典型卫星的表面热辐射特征研究杨帆

1、传热传质学编号：143194pcpdta?k(1)中国工程热物理学会学术会议论文典型卫星的表面热辐射特征研究杨帆 宣益民 韩玉阁（南京理工大学能源与动力工程学院，南京，210094）（telamp; email: ymxuan）摘要：为了更深入的分析典型卫星的表面热辐射特性，需要建立更加精细的卫星热特性计算仿真模型。在 基本的卫星热辐射计算模型的基础上，新模型考虑了卫星载荷的发热与散热、热控措施、太阳能帆板的姿 态控制以及多部件之间的遮档与辐射换热，进一步扩展模型的适用性，完善了模型的功能。以中巴资源卫 星为仿真原型，计算了典型卫星在轨运行时的各部件表面温度分布和变化

2、，考虑了自身辐射与反射辐射， 计算并分析了卫星表而的红外热辐射特性。分析结果可为卫星红外测量与分类识别提供有效的支持依据。】 关键字 卫星；辐射特征；数值计算0引言随着各国航天事业的投入发展，空间对抗技术的探索已经成为目前越来越热门的重要课 题。空间对抗技术包括空间目标监测、识别与打击等等。红外探测技术是一种常用的空间监 测手段，而对目标表面红外热辐射特性的研究是解决红外探测与识别的前提。作为最重要的空间目标，卫星系统的热辐射特性分析，己经受到了广泛的重视。国内外 许多研究者开展了相关建模、仿真与分析的工作2】。然而，其建模工作一般只涉及到了卫 星基本的部件，即本体和太阳帆板。卫星其他多数的部

3、件常常被忽略不计。另一方面，卫星 的姿态一般考虑为三轴稳定。然而事实上，卫星在轨运行屮，太阳帆板多釆取对日定向的动 态姿态控制。因此，在模拟卫星在轨运行吋的热特性吋，需要考虑太阳帆板的摄动。本文在已有的卫星热辐射特征仿真模型基础上勺，考虑卫星不同类型部件的载荷热源， 部件之间的导热与辐射换热，太阳帆板的对日定向姿态摄动等。扩展了计算仿真软件的功能, 完成了卫星热特性计算仿真的精细建模。通过以屮巴资源卫星为典型目标，建立卫星热辐射 特性模型，并根据该卫星的轨道特性，研究其在轨运行时的温度变化与热辐射特性，分析不 同类型的红外辐射特性差异，为卫星的分类识别提供依据。1计算模型1.1基本的计算模型1

4、.1.1温度计算由于在空间环境屮，可以忽略对流换热，同时辐射换热通常可以等效为单元体附加源项, 所以卫星星体及部件的温度的控制方程可以采用三维导热微分方程。以下是含热源项的三维 直角坐标系下的控制方程叭其中，为材料的热容量，k为材料的热导率。p是材料的热源项，既可以表示由于材料自 身发热产生的热源，又可以代表由于处于边界上的辐射换热等效而成的附加热源。而求解卫 星的离散温度方程，最重要的就是确定卫星表面的辐射边界条件。1.1.2辐射边界条件在卫星温度数值计算过程中，辐射边界条件往往作为源项附加至控制方程冈，式（1） 中的源项p可以表示为：基金项目：总装备部预先研究项目p = (qsd + qs

5、un + q earth + qes + qcom qemitv( 2 )其中，是卫星部件自身的产热量，幺“”是部件表而接收到的来自a阳的辐射热流， qearth是部件表面接收到的来自地球大气系统的辐射热流，qe_s是部件表而接收到的地球 反射太阳的辐射热流，qcom是部件表而接收到的其他部件自身发射或反射的辐射热流， 0劭是部件表而对空间环境的辐射热流，是计算单元体的体积。边界条件各个热流值都 已经在文献屮有过较多的讨论，此处不再敷述。1.1.3红外辐射特性的计算卫星表面的红外辐射特征是卫星在红外波段范围内的辐射通量，包括自身辐射与反射辐 射两部分，即：= e" +(3)其中，久八

6、力是计算波段的起始波长和终止波长，ef"是在波段内卫星表而自身发射的辐 射，在计算得到卫星表而温度z后，则可以通过普朗克函数计算并积分获得；ej"是在波 段内卫星表而反射的红外辐射，反射的红外辐射包括地球辐射、a阳辐射以及其他部件发射 的红外辐射。卫星表面材料的红外发射率是影响红外辐射特征的重要因素。如果材料的红外发射率很 高，那么其红外辐射特征主要受表面温度影响；如果红外发射率很低，那么反射的红外辐射 影响较大。1.2精细的计算模型利用以上方法，可以完成较简单的卫星模型的仿真模拟。为了更加精确的模拟较复杂的 卫星模型，则需要考虑更多的细节。模型的完善工作主要包括以下几个方

7、面。1.2.1有效载荷的发热卫星的载荷是搭载在卫星平台上最核心的功能部件，如相机、雷达、光电探测器等。载 荷在工作时，会产生热量。为了保持载荷在一定的工作温度下，这部分热量通常会转移到卫 星的散热而，并排放到太空环境屮。因此，如果卫星处于工作状态，需要在散热面内加入载 荷的热流。其载荷热流主要与散热血和载荷的温度相关，散热血一般设置在背阳血，从而不 受太阳辐射热流，其载荷热流与散热面辐射热流的热平衡方程可以表示为：m tr)i r = 4r£r(t(t： - t；)(4)其中，几、tr、儿分别是载荷、散热面和太空环境的温度，是载荷与散热面之间的热阻， 力人是散热面面积，除是散热面发射

8、率，”是史蒂芬玻尔兹曼常数。由上式可以看出，散热面的温度需要低于热载荷的工作温度，才可以有效的対载荷进行 散热。对于处于阴影下的散热面，一般总可以保持较低的温度；而阳光下工作的辐射散热表 而，应选择低吸收发射比值的涂层，以达到低表面温度。如果散热面的温度较高，还会引起 热量倒流的问题。使热源温度升得更高。1.2.2热控措施卫星系统的热控措施十分多样，这里只考虑会影响表面辐射特性的热控措施。卫星上应 用较多的还是被动式热控措施，除了常见的热控涂层和多层隔热材料，还有热管、热控百叶 窗、热辐射器、辐射制冷器等。对于不同种类的热控措施需要专门的建立模型，卫星部件在 热控措施的影响下，温度也相应产生改

9、变。热控措施对卫星部件温度的影响也可以采用附加源项法进行调节，即在每一步计算吋, 提前确定计算单元体在热控措施调控下产生的附加热流，作为源项加入单元体的控制方程。 部分热控措施的触发儿乎都需要一定的条件，例如热开关、电加热、百叶窗等，因此在每一 步都要判断该卫星状态下，是否会触发热控措施。1.2.3太阳帆板姿态控制卫星在轨飞行时，为了使太阳能电池接收到更多的太阳光照射，帆板姿态的控制是一个 需要考虑的一个问题。对于大多数的卫星，太阳能帆板典型的安装方式为可绕垂直于主体侧 平面的轴转动，即帆板的法向平行于载人航天器的轨道面，只要选择合适的起始时刻来驱动 太阳帆板匀速旋转，就能保证太阳帆板法线和太

10、阳光线的夹角保持最佳位置，从而保证太阳 帆板输出最多能量。图1太阳能帆板转动角度示意图如图1所示，。知z为太阳能帆板坐标系，英屮z轴始终与帆板正面的法向量方向重合, 尹为帆板的转动轴。4是当地坐标系下太阳方位的矢量，（p是£在兀血平面上的投影矢量, 由于卫星的运动，以与z轴方向产生了夹角°,因此需要调整帆板的姿态，让英绕尹轴向x 轴方向转动角度，从而使得z轴方向和（p再次重合，则帆板可以获得最佳受晒姿态。此时, 太阳能电池阵列表面受到的太阳辐射辐照密度为：psun =scos&（5）其屮，s是太阳常数，0是（p是幺的夹角。1.2.4部件间的遮挡与辐射换热在大多数的卫

11、星热辐射仿真计算研究中，通常将卫星模型简化为一个简单的星体与太阳 能帆板的组合。事实上，卫星含有若干数量的部件载荷。例如遥感卫星的探测器、相机，通 信卫星的雷达、天线，等等。当需耍建模的卫星部件增多时，部件之间就存在复杂的辐射换 热以及遮挡关系。这就需要在仿真计算中确定卫星部件z间的辐射传递系数。计算单元表面 丿接收到的来白其他部件发射的辐射为：n”qcomj 二工企的 dj j(6)1=1英中，n表示卫星表血划分的总单元表血数目，dj为辐射传递系数，表示单元，发射的辐 射能量最终被单元j吸收的份额。采用蒙特卡洛法结合光线追踪模型，对以有效的计算多部件之间的辐射传递系数。蒙特 卡洛法通过发射点

12、随机分布概率模型结合光线发射模型生成大量模拟光线；采用光线跟踪模 型对每束光线进行跟踪，直至被吸收，最后统计每束光线的最终归宿从而计算得到辐射传递 系数。2典型算例参数以下以屮巴地球资源卫星cbers为原型，利用新的计算模型，模拟计算其在轨运行时 的热辐射特性。2.1卫星轨道参数模拟卫星是一颗太阳同步轨道的地球资源遥感卫星，具体轨道参数设置如表1所示：表1模拟卫星的轨道参数轨道参数参数符号值偏心率el.lxw3半长轴a7148.9 km轨道倾角i9&5。近地点辐角co90°降交点当地时to10:30 am升交点赤经uqs0-22.5°+0.98561228(t-t0

13、)其中，so是所选定时刻to的格林威治恒星时，单位为度，t以天为单位。这表示了太阳 同步轨道的升交点赤经是随着地球公转而不断变化的。而太阳同步轨道一个不变的重要参数 是降交点地方时，它规定了降交点和平太阳的赤经差。另外，由偏心率可以看出卫星轨道为 近圆形轨道，这使得在不同地区获取遥感图像比例尺寸大致相等。其卫星轨道高度在780km 上下。2.2卫星外形结构卫星星体的形状为一个矩形体，尺寸为2mx2mx2.5m,右侧为长5m、宽2.5m的单翼三 组式太阳能电池阵。模拟卫星的外形结构如图2所示。图2模拟卫星的结构外形作为地球资源卫星，最重要的载荷是一台红外光谱探测仪器和一台ccd相机。其中， 红外

14、探测仪需要进行低温制冷，其焦平面一侧连接辐射制冷器，辐射器平面朝向卫星左侧, 即与轨道平面垂直，受到太阳辐射时间最少。卫星本体也在这一侧设立两块辐射面，将本体 内部载荷的热量通过辐射面散发出去。卫星还有若干天线设备，用來接收地面信号或者发送 对地探测数据。天线系统与探测系统均装载于卫星对地面上。2.3卫星表面材料及辐射参数卫星主体的外壁而和载荷部件的外壳主要用表面镀铝的多层隔热材料包覆，其太阳吸收 率血和红外发射率£都很低。在主体背面和左面开几处散热口，表面材料采用高红外发射 率的散热材料。太阳能帆板两面需要不同辐射参数的材料。装载太阳能电池阵的一面，为了吸收更多的 太阳能，其设计成

15、具有佼高的太阳吸收率。而另一面的主要作用是为帆板散热，因此釆用高 红外发射率的散热材料。具体的材料辐射参数见表2o表2卫星各材料表面的太阳吸收率和红外发射率表面材料太阳吸收率红外发射率多层隔热材料0.090.03散热材料070.87太阳能帆板（电池面）0.750.87太阳能帆板（散热面）070.873计算结果与分析3.1模拟卫星的在轨温度变化分析300-500-400-200-50001000015000200002500030000时间图3卫星在轨飞行时六个表而的温度变化卫星在轨飞行时，其本体各表面的温度变化如图3所示。卫星装载太阳能电池板的一 面为右侧面，辐射器朝向的一面为左侧面，装载对地

16、观测仪器的一面为下底面，前向面、后 向面和上顶面可据此依次判断。由结果图可以看到，除了背阳的左侧面，其他几个面的温度 成周期变化。其屮，前向面、上顶面、后向面的温度峰值接替出现，这符合卫星轨道引起的 太阳辐射方向的变化。右侧面的温度上升和下降趋势分别代表了卫星处于口照区和阴影区, 而下底面只有在即将进入阴影区和刚出阴影区时，有温度上升的变化。而背阳面的温度一直 下降，并最终趋向一个平衡值。时间图4卫星在轨飞行时太阳能帆板正反面的温度变化太阳能帆板的表面温度变化特性如图4所示，可以看到，其表面温度也是呈现稳定的 周期变化。在阴影区时，太阳能电池阵正、反表面的温度相差很小，而在口照区时，电池阵 正

17、面的温度迅速上升，高出背面很多温度。这是由于卫星太阳翼采取了对口定向姿态控制， 保证了太阳能电池阵最大程度的接受太阳辐射。3.2模拟卫星的三维温度分布(a)(b)图5模拟卫星在日照区飞行时的温度分布图5所示的是模拟的卫星在日照区飞行时的表面温度分布情况。由于太阳能帆板采用 了对tl定向姿态控制，因此可以通过帆板的姿态判断太阳方位。图中这一时刻的太阳方位接 近在卫星顶上方，因此上顶面温度最高。太阳能电池阵温度也较高，其正反两面的温差较大。 最低温区为辐射制冷器的辐射面，温度很低。卫星星体有两侧开了散热面，一侧有一块散热 面，另一侧有两块散热面。由于散热面发射率高，温度较星体低。由图可以清晰的分辨

18、出散 热面的位置。tenk: 210 230 250 270 290 510 mo asotenk: 210 230 2s0 270 290 310 330(a)(b)图6模拟卫星在地球阴彩区飞行时的温度分布当卫星进入地球阴影区时，地球挡住了太阳辐射，卫星表面的温度迅速降低。此时模 拟卫星表面的温度分布如图6所示。可以看到，卫星表面的温度较口照区时整体都下降了， 电池板两侧温度接近，相差不大。辐射制冷器仍然是温度最低的冷源，保证了资源卫星的红外探测仪器的正常运行。3.3典型卫星的红外辐射通量通过卫星表面温度，可以计算出卫星表面发射的光谱辐射强度，再考虑上地球的红外 辐射与部件间的红外辐射，就可

19、以得到模拟卫星在814ym波段积分的红外辐射特征图， 日照区的计算结果如图7所示。其该波段的红外辐射特性主要表现为自身辐射和反射辐射的 综合作用效果。可以看到，此时卫星太阳能帆板电池阵的一面辐射很强，而星体由于表面发 射率很低，其辐射强度也很小。另外，星体下底面的天线部件的辐射也很高，这是因为天线 表而的涂层为高发射率的白漆。(a)图7日照区模拟卫星的红外辐射特征阴影区的卫星表面红外辐射特征如图8所示。对比日照区和阴影区的卫星辐射强度, 可以看到阴影区的星体和太阳能帆板辐射都很小，但是天线部件的辐射量依然很高。(a)(b)图8阴影区模拟卫星的红外辐射特征4结论本文完善了卫星系统的热辐射计算模型

20、，考虑了卫星系统的热载荷、热控措施、太阳能 帆板的对tl定向姿态控制以及多部件之i'可的辐射换热与遮挡计算，以典型的卫星类型遥 感卫星为目标，建立的复杂结构的卫星模型，并计算了卫星系统的表面温度分布和红外辐射 特征。结果表明，新模型的计算结果更加真实合理，细节表现更加明显。其计算结果可以为 卫星类型的红外测量与分类识别提供有效的支撑依据。参考文献fl贾震江.卫星热分析建模方法研究:博士论文.南京：南京理工大学,2004.jia zhen-jiang invesligalion on establishing a numerical method for the thermal anal

21、ysis of a satellite: ph.d. thesis. nanjing: nanjing university of science & technology, 2004.2韩土阁，宣益尺.卫星的红外辐射特征研究.红外与激光工程,2005, 34(1): 34-37.han yu-ge, xuan yi-min. infrared feature of the satellite. infrared and laser engineering, 2005, 34(1):34-37.3张伟清.卫星红外辐射特性研究:博士论文.南京：南京理工大学,2006.zhang wei-qing. research on infrared radiation characteristics of satellites: ph.d. thesis. nanjing:nanjing