[发明专利]一种空间辐射换热规律地面常压等效热试验方法

摘要

本发明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。

主权项

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Tr，k；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： M r , k c r , k dT r , k dt = Q i , k + Q s , k - Q r , k - - - ( 1 ) 式中，k∈[1，K]为辐射器支路序号；Mr，k为第k个辐射器支路中辐射器及其附着冷板总质量；cr，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；Tr，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；Qi，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，k＝ξCP，kGr，kcf(Tri‑Tr，k)                 (2)式中，ξCP，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，k、Tri可分别由地面散热系统测量值Gc，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： Q s , k = A r , k Σ i = 1 3 α k , i q k , i - - - ( 3 ) 式中，Ar，k为第k个辐射器支路中辐射器面积，αk，i和qk，i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；Qr，k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：Qr，k＝Ar，kεr，kσTr，k4                       (4)式中，εr，k为第k个辐射器支路中辐射器表面发射率，σ为Stefan‑Boltzmann常数；第二步：根据第一步计算的辐射器温度Tr，k，计算辐射器出口流体温度Tro，k；首先引入冷板换热效率定义式：ξCP，k＝(Tri‑Tro，k)/(Tri‑Tr，k)                (5)由式(4)可得辐射器出口流体温度Tro，k：Tro，k＝Tri‑ξCP，k(Tri‑Tr，k)                   (6)第三步：计算稳态热流分量a0；根据式(1)可知，Qs，k‑Qr，k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Qs，t，即有：Qs，k‑Qr，k＝Qsb，k+Qst，k                       (7)考虑到空间外热流Qs，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： Q s , k = 1 2 A 0 + Σ 1 ∞ A n ( θ ) = a 0 + Σ 1 ∞ ( a n cos nωt + b n sin nωt ) - - - ( 8 ) 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： Q sb , k = Q s , k - Q r , k - Q st , k = a 0 + Σ 1 ∞ ( a n cos nωt + b n sin nωt ) - Q r , k - Q st , k - - - ( 9 ) 为了获取稳态热流Qsb，k数值，对式(9)两边积分有： ∫ 0 ∞ Q sb , k dt = ∫ 0 ∞ ( a 0 + Σ 1 ∞ ( a n cos nωt + b n sin nωt ) - A r , k ϵ r , k σT r , k 4 - Q st , k ) dt - - - ( 10 ) 为了构造式(10)右侧稳态项，引入轨道周期平均热流Qav，k＝Ar，kεr，kσTav，k4有： ∫ 0 ∞ Q sb dt = ∫ 0 ∞ ( a 0 - Q av , k ) dt + ∫ 0 ∞ ( Σ 1 ∞ ( a n cos nωt + b n sin nωt ) + Q av , k - A r , k ϵ r , k σT r , k 4 - Q st , k ) dt - - - ( 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， ∫ 0 ∞ ( Q av , k - A r , k ϵ r , k σT r , k 4 ) dt = 0 , 令动态热流项Qst，k满足 Q st , k = Σ 1 ∞ ( a n cos nωt + b n sin nωt ) 则有： ∫ 0 ∞ Q sb , k dt = ∫ 0 ∞ ( a 0 - Q av , k ) dt ⇒ Q sb , k = a 0 - Q av , k - - - ( 12 ) 由于a0、Qav，k均为常量，因而稳态热流Qsb，k为恒定值。