CN108120613A - 一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置及方法，包括红外灯阵、热流计、电加热器、挡板，根据上面级在轨组合飞行状态，与卫星和运载对接面采用电加热器模拟温度边界，包括仪器舱的规则结构区域采用电加热器模拟瞬态外热流，包括动力舱的复杂结构区域采用红外灯阵模拟瞬态外热流，仪器舱电加热器模拟外热流区域沿周向等分为若干个分区，动力舱红外灯阵模拟外热流区域分为周向和底部两个部位，其中周向等分为若干个分区，底部等分为若干个分区，每个分区采用两个热流计获取本区施加热流值，每个红外灯阵分区间采用挡板进行阻隔，防止分区间热流互相影响。本发明解决了运载火箭上面级在轨飞行过程中瞬态外热流难以模拟的难点。

Description

一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种轨道飞行器瞬态热平衡试验，具体地，涉及一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置及方法。
背景技术
与一般卫星长期在轨运行不同，运载火箭上面级任务时间短，在轨道部署任务期间内上面级经历多次变轨，热控系统面临比较复杂的轨道和空间环境。
此外，上面级搭载不同卫星时，其轨道条件和发射窗口会有很大的不同，同时还要经历发射、上升轨道段、过渡轨道段、轨道布星等阶段，热控系统面临比较复杂的轨道和空间环境，并与动力系统存在复杂的热边界，其外热流变化迅速。上面级在进出地影区的瞬间，外热流的波动可达到1000W；外热流随空间指向的变化也非常明显，在同一轨道位置，上面级的向阳面和背阳面外热流相差同样可达到1000W，而常规卫星由于轨道变化和姿态调整引起的外热流变化只有几百瓦甚至几十瓦。可见上面级在轨运行期间经受的外热流要比普通卫星复杂得多。
可见，上面级热控分系统研制的巨大挑战在于任务时间短、轨道环境复杂、自身热环境恶劣等，这与常规卫星的热控有很大的不同。上面级短时多轨道的任务特点与传统卫星热设计存在较大差异，需要进行实时瞬态热平衡试验验证，以获取上面级温度场分布，验证热分析模型，验证热控设计的合理，同时还需要验证各单机在真空热循环环境下的工作性能以及各系统之间的匹配性和协调性，暴露上面级上设备、材料、元器件在工艺、装配、制造等方面的潜在缺陷。
目前卫星试验验证主要是基于热平衡和热真空状态的验证，试验规模庞大，周期长，花费昂贵，试验工况一般是基于稳态工况，尤其对于动力舱外露式结构形式的运载火箭上面级，其大范围瞬态热流变化更加难以模拟，目前的试验手段并不能满足上面级的真实飞行过程验证要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置及方法。通过电加热器与红外灯阵组合，实现了在轨飞行过程中运载火箭上面级复杂结构大范围热平衡试验瞬态外热流模拟，具有设计简单、操作方便等优点，解决了运载火箭上面级在轨飞行过程中瞬态外热流难以模拟的难点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置，包括红外灯阵、热流计、电加热器、挡板，根据上面级在轨组合飞行状态，与卫星和运载对接面采用电加热器模拟温度边界，仪器舱等规则结构区域采用电加热器模拟瞬态外热流，动力舱等复杂结构区域采用红外灯阵模拟瞬态外热流。仪器舱电加热器模拟外热流区域沿周向等分为若干个分区；动力舱红外灯阵模拟外热流区域分为周向和底部两个部位，其中周向等分为若干个分区，底部等分为若干个分区，每个分区采用两个热流计获取本区施加热流值；每个红外灯阵分区间采用挡板进行阻隔，防止分区间热流互相影响。
通过电加热器与红外灯阵组合，实现了运载火箭上面级热平衡试验瞬态外热流模拟，具有设计简单、操作方便等优点，解决了运载火箭上面级在轨飞行过程中瞬态外热流难以模拟的难点。
优选地，所述红外灯阵由红外灯、红外灯架组件、红外灯阵框架组件、红外灯阵支撑组件、红外灯阵电缆、红外灯阵接插件组成。
优选地，所述红外灯采用飞利浦石英红外灯，规格为13169×/98，功率500W，电压120V。
优选地，所述外热流模拟电加热器为聚酰亚胺康铜箔电加热片。
优选地，所述热流计采用F011型绝热型热流计。
优选地，所述挡板由铝合金板和低温多层组成。
一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，电加热器模拟的仪器舱各分区外热流以△t的时间间隔进行变化施加，其△t时间内的外热流值取实际在轨统计的仪器舱表面各分区吸收外热流在△t时间内平均值。
优选地，红外灯阵模拟的动力舱各分区外热流取该区域内的入射外热流，并保证所有周向和底部灯阵区域的灯阵模拟外热流总和与在轨动力舱入射外热流总和对应。
优选地，由于地面试验动力舱多层外表面光学属性为红外属性，因此需要根据在轨光学属性将在轨入射热流换算为地面红外灯阵模拟的入射外热流。
优选地，在试验开始前首先对红外灯阵进行标定，获取每个区域热流计测得的入射外热流与该区域灯阵的电流之间的关系式，从而根据对应施加热流制定以△t时间间隔为变化的灯阵电流施加表。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用电加热器和红外灯阵模拟外热流的手段分别实现仪器舱规则表面和动力舱复杂结构的瞬态外热流模拟，其中电加热器模拟仪器舱表面吸收外热流，红外灯阵实现动力舱区域入射外热流等效模拟，本发明的方法具有设计简单、操作方便等优点，解决了运载火箭上面级在轨飞行过程中瞬态外热流难以模拟的难点，并极大节省了运载火箭上面级热平衡试验的周期和成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明装置动力舱红外灯阵示意图；
图2为本发明装置红外灯阵动力舱周向分区示意图；
图3为图2的红外灯阵面图；
图4为本发明装置红外灯阵动力舱底部分区示意图；
图5为图4的舱底结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1～图5所示，本发明装置包括红外灯阵1、热流计、电加热器、挡板4。根据上面级在轨组合飞行状态，与卫星和运载对接面采用电加热器模拟温度边界，仪器舱等规则结构区域采用电加热器模拟瞬态外热流，动力舱等复杂结构区域采用红外灯阵模拟瞬态外热流。仪器舱电加热器模拟外热流区域沿周向等分为若干个分区；动力舱红外灯阵模拟外热流区域分为周向和底部两个部位，其中周向等分为若干个分区，底部等分为若干个分区，每个分区采用两个热流计获取本区施加热流值；每个红外灯阵分区间采用挡板4进行阻隔，防止分区间热流互相影响。通过电加热器与红外灯阵组合，实现了运载火箭上面级热平衡试验瞬态外热流模拟，具有设计简单、操作方便等优点，解决了运载火箭上面级在轨飞行过程中瞬态外热流难以模拟的难点。
本发明采用电加热器和红外灯阵模拟外热流的手段分别实现仪器舱规则表面和动力舱复杂结构的瞬态外热流模拟，其中电加热器模拟仪器舱表面吸收外热流，红外灯阵实现动力舱区域入射外热流等效模拟。
优选地，红外灯阵1由红外灯、红外灯架组件、红外灯阵框架组件、红外灯阵支撑组件、红外灯阵电缆、红外灯阵接插件组成。优选地，红外灯采用飞利浦石英红外灯，规格为13169×/98，功率500W，电压120V。优选地，外热流模拟电加热器为聚酰亚胺康铜箔电加热片。优选地，热流计采用F011型绝热型热流计。优选地，挡板由铝合金板和低温多层组成。优选地，电加热器模拟的仪器舱各分区外热流以△t的时间间隔进行变化施加，其△t时间内的外热流值取实际在轨统计的仪器舱表面各分区吸收外热流在△t时间内平均值。优选地，红外灯阵模拟的动力舱各分区外热流取该区域内的入射外热流，并保证所有周向和底部灯阵区域的灯阵模拟外热流总和与在轨动力舱入射外热流总和对应。优选地，由于地面试验动力舱多层外表面光学属性为红外属性，因此需要根据在轨光学属性将在轨入射热流换算为地面红外灯阵模拟的入射外热流。优选地，在试验开始前首先对红外灯阵进行标定，获取每个区域热流计测得的入射外热流与该区域灯阵的电流之间的关系式，从而根据对应施加热流制定以△t时间间隔为变化的灯阵电流施加表。
进一步地，地面各区域红外灯阵模拟的入射外热流目标值为其中Q轨为对应区域分析得到的在轨外热流入射值，ε为动力舱多层外表面半球发射率(亦即地面试验时表面红外吸收率)，α为动力舱多层外表面太阳吸收比。
进一步地，各区域红外灯阵对应热流计控制目标温度T由Q灯＝σT4获得，σ为黑体辐射常数5.67×10-8W/(m2·K4)。
进一步地，每个区域内的热流不均匀度应不超过10％，衡量模拟件表面热流分布均匀性指标为热流密度不均匀度，其计算公式为：
式中ε为热流不均匀度；qMAX为辐照面上最大热流密度；qMIN为辐照面上最小热流密度。
进一步地，通过试验前标定，按照一阶线性关系拟合得到各分区灯阵电流I与控温热流计温度T公式I＝AT+B，由此根据在轨入射外热流值得到地面试验时该区域灯阵控制电流值，进而制定对应的以时间△t为间隔变化的灯阵瞬态电流表。
另外，参照图1，底部红外灯阵安装在转接工装3上，上下可调，可在上面级进罐前预先安装固定好，待上面级进罐后，调节灯阵与上面级安装表面的距离。底部红外灯阵各分区之间以及灯阵的外周均采用挡板，并避免与产品干涉。
再参照图1，动力舱周向红外灯阵安装在罐内四根立柱14上，上下可调，在上面级进罐后再进行安装，待上面级进罐后，调节灯阵与产品表面的距离，使之不发生干涉。动力舱周向红外灯阵各分区之间均采用挡板，上下也采用挡板，并避免与产品干涉。
进一步地，灯阵分区间挡板由铝合金板和两侧各10层低温多层组成，优选地，所述低温多层部分的每单元多层由反射屏和间隔层组成，反射屏为双面镀铝聚酯薄膜，间隔层为涤纶网。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置，其特征在于，包括红外灯阵、热流计、电加热器、挡板，根据上面级在轨组合飞行状态，与卫星和运载对接面采用电加热器模拟温度边界，包括仪器舱的规则结构区域采用电加热器模拟瞬态外热流，包括动力舱的复杂结构区域采用红外灯阵模拟瞬态外热流，仪器舱电加热器模拟外热流区域沿周向等分为若干个分区，动力舱红外灯阵模拟外热流区域分为周向和底部两个部位，其中周向等分为若干个分区，底部等分为若干个分区，每个分区采用两个热流计获取本区施加热流值，每个红外灯阵分区间采用挡板进行阻隔，防止分区间热流互相影响。
2.根据权利要求1所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置，其特征在于，底部红外灯阵安装在转接工装上，灯阵与上面级安装表面的距离上下可调，底部红外灯阵各分区之间以及灯阵的外周均采用挡板。
3.根据权利要求1所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置，其特征在于，周向红外灯阵安装在四根立柱上，上下可调，周向红外灯阵各分区之间均采用挡板，上下也采用挡板。
4.根据权利要求1所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验装置，其特征在于，挡板由铝合金板和低温多层组成，低温多层部分的每单元多层由反射屏和间隔层组成，反射屏为双面镀铝聚酯薄膜，间隔层为涤纶网。
5.根据权利要求1所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，采用权利要求1的装置来完成，所述电加热器模拟的仪器舱各分区外热流以△t的时间间隔进行变化施加，其△t时间内的外热流值取实际在轨统计的仪器舱表面各分区吸收外热流在△t时间内平均值。
6.根据权利要求5所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，红外灯阵模拟的动力舱各分区外热流取该区域内的入射外热流，并保证所有周向和底部灯阵区域的灯阵模拟外热流总和与在轨动力舱入射外热流总和对应。
7.根据权利要求6所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，由于地面试验动力舱多层外表面光学属性为红外属性，因此需要根据在轨光学属性将在轨入射热流换算为地面红外灯阵模拟的入射外热流。
8.根据权利要求5所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，在试验开始前首先对红外灯阵进行标定，按照一阶线性关系拟合得到各分区灯阵电流I与控温热流计温度T公式I＝AT+B，由此根据在轨入射外热流值得到地面试验时该区域灯阵控制电流值，从而制定以△t时间间隔为变化的灯阵瞬态电流表。
9.根据权利要求5所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，各区域红外灯阵模拟的入射外热流目标值为其中Q轨为对应区域分析得到的在轨外热流入射值，ε为动力舱多层外表面半球发射率，α为动力舱多层外表面太阳吸收比，各区域红外灯阵对应热流计控制目标温度T由Q灯＝σT4获得，σ为黑体辐射常数5.67×10-8W/(m2·K4)。
10.根据权利要求5所述的运载火箭上面级瞬态热平衡试验方法，其特征在于，每个区域内的热流不均匀度应不超过10％，衡量模拟件表面热流分布均匀性指标为热流密度不均匀度，其计算公式为：
式中ε为热流不均匀度；qMAX为辐照面上最大热流密度；qMIN为辐照面上最小热流密度。
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