使用太陽光模擬器進行衛星熱平衡測試

Mondo 遊戲 更新 2024-02-20

衛星熱模型是用於研究衛星熱特性的模型。 衛星在太空中接收到的太陽輻射會引起其表面溫度的變化,而表面溫度的變化會影響衛星的熱傳導和輻射,進而影響衛星的冷卻和熱平衡。

衛星熱模型一般包括以下幾個方面:

1.熱輻射模型:熱輻射是衛星散熱的主要方式之一,該模型考慮了衛星表面的輻射特性,如表面的發射率和吸收率,以及與外界環境的熱交換。

2.熱傳導模型:衛星表面的溫度分布和變化受熱傳導的影響,模型考慮了衛星內部材料的導熱係數和熱容等引數,以及衛星的結構和幾何形狀等因素。

3.熱平衡模型:衛星需要保持熱平衡才能保持穩定的執行狀態,模型考慮了太陽輻射的變化、衛星姿態控制的影響、熱控系統等因素,以確定衛星能否保持在設計的溫度範圍內。

通過建立衛星熱模型,利用衛星在不同條件下的熱特性來指導熱控制策略的設計和制定,保證衛星的正常執行和長期穩定性。

衛星熱設計是乙個具有挑戰性的問題。 衛星由許多對溫度敏感的元件組成。 感測器、相機、無線電、電子裝置、電池、姿態控制系統、太陽能電池板都需要保持在一定的溫度範圍內,甚至衛星結構本身也必須保持在一定的溫度範圍內,以防止過度的熱變形。 許多元件會散發熱量,衛星會受到來自環境的許多不同紅外 (IR) 熱負荷的影響。

設計衛星需要知道如何正確地輻射所有這些熱量並使衛星保持在理想的執行條件下。 各種電子元件產生的熱量通常很容易定義,但環境熱負荷可能非常複雜。 首先,在任何面向太陽的表面上,都有準直太陽光通量的直接入射。

其次,對於低地球軌道上的衛星,入射到地球太陽一側的太陽光通量漫反射到衛星表面,朝向地球一側。 這些反射的大小取決於地球的區域性表面特性以及不斷變化的大氣條件。 總體而言,漫射太陽光通量約為陽光直射通量的三分之一,稱為反照率通量。 當衛星進入日食時,這些直接的太陽通量和反照率載荷下降到零,但始終存在第三個環境熱源。 地球是溫暖的,相當於乙個擴散器,其紅外輻射的大小是緯度和經度的函式。 了解這些隨時間推移的環境通量及其在衛星表面的分布,是計算衛星溫度所需的輸入,這涉及求解固體部分的熱傳導和所有暴露表面上的輻射。 這些環境通量通常分為兩個波段:太陽波段和環境波段。

原因是太陽的溫度在5780k左右,主要發射短波長輻射,而衛星和地球都在300k左右,主要發射長波長紅外輻射。 這種劃分很重要,因為衛星外牆塗層的表面吸收效能通常根據熱管理的波長函式進行定製。 例如,為了使衛星的工作溫度盡可能低,一種方法是使用在太陽波段具有低吸收率(發射率)但在環境波段具有高發射率的表面塗層。

荷蘭歐空局技術中心大型空間模擬器內的JUICE熱開發模型檢視。 強大的太陽模擬器照明和加熱,以驗證它是否能夠承受太空飛行器在飛越金星期間接近太陽時遇到的太陽加熱的影響。

JUICE木星冰月探測器是歐空局未來的任務,旨在探索太陽系的大型行星及其海洋衛星。 它將進行為期七年的巡航,利用地球、金星、地球、火星和地球的幾次飛越,然後離開內太陽系前往木星。

為了確保太空飛行器能夠在旅途中經歷的溫度變化中倖存下來,正在進行熱驗證測試。

在前景中可以看到包裹在多層絕緣層中的太空飛行器模型,而在框架的上部,您可以看到太陽模擬器的高能燈和鏡子。 太陽模擬器用於將太空飛行器模型的面向太陽的一面加熱到約200°C。 同時,通過充滿液氮的隔熱罩將真空室的內部溫度降低到-180°C,以再現太陽遠離一側的寒冷條件。

太陽模擬器通常使用氙弧燈作為光源,並使用反射鏡、濾光片等光學器件使產生的光束在照度匹配、輻照不均勻性和輻照不穩定性這三個主要特性上符合規定的國際標準(通常有ASTM、IEC和JIS三種不同的標準)。 根據太陽光模擬器在這三個特性上的不同效能,可分為A級、B級、C級。

照射強度:700 1000W m(在此範圍內可調)。

波長:250-2500nm am15 標準頻譜。

光譜匹配:A類。

輻照度不均勻性:2%; A級。

不穩定性:LTI 2%; A級。

太陽光模擬器在目標區域產生高強度、均勻的照明。 通常,高功率太陽模擬器使用橢圓鏡來捕獲來自鏡子內部弧光源的光,這種布置會產生具有明亮外部區域和黑暗中心的光模式。 在許多太陽光模擬器應用中,這種不均勻性是不可接受的,因此,我們的許多太陽光模擬器競爭對手被迫使用涉及擴散器的設計來減少不均勻性。 這導致目標區域的強度降低和光譜失真。

這個熱階段之後是冷階段,它通過在室內保持寒冷條件並關閉太陽模擬燈來模擬木星的低溫環境。

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