷如輻射面板和議太陽屏，預計換會有較大的溫眉差。倍圖三標示了第常三周期內(nèi)各部且件內(nèi)部幾何位惱置上的溫度不鳳均勻性，結果自顯示外殼面板嚷的最大溫差為沃2.惑8科℃嗓，太陽屏的最拳大溫差為鼠2.鼻7汗℃蠻，一級輻射板咳的最大溫差為充0.坡1孝℃術，二級輻射板禮的最大溫差為就0.0堤2伸℃宋。輻冷器在入荷軌后的各個周賭期里，各部件神內(nèi)部溫度的不巡均勻性基本相侵同。交圖忽3暖駱輻射制冷器各瘋部件內(nèi)最大溫烏差懇孝從結果來看，旅二級輻射體可疤以作為等溫體鐘，盡管輻射面掃板和太陽屏的勒溫差接近偏3殲℃定，對探測元件鎖不造成影響，何因為探測元件詳是安裝在二級千部分。在以往福的等溫模型中踩，把太陽屏和舌輻射面板作為偽等溫體處理是菊可以接受的。澆夏至時輻冷器孫的平衡溫度和齊所吸收的外來森熱負載如表一謠所示。輻冷器豐吸收的外來熱級負載有太陽輻候射熱、地球紅劑外輻射熱和陽棟光反照熱等。久其中太陽輻射溪熱為主要熱負因載，太陽屏吸交收的太陽輻射恩熱最多，思為豆17.6圣3華瓦。二級輻射列體的最低溫度任為圣零青下戲120.惠1投℃網(wǎng)。停表礦一跪澆夏至時輻冷器羊溫度及外來熱麥負勾載替團部件設溫度賣（瓣℃詞）元地球紅顧外歷(獻mW)定陽光反館照臭(餐mW)槐太陽神光突(會mW)揉二級輻射體釋-120.1陶1.5陵0.08銷700仇一級輻射體辟-104.4盯1.9秤0.1遍1026幟太陽屏勿-60.2涂3.6冬2.7衣17638殲輻射面板扭-60.4慰18.6謎1.2鋸7282絡安裝環(huán)村-60.3意25.4利1.6捆2012宜外殼喬-60.4戒0.1畢0.06劉4106之冬至時輻冷器專的平衡溫度和鞏所吸收的空間巨外熱流如表二邊所示。其中地裂球紅外輻射熱捐為主要熱負載辦，安裝環(huán)吸收篩的地球紅外輻坡射熱元為妙25.4m疏W趨。二級輻射體晶的最低溫度為氣零下編172.怎9京℃朵。兄表劑二桃式冬至時輻冷器天溫度及外來熱才負的載壓篩部件置溫度棒（關℃蝶）刺地球紅汪外靠(饅mW)框陽光反市照仗(亂mW)委太陽語光袍(馬mW)暗二級輻射體趙-172.9適1.5諷0.02防0.03硬一級輻射體諸-145.1改1.9憲0.03魄0.05襯太陽屏務-64.3周3.6鼠0.8副0.8主輻射面板駐-64.5犬18.6河0.37碑0愚安裝環(huán)墳-64.1吩25.4這1.63演1.7翁外殼俘-64.1賞0.1要0.03澇0.12抬輻冷器二級輻填射體在冬至和沿夏至時所達到年的最低溫度相瓜差伴5軍3盼℃乳，這主要是由填于夏至時地球嬸離太陽最近，恰冬至時地球離多太陽最遠，太型陽的熱流密度猾不同所致。衛(wèi)昂星上的探測元鐵件安裝在二級姿輻射體部分，逃探測元件無法邀在如此大的溫柿差下工作，因作此必須對二級喚輻射體實施溫瞇控措施遮。踢參考文獻壺[1]如搭王維揚，董德刷平較.閑慮中科院上海技暈術物理研究所娃空間制冷技術鴿的發(fā)