提高红外灯阵热流模拟均匀性的优化设计方法

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1、第29卷第1期航天器环境工程20l2年2月SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING27提高红外灯阵热流模拟均匀性的优化设计方法杨晓宁1，孙玉玮2，余谦虚3(1．中国空问技术研究院通信卫星事业部，北京100094；2．北京卫星环境工程研究所，北京100094；3．中国空间技术研究院，北京100094)摘要：真空热试验中通常使用红外灯阵作为整星试验和太FEl电池板试验的外热流模拟装置。文章从平面灯阵的研究出发，建立了使用红外灯阵作为外热流模拟装置时到达被加热面热流密度的计算模型，对影响热流密度均匀性的因素

2、进行了分析，提出了红外灯阵优化设计方法，以提高热流模拟时卫星表面的热流密度均匀性。研究结论可以用于指导真空热试验所用红外灯阵的工装设计。关键词：真空热试验；热流密度；红外灯阵；均匀性；优化设计中图分类号：V416．5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)01—0027—05DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2012．01．0060引言在进行航天器热平衡试验和热真空试验时，红外灯阵是比较常用的外热流模拟装置，特别是在整星试验和太阳电池板热真空试验中应用较多，取得了较好的试验效果。到达被加

3、热面的热流密度均匀性是红外灯阵的一个重要设计指标。本文从平面灯阵的研究出发，建立了使用红外灯阵作为外热流模拟装置时到达被加热面热流密度的计算模型，对影响热流密度均匀性的因素进行了分析，提出了红外灯阵优化设计方法。1红外灯阵仿真数学模型对红外灯阵的仿真计算采用MonteCarlo法【1]。在进行外热流模拟时，假设红外灯辐射面在整个换热体系中都具有灰辐射特性，不考虑辐射能的频率变化，认为红外灯辐射面各点温度相同，辐射点在表面上均匀分布，发出的粒子能量相等。1．1红外灯发出能束线的直线方程漫灰体表面辐射满足兰贝特定律。设辐射线的天

4、顶角为卟圆周角为0，则&--2an，々o=arcsin√∥(其中，仅和口均为0～1之问的一个随机数)[2】。以被加热面的一个端点为原点D，建立直角坐标系O-xyz，如图1所示‘31。将红外灯抽象为圆柱体，其半径为r，左端面圆心为P，其辐射面上任意一点M(Xo，Yo，ZO)在圆周方向上的角度为∥。图1红外灯上任蒽一点不蒽图Fig．1AarbitrarypointontheinfraredlampM点在灯管长度m和圆周区f日q[o，2n]上都服从均匀分布，在区间[0，1]分别做随机数R，和嘞，则Ay=Rym，fl=Rp2rt，可

5、得到M点坐标为fxo=昂+rcos∥{Yo=YP+△少o(1)【％=邵+rsin∥以M点为原点D’，建立新的直角坐标系O'-x'y7z，(参见图1)，其Zt轴方向是圆柱面随机点M的外法线方向，平面x7Cry7为圆柱面在∥点处的切平面，设x7轴为平面y可。与切平面的交线，Y7收稿Et期：2011-03—28；修回日期：2012．01一11基金项目：“十．2-h．”预先研究课题“大型卫星地面真空热环境试验技术”(项目编号：513200904—2)作者简介：杨晓宁．(1972一)，男，博士学位，高级工程师，卫星型号副总指挥。E-m

6、ail：sywpan2002@sina．com。28航天器环境工程第29卷轴由z7轴与7轴的方向向量来确定，即口’。=口：×口：。(2)在半球空间里随机发射一条能束线O'A，其空间方向如图2所示。兰：旦：三，f31Ⅲ毒m矧2斗㈣—x-—x0：—Y-—Yo：三二丑。(5)2)联立求解三玉：!二兰!：三二鱼：fioJoko，F(x，Y，z)=0得出f。如果f为有理数，则能束线与被加热面有交点；否则能束线与被加热面没有交点。3)求出交点，并判定其是否在特定的区域，即笋4定是：P氟∈(Xmin，x。。)，yE(‰i。，)h。)，ZE

7、(Zmi。，Zmax)。1．3能束线在挡板上镜面反射的处理假设入射方向单位向量A1={口1，b1，C1)，镜面内法线方向单位向量A2={a2，b2，c2}，反射方向单位向量A3={a3，b3，C3)，P1为入射平面。由镜面反射条件f(-A1)4=A：．43{(-A1)A3=一1+2(-A14)2，(6)h3c墨可确定A3={a3，b3，c3}，即求解线性方程组AX：B。其中：6^白(qaz—qc2)在被加热面上划分网格，统计各个网格中的能束线数，再通过红外灯的功率即可求出被加热面的热流密度。2红外灯阵布置方式除热流值和每个区

8、域内的热流密度均匀性需满足设计要求外[4】，灯阵的设计一般还要遵循如下技术要求：1)灯阵对航天器的遮挡要尽量少；2)灯阵支架的热容应尽量小；3)灯的安装位置要便于调整，以满足结构需要。以某型号被加热面的尺寸为例，选取被加热面尺寸为3400mm×2400nqlTl。考虑到灯阵的尺寸大于被加热