CN107010246A - 卫星表面分形结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开卫星表面分形结构，卫星星体为正方体结构，在卫星星体任意表面建立sierpinski地毯图案，所述分形结构包括以所述地毯图案中间的正方形为底面建立的正四棱锥凸起。
Description
技术领域
本发明涉及卫星热控领域，特别涉及卫星表面分形结构。
背景技术
微小卫星是目前航天领域的三大研究热点与发展前沿之一，备受国际宇航界的青睐。微小卫星体积小、质量轻、热流密度大的特点，使得微小卫星的内部星载设备的日趋多样化以及工作模式的日趋复杂化；执行航天任务环境的不确定性；同时微电子器件的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70～80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5％。以上各种因素，都对微小卫星热控系统的设计提出了新的挑战。
目前，微小卫星的热控系统的研究主要集中于智能型热控器材和灵巧型主动热控装置两个方面。智能型热控器材，强调了利用物性参数的自身调节，因此非常适合在电功率和重量都受苛刻限制的微小卫星当中应用，但是由于物性方面的调节比较困难，同时目前对于材料的研究已经较为深入，存在一定瓶颈，提升难度较大。灵巧型主动热控装置，其太阳吸收比或发射率可以随着卫星表面各种可根据外在信号改变发射率的可控热辐射装置来进行调整，如各种可根据控制信号改变传热能力的热管，以及其他冷却回路等。这些装置在尺寸和重量上远小于普通卫星上常见的同类装置；同时，热控措施本身具备可驱动性，可以通过优化自主热控算法进一步提高热控能力和热控效率。然而，目前的热控制系统的调控能力的根本上还是取决于传热器件的能力本身的，受到传热能力的上限制约。
在微小卫星的热控系统中，以传热能力为评价传热性能的标准。在目前的微小卫星的热控系统中，传统的研究热点大都放在了传热系统和星面材料的研究上，往往容易忽视卫星表面的形貌结构对星体传热能力的影响。形貌结构设计与现有的各种技术相辅相成，形成一个良性的整体。
发明内容
本发明解决的问题是现有卫星热控系统传热能力受传热器件所限；为解决所述问题，本发明提供卫星表面分形结构。
本发明所提供的卫星表面分形结构针对卫星星体为正方体结构，在卫星星体任意表面建立sierpinski地毯图案，所述分形结构包括以所述地毯图案中间的正方形为底面建立的正四棱锥凸起。
进一步，包括一级分形结构；卫星星体为正方体结构，将所述正方体结构至少一个表面进行一级分级，形成至少9个面积相等的二级正方形，以中间的二级正方形为底面，凸起至少一个一级正四棱锥结构，一级分形结构包括所述一级正四棱锥结构。
进一步，对至少一个其他二级正方形进行二级分级，形成至少9个面积相等的三级正方形，以中间的三级正方形为底面，凸起至少一个二级正四棱锥结构，二级分形结构包括所述二级正四棱锥结构。
进一步，所述二级分形结构还包括对一级正四棱锥侧面进行九等分，形成九个面积相等的一级三角形，以中间的一级三角形为底面建立的三棱锥。
进一步，所述星体的表面为边长为18cm的正方形，一级分形结构包括：对表面进行一级分级，以中间的6×6cm二级正方形为底面，高度为4.24cm的四棱锥；二级分形结构包括：对其他二级正方形进行九等分，以中间的2×2cm三级正方形为底面，高度为1.41cm的四棱锥；三级分形结构包括：对其他三级正方形进行九等分，以中间的6.67×6.67mm四级正方形为底面，高度为4.71mm的四棱锥；四级分形结构包括：对其他四级正方形进行九等分，以中间的2.22×2.22mm五级正方形为底面，高度为1.571mm的四棱锥。
进一步，第N级分形结构还包括对第N-1级正四棱锥的侧面进行九等分，以中间的三角形为底面所建立的三棱锥。
本发明的优点包括：
提供了一种对微小卫星的外壳进行特殊设计的方案，以自然界中广泛存在的分形结构为基础，设计了表面凸起的分形结构，以增加卫星外表面对宇宙空间的辐射传热能力。
附图说明
图1是本发明依据的sierpinski地毯图案；
图2是本发明实施例提供的的星体表面分形结构示意图；
图3是本发明实施例的技术效果，辐射传热能力对分形级数的变化示意图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
图1显示了本发明应用于微小卫星表面的分形结构依据的原理图，sierpinski(谢尔宾斯基)地毯图案。该图案具有典型的分形特征，具有明显的自相似性。将该图案应用于微小卫星表面的设计中可以有规律的设计制造出无规律的表面结构特征；
如图2所示，本实施例中，卫星星体为立方体结构，所述分形结构形成于卫星任意一个或者多个表面。所述分形结构可以有一级或者多级。一级分形结构包括：将所述正方体结构至少一个表面进行一级分级，形成至少9个面积相等的二级正方形，以中间的二级正方形为底面，凸起的一级正四棱锥结构。可以看出，所述一级分形结构可以为形成于正立方体一个表面的正四棱锥，也可以是分别形成于卫星正立方体多个表面的多个正四棱锥，所述一级正四棱锥的数量最多为6个，最少为一个。
继续参考图2，二级分形结构包括，对至少一个其他二级正方形进行二级分级，其他二级正方形指的是表面没有凸起正四棱锥的二级正方形，形成至少9个面积相等的三级正方形，以中间的三级正方形为底面，凸起至少一个二级正四棱锥结构，所述二级正四棱锥与一级正四棱锥在正方体同一个表面或者不在同一个表面。所述二级正四棱锥的数量可以根据需要选择，数量越多热控性越好，但是结构越复杂。
所述二级分形结构还包括对一级正四棱锥侧面进行九等分，形成九个面积相等的一级三角形，以中间的一级三角形为底面建立的三棱锥。
相应地，本发明还可以包括三级及更多及分形结构，所需要满足的是，各级分形结构所包含的正四棱锥的底面为sierpinski(谢尔宾斯基)地毯图案所去除的位于中间的正方形，对应于图1的空白区域。这样的设计是为了满足分形结构的自相似性，各级分形结构互不遮挡。
在一个实例中，所述星体的表面为边长为18cm的正方形，一级分形结构包括：对表面进行一级分级，以中间的6×6cm二级正方形为底面，高度为4.24cm的四棱锥；二级分形结构包括：对其他二级正方形进行九等分，以中间的2×2cm三级正方形为底面，高度为1.41cm的四棱锥；三级分形结构包括：对其他三级正方形进行九等分，以中间的6.67×6.67mm四级正方形为底面，高度为4.71mm的四棱锥；四级分形结构包括：对其他四级正方形进行九等分，以中间的2.22×2.22mm五级正方形为底面，高度为1.571mm的四棱锥。
本发明实施例的有益效果包括：星体表面对宇宙空间辐射面积增加，增加了辐射能力。同时应用了分形结构大大减小了相邻以及相近的凸起结构间的遮挡，减小了辐射传热增加的阻力。另一方面在卫星内部由于金字塔结构的存在容易形成电磁波或微波的谐振体，增加内部电子元件与星体表面间的传热效果。从材料特征上，材料表面的黑度对辐射传热的影响是很大的。利用sierpinski地毯图案，当分形级数足够大的时候，每一个突起的末端结构已经变得很微小，按照一定的规律进行凸起和凹陷就可以实现对星体表面粗糙度进行设计，从而定量的设计出可控的黑度和星体辐射能力。
为验证本发明的有益效果，在所述星体外部设计了一个体积为1m3模拟无穷大空间，将所述星体设计切分成八块，取其中之一置于这个空腔内，进行CFD数值模拟辐射传热过程。所选模型为fluent自带模型，模拟结果如下：无分形结构情况下，热辐射率为6.935％，包含一级分形结构后，热辐射率为7.231％，包含二级分形结构后，热辐射率为7.425％，包含三级分形结构后，热辐射率为7.554％，包含四级分形结构后，热辐射率为7.587％，包含五级分形结构后，热辐射率为7.592％，模拟过程中，各级分形结构包括在所有满足条件的正方形上形成的四棱锥，以及对应的三棱锥。从模拟结果看出，经过了五级分形分割后，形体的辐射能力增加了9.48％。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.依据权利要求1所述的卫星表面分形结构，其特征在于，卫星星体为正方体结构，在卫星星体任意表面建立sierpinski地毯图案，所述分形结构包括以所述地毯图案中间的正方形为底面建立的正四棱锥凸起。
2.依据权利要求1所述的卫星表面分形结构，其特征在于，包括一级分形结构；卫星星体为正方体结构，将所述正方体结构至少一个表面进行一级分级，形成至少9个面积相等的二级正方形，以中间的二级正方形为底面，凸起至少一个一级正四棱锥结构，一级分形结构包括所述一级正四棱锥结构。
3.依据权利要求2所述的卫星表面分形结构，其特征在于，对至少一个其他二级正方形进行二级分级，形成至少9个面积相等的三级正方形，以中间的三级正方形为底面，凸起至少一个二级正四棱锥结构，二级分形结构包括所述二级正四棱锥结构。
4.依据权利要求2所述的卫星表面分形结构，其特征在于，所述二级分形结构还包括对一级正四棱锥侧面进行九等分，形成九个面积相等的一级三角形，以中间的一级三角形为底面建立的三棱锥。
5.依据权利要求2所述的卫星表面分形结构，其特征在于，所述星体的表面为边长为18cm的正方形，一级分形结构包括：对表面进行一级分级，以中间的6×6cm二级正方形为底面，高度为4.24cm的四棱锥；二级分形结构包括：对其他二级正方形进行九等分，以中间的2×2cm三级正方形为底面，高度为1.41cm的四棱锥；三级分形结构包括：对其他三级正方形进行九等分，以中间的6.67×6.67mm四级正方形为底面，高度为4.71mm的四棱锥；四级分形结构包括：对其他四级正方形进行九等分，以中间的2.22×2.22mm五级正方形为底面，高度为1.571mm的四棱锥。
6.依据权利要求5所述的卫星表面分形结构，其特征在于，第N级分形结构还包括对第N-1级正四棱锥的侧面进行九等分，以中间的三角形为底面所建立的三棱锥。
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| CN107310756A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-11-03 | 航天东方红卫星有限公司 | 一种皮纳卫星热流红外笼 |
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