CN111661369B

CN111661369B - 一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法

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Publication number: CN111661369B
Application number: CN202010547824.6A
Authority: CN
Inventors: 王冬梅; 唐赖颖; 郭涛; 樊友高; 张洁; 李新宇; 刘孟周; 张�诚; 张爽; 薛峰; 樊星
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2040-06-16
Also published as: CN111661369A

Abstract

本发明提供一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法，所述方法包括：在布局面上划分若干个外热流区域；获取各所述外热流区域的布局区域，所述布局区域用于设置所述薄膜型加热器；根据所述薄膜型加热器的电阻值，从大到小依次选择所述薄膜型加热器；从所述布局区域的边缘向所述布局区域的中心位置依次设置所述薄膜型加热器。该方法通过三维软件实现加热片在外热流区域的布局，快速、方便，且在后期的调整时，操作方便，大大降低了人工调整加热片的工作量；在回路设计、支路分配中计算回路及支路阻值、加热片类型和每类加热片的数量，避免了人工统计中极易出现的错检、漏检的情况发生，提高了设计质量。

Description

一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法

技术领域

本发明涉及航天器外热流设计领域，具体涉及一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法。

背景技术

外热流模拟是卫星热平衡试验中必须解决的核心问题之一。外热流的准确度将直接影响卫星热平衡试验的温度水平和试验误差，从而影响试验结果的分析以及在修改卫星热控设计和热数学模型中的应用。传统的卫星外热流模拟主要有太阳模拟器、红外加热器、接触式电加热器，在我国应用较多的是红外加热器和接触式电加热器。

根据整星热平衡试验需求，卫星的部分外表面需要安装外热流加热器，通过提供一定的功率，从而实现在轨热环境的地面模拟。传统的航天器外热流设计：根据卫星对该区域的功率要求，将CAD图纸轮廓取样区域内布置的不同类型的加热片分配成为一个或多个回路，完成外热流设计；此过程中依据设计原则，增减加热片种类及数量或局部调整加热片位置、方向等，确保所有回路实施后满足功率要求、且保证片间连线最短。完成上述的每个阶段完全依靠人工完成，第一次布片完成后，如加热片数量有剩余或阻值差异大于20％，还需要通过局部调整取样边界、加热片位置、更换加热片种类等重新完成设计，整个过程需多次修改、统计，很容易出现回路加热片数量、阻值统计和计算错误等问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法，以解决上述背景技术中提出的至少一个技术问题。

一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法包括：

在布局面上划分若干个外热流区域；

获取各所述外热流区域的布局区域，所述布局区域用于设置所述薄膜型加热器；

根据所述薄膜型加热器的电阻值，从大到小依次选择所述薄膜型加热器；

从所述布局区域的边缘向所述布局区域的中心位置依次设置所述薄膜型加热器。

优选地，在所述在布局面上划分若干个外热流区域之前，所述方法还包括：

创建若干个不同规格的所述薄膜型加热器模型，其中，所述薄膜型加热器模型包括矩形薄膜型加热器模型和扇形薄膜型加热器模型，

Z轴垂直于所述矩形薄膜型加热器模型和所述扇形薄膜型加热器模型的表面。

优选地，对所述薄膜型加热器模型赋予电阻，其中，所述电阻的大小与所述薄膜型加热器的截面面积对应，

大电阻赋予所述截面面积大的所述薄膜型加热器，小电阻赋予所述截面面积小的所述薄膜型加热器。

优选地，对所述薄膜型加热器模型设置参数，所述参数包括所述薄膜型加热器类型、电阻值及编号。

优选地，定义矩形加热器族表，所述矩形加热器族表包括各种所述矩形薄膜型加热器；

定义扇形加热器族表，所述扇形加热器族表包括各种所述扇形薄膜型加热器。

优选地，在所述布局面上划分若干个外热流区域之前，所述方法还包括：

创建航天器模型，在所述航天模型上确定布局面，其中，Z轴法向垂直于所述布局面。

优选地，所述外热流区域具有一个封闭的第一外轮廓线和若干个封闭的第一内轮廓线，

所述第一外轮廓线向所述第一内轮廓线方向偏移距离d，形成第二外轮廓线；所述第一内轮廓线向所述第一外轮廓线方向偏移距离d，形成第二内轮廓线，所述第二外轮廓线与若干个所述第二内轮廓线之间的区域为所述布局区域，

或者所述外热流区域具有一个封闭的第一外轮廓线，所述第一外轮廓线向所述第一外轮廓线内部位置偏移距离d，形成第二外轮廓线，所述第二外轮廓线内的区域为所述布局区域。

优选地，在所述从所述布局区域的边缘向所述布局区域的中心位置依次设置所述薄膜型加热器之后，所述方法还包括：

设计所述外热流区域的加热回路。

优选地，所述方法还包括：创建所述外热流区域的所述加热回路模型。

本发明提供的一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法，通过三维软件实现加热片在外热流区域的布局，快速、方便，且在后期的调整时，操作方便，大大降低了人工调整加热片的工作量；在回路设计、支路分配中计算回路及支路阻值、加热片类型和每类加热片的数量，避免了人工统计中极易出现的错检、漏检的情况发生，提高了设计质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的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是根据本发明的一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法的流程图；

图2是根据本发明的另一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法的流程图；

图3是根据本发明的在舱板上划分热流区域的示意图；

图4是根据本发明的一种在热流区域上布局加热片的示意图；

图5是根据本发明的另一种在热流区域上布局加热片的示意图。

具体实施方式

薄膜型加热器是由蚀刻金属箔片产生的电阻元件与聚酰亚胺绝缘层组成的有一定厚度的薄膜，具有良好的柔性。将薄膜型加热器粘贴于待加热件的表面，进行加热。薄膜型加热器也可以称为加热片。

加热片模拟外热流技术是用直接粘贴在卫星表面的加热片来模拟外热流的一种技术。它是预先将加热片粘贴在卫星的表面上,热真空试验时，在加热片上通以电流，用它发出的电热来模拟卫星接收的空间外热流。模拟方式可是热流模拟或壳温模拟。通常，我们采用热流模拟，即根据卫星表面的外热流分布，将卫星表面分成若干个加热区域，热真空试验时，按照星体各面的热流分布和热流的变化，在不同时刻给各加热区(各面)加以不同的热流。由于加热片直接粘贴在卫星的表面上，成为卫星表面的一部分，它不会对卫星产生热屏蔽，也不会影响邻近面的热模拟，可以准确地模拟卫星的热流分布和进行地球阴影轨道的模拟。

如图1和图2所示，本申请提供的一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法，该方法基于三维设计软件实现，三维软件可以是ProE或者Solid等。

用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法包括：

步骤S10，创建若干个不同规格的加热片模型，其中，加热片模型包括矩形加热片和扇形加热片，Z轴垂直于加热片的表面。

矩形加热片具有长边L1、短边L2及厚度t，L1＞L2，每一个矩形加热片具有不同的L1和L2，每一个矩形加热片具有相同的t。在ProE中，可以利用族表命令创建多种矩形加热片。族表是很多相似零件的集合，这些零件从结构上看似相似，但在一些细节部分不同，比如尺寸大小。在创建矩形加热片时候，根据加热片都具有L1、L2及t，只需赋予L1和L2不同的数值，且L1＞L2，即可创建各种规格的矩形加热片。多种相似的矩形加热片存储于矩形加热片族表，在后续装配加热片的时候，根据需要选择相应的矩形加热片。

扇形加热片模型具有扇形弧长L3、半径r及弧度制下的扇形圆形角α及厚度t，每一个扇形加热片具有不同的L3、r及α，每一个扇形加热片具有相同的t。创建扇形加热片族表，扇形加热片族表存储多种类似的扇形加热片，扇形加热片族表与矩形加热片族表创建方法相同。

需要说明的是，在创建矩形加热片和扇形加热片时，厚度t方向沿Z轴方向，即Z轴垂直于矩形加热片和扇形加热片的表面，在XY平面内草绘矩形(扇形)，沿Z轴方向拉伸矩形(扇形)形成矩形加热片(扇形加热片)。

对矩形加热片和扇形加热片赋予电阻，电阻的大小与加热片的截面面积对应，大电阻赋予截面面积大的加热片，小电阻赋予截面面积小的加热片。例如，如图4所示，电阻包括20Ω、10Ω、5Ω，矩形加热片200包括：矩形加热片21、矩形加热片22及矩形加热片23，矩形加热片21的截面面积＞矩形加热片22的截面面积＞矩形加热片23的截面面积，矩形加热片21赋予电阻20Ω，矩形加热片22赋予电阻10Ω，矩形加热片23赋予电阻5Ω。需要说明的是此处的“截面”是指平行于XY平面的横截面；电阻精度根据设计需要，自行选取。

对矩形加热片和扇形加热片设置参数，该参数包括加热片类型和编号。例如，用E代表矩形加热片，用F代表扇形加热片；矩形加热片的编号为：L1×L2-E；扇形加热片的编号为：L3×r×α-F。

需要说明的是，在ProE中通过属性命令，添加电阻、类型及编号。PROE中属性是图形的各种参数，比如、精度、材质、单位等等。

步骤S20，创建航天器模型，在航天模型上确定布局面，其中，布局面为平面，Z轴垂直于该布局面；

在航天器进行热真空试验时，航天器各个部分及零部件的试验温度均不一样。根据热真空试验的试验件确定布局面，例如，需要对航天器的舱板进行热真空试验，故确定舱板为布局面。Z轴垂直于舱板的表面。

步骤S30，在布局面上划分若干个外热流区域；

在ProE中，通过草绘命令，在舱板上用直线段划分外热流区域。划分时，外热流区域的边长不大于1000mm。如图3所示，舱板100为平面，舱板100具有若干个豁口12，该豁口12可以是圆形孔、腰型孔或者矩形孔。将舱板上划分成四个外热流区域11：A、B、C及D，其中，A、B及C内部具有一个或两个豁口12。

步骤S40，获取外热流区域的布局区域，该布局区域用于装配矩形加热片或扇形加热片；

如图4所示，外热流区域A具有一个腰型孔，外热流区域A具有一个封闭的第一外轮廓线111和一个封闭的第一内轮廓线121。第一外轮廓线111向第一内轮廓线121方向偏移距离d，形成第二外轮廓线112；第一内轮廓线121向第一外轮廓线111方向偏移距离d，形成封闭的第二内轮廓线122。第二外轮廓线112与第二内轮廓线122之间的区域为布局区域A′。如图3所示，外热流区域D没有豁口12，则外热流区域具有封闭的第一外轮廓线，该第一外轮廓线向第一外轮廓线内部位置偏移距离d，形成封闭的第二外轮廓线。第二外轮廓内部的区域为布局区域D′。需要说明的是，d为10mm；此处的“偏移”是指沿X方向或Y方向的偏移。

步骤S50，根据矩形加热片和扇形加热片的电阻值，从大到小依次选择矩形加热片和扇形加热片；

步骤S60，从布局区域的边缘向布局区域的中心位置依次设置矩形加热片和扇形加热片，相邻两个加热片间距至少10mm；

如图4所示，在布局区域A′装配矩形加热片21、矩形加热片22及矩形加热片23。先装配矩形加热片21，矩形加热片21位于布局区域A′的边缘位置；再装配矩形加热片22，矩形加热片22位于布局区域A′的边缘位置；最后装配矩形加热片23，矩形加热片23位于布局区域A′的边缘位置。矩形加热片21、矩形加热片22及矩形加热片23之间至少存在10mm的间隙。需要说明的是，布局区域A′装配矩形加热片的方式也可以如图5所示，旋转加热片使得加热片能够装配于布局区域A′。

在ProE中，将加热片装配于加热片的布局区域时，通过距离、角度偏移、重合等命令实现，其中，舱板的Z轴与加热片的Z轴重合。

步骤S70，设计外热流区域的加热回路；

S701，确定回路个数n

n-1≤Qmin·S/W₀≤n+1 (1)

其中：

Qmin为舱板在轨热环境中需要的最小功率密度；

S为外热流区域的面积；

W₀为热试验进行时试验设备允许每个回路的最大功率；

需要说明的是，设计人员根据舱板的热流分布和热流变化，选取合适的Qmin；根据供电设备获取W₀；S可以通过ProE获取。

通过公式(1)，计算外热流区域A、B、C及D的回路个数。

S702，确定支路数i

确定原则：

a、每个支路中加热片之间只允许简单的串联，支路之间只允许简单的并联，每个回路单独供电；

b、回路最大加载电压一般不大于100V，回路电流最先推荐2A；

c、每种类型加热片数量应为回路数n和支路数i的最小公倍数；

d、同一布局面的不同外热流区域的回路之间阻值差不大于20％。

根据计算出的回路个数，暂定单个回路所占的区域面积S₁＝外热流总有效面积S/n，单个回路阻值R₁＝所有加热片总阻值R/n，每个支路电流I支＝I/i，

I_支 ² _*R₁≥S_1*Qmin，I_支*R₁≤Umax (2)

验算i＝1、2、3……时与2A最接近的I_支，从而确定每个回路i的个数，期间不断调整加热片类型、加热片的电阻及数量，直到满足以上设计原则。

步骤S80，创建外热流区域的加热回路模型；

根据步骤S70，获取各个外热流区域的加热回路方案，基于回路设计方案创建加热回路模型，并对加热片之间的进行串并联。

创建外热流区域的加热回路模型：

S801，加热回路创建

根据步骤S70确定的回路个数n，快速创建加热回路。

S802，添加串并联

根据步骤S70确定支路个数i，创建并联分组。

S803，加热片编号

根据“回路号+加热片类型代号”的规则，对回路下的加热片编号。

S804，回路连线

依据加热回路路径中定义的连接关系，按照连线最短原则进行加热回路自动连接。

需要说明的是，S10和S20的先后顺序可以调整。

Claims

1.一种用于航天器热试验的薄膜型加热器的布局方法，其特征在于，包括：

在布局面上划分若干个外热流区域；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述在布局面上划分若干个外热流区域之前，所述方法还包括：

其中，Z轴垂直于所述矩形薄膜型加热器模型和所述扇形薄膜型加热器模型的表面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

对所述薄膜型加热器模型赋予电阻，

其中，所述电阻的大小与所述薄膜型加热器的截面面积对应，大电阻赋予所述截面面积大的所述薄膜型加热器，小电阻赋予所述截面面积小的所述薄膜型加热器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

对所述薄膜型加热器模型设置参数，所述参数包括所述薄膜型加热器类型、电阻值及编号。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

定义矩形加热器族表，所述矩形加热器族表包括各种所述矩形薄膜型加热器；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述布局面上划分若干个外热流区域之前，所述方法还包括：

创建航天器模型，在所述航天器模型上确定布局面，其中，Z轴法向垂直于所述布局面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述外热流区域具有一个封闭的第一外轮廓线和若干个封闭的第一内轮廓线，

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述从所述布局区域的边缘向所述布局区域的中心位置依次设置所述薄膜型加热器之后，所述方法还包括：

设计所述外热流区域的加热回路。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

创建所述外热流区域的所述加热回路模型。