中高軌道衛星熱控涂層太陽吸收比退化快速估算方法

劉宇明 劉寵 于強 李宇 王晶虎 劉業楠 丁義剛

(北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術全國重點實驗室,北京 100094)

熱控系統是航天器重要的保障系統之一,它控制空間飛行器及外部環境熱交換過,使航天器各個部件的熱平衡溫度處于要求的范圍內的。在航天器熱控設計中,熱控涂層因其可靠性高、應用方便等優點,得到了廣泛的應用。熱控涂層是專門用于調整固體表面熱輻射性能從而達到熱控制目的的表面材料,是空間飛行器熱控系統的重要組成部分,其原理是調節物體表面的太陽吸收率αs和熱發射率ε來控制物體的熱量平衡。熱控涂層在空間飛行過程中,由于受到紫外輻照、帶電粒子輻照、原子氧腐蝕等空間環境的作用,其太陽吸收比等熱控性能會發生變化[1-5],造成熱控設計偏離原來設定的指標。因此,需要研究航天器常用熱控涂層在空間環境作用下,性能變化情況,并在航天器熱控設計中考慮性能變化因素的影響。目前針對熱控涂層性能退化的研究主要是在地面模擬空間環境下進行原位測試,但是由于空間環境的復雜性和綜合性,目前采用的地面模擬試驗存在一定的不確定因素,需要獲取熱控涂層在軌實際性能退化情況,以驗證熱控涂層的環境適應性以及地面試驗方法的準確性。

20世紀80年代以來,以美國、俄羅斯、歐洲航天局為首的一些組織和研究機構先后利用航天飛機、空間站、衛星等在低地球軌道環境中進行了多次空間飛行試驗,用來研究熱控涂層在嚴酷空間環境下的長期暴露效應,并對低地球軌道、地球同步軌道和行星際空問航天器上使用的熱控涂層性能進行研究[6-9]。由于我國目前還不具備在軌直接測量熱控涂層性能的能力,只能通過測量熱控涂層溫度來反演熱控涂層性能的方法,獲取熱控涂層性能在軌退化數據[10-13]。然而,利用溫度反演熱控涂層性能,需要光照角等多個參數。本文研究一種僅利用衛星在軌溫度數據,估算熱控涂層性能退化的方法,可以用于中高軌道衛星熱控涂層在軌性能退化的快速高效估算。

1 分析方法

熱控涂層的性能主要指太陽吸收比(αs)和熱發射率(ε)。測量在軌飛行期間熱控涂層的αs和ε,可以通過測量熱控涂層的溫度,利用溫度與熱控涂層性能的關系推算出αs和ε。

利用溫度推算熱控涂層的αs和ε主要是通過熱平衡方程計算出來的。假設熱控材料是平面的,即沒有其它表面向該表面輻射能量,并忽略背景輻照,熱平衡方程可以寫為[14]

(1)

式中:左式第1項為吸收太陽輻射能量,第2項為吸收地球反射的太陽光輻射能量,第3項為吸收地球紅外輻射的能量;右式為紅外輻射出的能量。

如果將試驗器放在頂部與太陽定向,則αs可寫為

(2)

當衛星進入地球陰影區時,則ε可寫為

(3)

(4)

根據式(1)、(4)可知,利用溫度推算熱控涂層的αs和ε,必須同時測得μ1、μ2、μ3、Tb,并且已知漏熱系數H和熱控涂層的質量和比熱容。漏熱系數和熱控涂層的質量、比熱容可以在衛星發射前通過地面試驗測量。如果能選擇一段時間是恒溫的情況下,并且H足夠小,則可以只利用μ1、μ2、μ3和溫度T推算出αs和ε。但是如果這些參數未知,則無法獲得熱控涂層的αs和ε。對比式(1)和(4)可知,對于中高軌道衛星,反演熱控涂層太陽吸收比所需要的參數較少,計算所需要的參數相對較少,但是仍有未知參量。為進一步進行簡化,首先對熱控涂層的溫度信息進行進一步分析。

2 衛星OSR在軌溫度分析

文獻[1]進行的衛星OSR太陽吸收比退化的在軌數據分析研究結果和地面OSR太陽吸收比試驗研究結果,同時為忽略初期污染的影響和計算數據的穩定性,圖1和圖2分別給出了某地球同步軌道衛星入軌580天之后通訊艙南北板OSR的溫度變化圖(圖1和圖2中飛行時間0天代表衛星入軌的第580天),可以看出OSR片的溫度以年為周期呈現周期性變化,且緩慢升高,沒有突變等現象。

這種溫度緩變情況,符合熱控涂層性能緩慢退化的情況,應是由于熱控涂層的性能變化引起的,故可以將式(4)寫成溫度的函數

(5)

a·(1+n·sinx)+f

(6)

式中:Ssolar.max是太陽輻照強度最大值,取1353W/m2。μ1.max是輻照角度,取其最大值為1,發射率ε取OSR的地面測量值0.8。斯蒂芬玻爾茲曼常數σ=5.56×10-8W/m2K4;m,a,n,f為待定常數。利用式(6)就可以分析計算熱控涂層的在軌性能變化情況。

圖1 某衛星通信艙北板OSR片溫度變化曲線Fig.1 Temperature variation curve of north panel OSR film in a certain satellite communication module

圖2 某衛星通信艙南板OSR片溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curve of south panel OSR film in a certain satellite communication module

3 分析結果

根據地面試驗數據,OSR熱控涂層太陽吸收比的退化公式一般可以寫為[15]

Δαs=0.1×[1-exp (-b·xd)]

(7)

將式(7)和已有的參數數值代入式(6),可得

T4=a·sin (π·x/183)+3·[1-m·sin (π·x/183)]·[1-exp (-b·(x+580)d)]+f

(8)

式中:a,b,d,f,m是待定系數;T4單位為109K4。三角函數以365天為周期,x以天為單位,x+580是因為本文所用溫度數據時間零點是衛星已經在軌飛行的第580天。

圖3 某衛星通訊艙北板OSR片與基板熱管末端溫度四次方差Fig.3 Fourth-order variance of temperature of north panel OSR film and substrate heat pipe end in a certain satellite communication module

圖4 某衛星通訊艙北板OSR片與基板熱管末端溫度差Fig.4 Temperature difference between north panel OSR film and substrate heat pipe end in a certain satellite communication module

利用式(8)對OSR溫度四次方隨時間變化的曲線進行擬合,得到參數b,d,再代入式(7)中,就得到了OSR太陽吸收比的退化曲線。

圖5和圖6是利用式(8)對OSR溫度四次方隨時間變化的曲線擬合后的結果(圖5和圖6中飛行時間0天代表衛星入軌的第580天,圖中紅色曲線為擬合結果)。

圖5 通信艙北板OSR片溫度四次方變化曲線Fig.5 Communication module north panel OSR film temperature fourth-order variation curve

圖6 通信艙南板OSR片溫度四次方變化曲線,紅色曲線為擬合結果Fig.6 Communication module south panel OSR film temperature fourth-order variation curve

從圖5和圖6看出,通訊艙北板、通訊艙南板OSR熱控涂層溫度擬合數據與測量數據符合性非常好。圖5擬合得到參數b、d的數值分別為0.153和0.222;圖6擬合得到參數b、d的數值分別為0.125和0.175,將b和d的數值代入式(7)得到通訊艙北板和南板OSR太陽吸收比變化,由于溫度測量數據是入軌580天后的數據,以580天處的太陽吸收比為基礎,計算OSR太陽吸收比的變化曲線,如圖7所示。通訊艙北板、通訊艙南板OSR退化趨勢基本一致,在3年的時間內,OSR的退化量不足0.01,說明OSR具有較好的穩定性。有必要指出本文中忽略了控溫加熱補償功率的變化,參考文獻[1]進行的地面OSR太陽吸收比退化研究和OSR空間飛行試驗研究數據,本文得出的退化量在0.01左右的結果接近文獻[1]的研究結果,說明估算方法是有效的。

圖7 OSR太陽吸收比退化預示曲線Fig.7 OSR solar absorption ration degradation prediction curve

通過以上分析可以知道,利用遙測熱控涂層溫度數據可以通過簡單估算來預示熱控涂層的太陽吸收比退化,但是需要一些前提條件:①中高軌道衛星運行狀態平穩,軌道運行周期重復性好,儀器散熱周期重復性好;②熱控涂層的發射率基本不變;③需要地面試驗數據判斷熱控涂層太陽吸收比的最大退化量。在滿足這些條件時,可以降低對式(1)中的參數數據要求,通過簡單的計算,獲取熱控涂層性能退化情況。

4 結束語

本文介紹利用待定系數法估算中高軌道衛星熱控涂層性能變化的方法。通過將地球圍繞太陽軌道、光照角、熱流量等周期性信息的三角函數處理,極大降低了對遙測參數數量的要求,從而可以將熱控涂層熱流平衡公式大幅簡化,僅利用熱控涂層溫度數據,結合待定系數方法計算出熱控涂層在軌性能退化情況。利用估算方法,計算了某衛星OSR太陽吸收比在軌退化情況。結果顯示,該衛星OSR片的太陽吸收比在衛星入軌后的第580天至1670天約3年的時間內,僅退化了不到0.01,說明OSR片在剛入軌時,其太陽吸收比可能會有變化,但是入軌一段時間后,其性能會比較穩定,不再發生比較大的變化,這與地面試驗獲得的結論相同[1]。同時,衛星南北板的OSR片太陽吸收比性能退化有所不同,這可能與南北板紫外輻照量不同相關,在地面模擬試驗中,應加強紫外-質子-電子綜合輻照效應研究工作。