百叶窗热性能优化设计研究.pdf

上海航天
第33卷2016年第1期
AEROSPACE SHANGHAI
文章编号:1006-1630(2016)01-0095-06
百叶窗热性能优化设计研究
孙大强,谢龙,瞿载腾,赵小翔
(上海卫星工程研究所,上海200240)
摘要:对航天器上热控百叶窗进行了优化设计。建立了百叶窗热性能的理论分析模型,讨论了设计时底板
与叶片发射率等主要参数对百叶窗热性能的影响。确定了热控优化设计的原则,对不同设计方案和百叶窗结构进
行了优化,给出了高性能热控方。研究结果对热控百叶窗设计有一定的指导意义。
关键词:热控制;百叶窗;自适应;优化设计:结构;叶片发射率
中图分类号:TK124文献标志码:A
Study on Optimization Design of Thermal Louver Performance
SUN Da-qiang, XIE Long, ZHAI Zai-teng, ZHAO Xiao-xiang
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China)
Abstract: The optimization design of spacecraft thermal louver was studied in this paper. The theoretical
analysis model of the thermal louver performance was established. The effects of the main factors on the thermal
louver performance in the design which were bottom emissivity and blade emissivity were discussed. The
optimization principle of thermal control was determined. The various design schemes and louver structures were
optimized, and the scheme with high performance was given out. The study was useful to the the design of thermal
louver
Keywords: Thermal control; Louver; Self-adaptive; Optimization design; Structure; Blade emissivity
变更发射率,智能调节航天器内/外部热交换过程
适于同步轨道航天器的传统被动热控系统自身从而解决复杂外热流条件下的热排散难题,并对恶
控制特性固定,只能在稳定的外部热环境和既定的劣热环境引起的温度波动进行主动抑制。热控百
内部工作模式条件下才能保持设定的系统热性叶窗是基于散热面面积调节原理的可变吸辐比热控
能。以倾斜轨道航天器、深空探测飞行器等为代技术,原理简单、性能可靠,广泛用于解决复杂热环
表的复杂任务航天器具恶劣的外部热环境或复杂的境航天器热控难题。热控百叶窗的设计方案决定
内部工作模式,为使热控系统在输入扰动特性大幅了其热控性能,高性能热设计是研制的关键,相关研
变化时维持合理的系统热性能,需构建高适应热控究未见有报道。热控百叶窗的实际散热过程非常复
方案。高适应热控方案综合利用多种自适应热控杂,本文采用简化模型对其热性能进行了理论分析,
制技术对航天器热量进行综合管理与调节,具体有并用数值仿真进行热性能优化设计。
增强航大器对恶劣热环境适应能力的外部自适应热
排散,以及提高航天器对复杂工作模式适应性的内
百叶窗热控方式
部主动热组织等技术的。作为重要自适应热排散技
百叶窗是典型的辐射式主动热控技术,原理如
术之一,可变吸辐比热控能根据航天器温度自适应图1所示。该装置利用低发射率的可转动叶片不同
程度遮挡高发射率底板,通过调节有效散热面积大
收稿日期:2014-06-20;修回日期:2014-09-18
小控制热排散能力。当散热面温度降低到某个设计
作者简介:孙大强(1989-)男,硕士生,主要研究方向为航天器温度,叶片自动转到关闭状态,低发射率叶片将散热
热控制
面全部遮挡,使散热量降低到最小;当温度升高到某
万方数据
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第33卷2016年第1期
阀值时,叶片自动打开到最大的垂直位置,露出高发包括表面的自身辐射ε,E,和投人辐射的反射p,G
射率散热面,以有效排散热量。
(1-e)/(e.A1),1/(A,X,)分别为表面辐射热阻和
空间辐射热阻;e,为表面i的发射率;X.为表面
间的角系数。此处:,j=1,2,3,4,其中1为底板;
2、3为叶片;4为黑体(绝对温度0K)。则:(1
e:)/(e:A1)=0,J4=Eい=0;叶片2、3辐射条件相
同,2=E3,E2=Ea;A1=A2=A3=A=A,因此百
叶窗辐射换热等效网络图可简化为图3(b)
图1百叶窗结构
Fig. 1 Structure of thermal louver
当量发射率是衡量热控百叶窗热控性能的重要
参数,定义为从安装百叶窗表面辐射的净换热量与
相同面积相同温度下的黑体辐射之比Ea=
(aT)。此处:q为热流密度;σ为波尔兹曼常数;
为温度。当量发射率变化倍率n=emx/emn
e_o/es表示百叶窗的热控能力。此处:max,
(a)等效网络
min,op,l分别表示最大、最小、开启和关闭。
2百叶窗热性能理论分析
2.1分析模型创建
本文根据净热量法,用热阻网络建立百叶窗热
分析模型?。将百叶窗功能简化为如图2所示的叶
片单元1。图中:B为辐射底板与叶片夹角。辐射
(b)简化网络
底板、叶片与绝对温度0K的冷黑空间组成封闭的
辐射换热环境。因百叶窗关闭时叶片可全部遮挡
图3百叶窗辐射換热网络图
底板,故底板与叶片面积相等,构成平行四边形
Fig 3 Radiation heat exchange network of thermal louver
结构
由基尔霍夫定律,可得节点J1,J2,J3处简化电
流方程分别为
Eー_J2ーJ⊥Js-J_0
图2百叶窗简化热分析模型
=0
Fig 2 Simplified thermal analysis model of thermal louver
分析中不计百叶窗边缘漏热,不考虑沿叶片长
度及宽度向的导热,假设叶片为两侧温度相等、发射因叶片两侧温度相等,叶片的净辐射换热量为0,则
率相等的漫反射表面,底板为温度均匀的漫反射表
面。用多表面封闭系统辐射换热计算网络法给出百
叶窗的等效网络图如图3(a)所示。图中:Eb,为处
于i面温度下的黑体辐射力;J,为i面的有效辐射,用交又线法可求得各表面间角系数为
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