中高轨道卫星热控涂层太阳吸收比退化快速估算方法

刘宇明 刘宠 于强 李宇 王晶虎 刘业楠 丁义刚

(北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术全国重点实验室,北京 100094)

热控系统是航天器重要的保障系统之一,它控制空间飞行器及外部环境热交换过,使航天器各个部件的热平衡温度处于要求的范围内的。在航天器热控设计中,热控涂层因其可靠性高、应用方便等优点,得到了广泛的应用。热控涂层是专门用于调整固体表面热辐射性能从而达到热控制目的的表面材料,是空间飞行器热控系统的重要组成部分,其原理是调节物体表面的太阳吸收率αs和热发射率ε来控制物体的热量平衡。热控涂层在空间飞行过程中,由于受到紫外辐照、带电粒子辐照、原子氧腐蚀等空间环境的作用,其太阳吸收比等热控性能会发生变化[1-5],造成热控设计偏离原来设定的指标。因此,需要研究航天器常用热控涂层在空间环境作用下,性能变化情况,并在航天器热控设计中考虑性能变化因素的影响。目前针对热控涂层性能退化的研究主要是在地面模拟空间环境下进行原位测试,但是由于空间环境的复杂性和综合性,目前采用的地面模拟试验存在一定的不确定因素,需要获取热控涂层在轨实际性能退化情况,以验证热控涂层的环境适应性以及地面试验方法的准确性。

20世纪80年代以来,以美国、俄罗斯、欧洲航天局为首的一些组织和研究机构先后利用航天飞机、空间站、卫星等在低地球轨道环境中进行了多次空间飞行试验,用来研究热控涂层在严酷空间环境下的长期暴露效应,并对低地球轨道、地球同步轨道和行星际空问航天器上使用的热控涂层性能进行研究[6-9]。由于我国目前还不具备在轨直接测量热控涂层性能的能力,只能通过测量热控涂层温度来反演热控涂层性能的方法,获取热控涂层性能在轨退化数据[10-13]。然而,利用温度反演热控涂层性能,需要光照角等多个参数。本文研究一种仅利用卫星在轨温度数据,估算热控涂层性能退化的方法,可以用于中高轨道卫星热控涂层在轨性能退化的快速高效估算。

1 分析方法

热控涂层的性能主要指太阳吸收比(αs)和热发射率(ε)。测量在轨飞行期间热控涂层的αs和ε,可以通过测量热控涂层的温度,利用温度与热控涂层性能的关系推算出αs和ε。

利用温度推算热控涂层的αs和ε主要是通过热平衡方程计算出来的。假设热控材料是平面的,即没有其它表面向该表面辐射能量,并忽略背景辐照,热平衡方程可以写为[14]

(1)

式中:左式第1项为吸收太阳辐射能量,第2项为吸收地球反射的太阳光辐射能量,第3项为吸收地球红外辐射的能量;右式为红外辐射出的能量。

如果将试验器放在顶部与太阳定向,则αs可写为

(2)

当卫星进入地球阴影区时,则ε可写为

(3)

(4)

根据式(1)、(4)可知,利用温度推算热控涂层的αs和ε,必须同时测得μ1、μ2、μ3、Tb,并且已知漏热系数H和热控涂层的质量和比热容。漏热系数和热控涂层的质量、比热容可以在卫星发射前通过地面试验测量。如果能选择一段时间是恒温的情况下,并且H足够小,则可以只利用μ1、μ2、μ3和温度T推算出αs和ε。但是如果这些参数未知,则无法获得热控涂层的αs和ε。对比式(1)和(4)可知,对于中高轨道卫星,反演热控涂层太阳吸收比所需要的参数较少,计算所需要的参数相对较少,但是仍有未知参量。为进一步进行简化,首先对热控涂层的温度信息进行进一步分析。

2 卫星OSR在轨温度分析

文献[1]进行的卫星OSR太阳吸收比退化的在轨数据分析研究结果和地面OSR太阳吸收比试验研究结果,同时为忽略初期污染的影响和计算数据的稳定性,图1和图2分别给出了某地球同步轨道卫星入轨580天之后通讯舱南北板OSR的温度变化图(图1和图2中飞行时间0天代表卫星入轨的第580天),可以看出OSR片的温度以年为周期呈现周期性变化,且缓慢升高,没有突变等现象。

这种温度缓变情况,符合热控涂层性能缓慢退化的情况,应是由于热控涂层的性能变化引起的,故可以将式(4)写成温度的函数

(5)

a·(1+n·sinx)+f

(6)

式中:Ssolar.max是太阳辐照强度最大值,取1353W/m2。μ1.max是辐照角度,取其最大值为1,发射率ε取OSR的地面测量值0.8。斯蒂芬玻尔兹曼常数σ=5.56×10-8W/m2K4;m,a,n,f为待定常数。利用式(6)就可以分析计算热控涂层的在轨性能变化情况。

图1 某卫星通信舱北板OSR片温度变化曲线Fig.1 Temperature variation curve of north panel OSR film in a certain satellite communication module

图2 某卫星通信舱南板OSR片温度变化曲线Fig.2 Temperature variation curve of south panel OSR film in a certain satellite communication module

3 分析结果

根据地面试验数据,OSR热控涂层太阳吸收比的退化公式一般可以写为[15]

Δαs=0.1×[1-exp (-b·xd)]

(7)

将式(7)和已有的参数数值代入式(6),可得

T4=a·sin (π·x/183)+3·[1-m·sin (π·x/183)]·[1-exp (-b·(x+580)d)]+f

(8)

式中:a,b,d,f,m是待定系数;T4单位为109K4。三角函数以365天为周期,x以天为单位,x+580是因为本文所用温度数据时间零点是卫星已经在轨飞行的第580天。

图3 某卫星通讯舱北板OSR片与基板热管末端温度四次方差Fig.3 Fourth-order variance of temperature of north panel OSR film and substrate heat pipe end in a certain satellite communication module

图4 某卫星通讯舱北板OSR片与基板热管末端温度差Fig.4 Temperature difference between north panel OSR film and substrate heat pipe end in a certain satellite communication module

利用式(8)对OSR温度四次方随时间变化的曲线进行拟合,得到参数b,d,再代入式(7)中,就得到了OSR太阳吸收比的退化曲线。

图5和图6是利用式(8)对OSR温度四次方随时间变化的曲线拟合后的结果(图5和图6中飞行时间0天代表卫星入轨的第580天,图中红色曲线为拟合结果)。

图5 通信舱北板OSR片温度四次方变化曲线Fig.5 Communication module north panel OSR film temperature fourth-order variation curve

图6 通信舱南板OSR片温度四次方变化曲线,红色曲线为拟合结果Fig.6 Communication module south panel OSR film temperature fourth-order variation curve

从图5和图6看出,通讯舱北板、通讯舱南板OSR热控涂层温度拟合数据与测量数据符合性非常好。图5拟合得到参数b、d的数值分别为0.153和0.222;图6拟合得到参数b、d的数值分别为0.125和0.175,将b和d的数值代入式(7)得到通讯舱北板和南板OSR太阳吸收比变化,由于温度测量数据是入轨580天后的数据,以580天处的太阳吸收比为基础,计算OSR太阳吸收比的变化曲线,如图7所示。通讯舱北板、通讯舱南板OSR退化趋势基本一致,在3年的时间内,OSR的退化量不足0.01,说明OSR具有较好的稳定性。有必要指出本文中忽略了控温加热补偿功率的变化,参考文献[1]进行的地面OSR太阳吸收比退化研究和OSR空间飞行试验研究数据,本文得出的退化量在0.01左右的结果接近文献[1]的研究结果,说明估算方法是有效的。

图7 OSR太阳吸收比退化预示曲线Fig.7 OSR solar absorption ration degradation prediction curve

通过以上分析可以知道,利用遥测热控涂层温度数据可以通过简单估算来预示热控涂层的太阳吸收比退化,但是需要一些前提条件:①中高轨道卫星运行状态平稳,轨道运行周期重复性好,仪器散热周期重复性好;②热控涂层的发射率基本不变;③需要地面试验数据判断热控涂层太阳吸收比的最大退化量。在满足这些条件时,可以降低对式(1)中的参数数据要求,通过简单的计算,获取热控涂层性能退化情况。

4 结束语

本文介绍利用待定系数法估算中高轨道卫星热控涂层性能变化的方法。通过将地球围绕太阳轨道、光照角、热流量等周期性信息的三角函数处理,极大降低了对遥测参数数量的要求,从而可以将热控涂层热流平衡公式大幅简化,仅利用热控涂层温度数据,结合待定系数方法计算出热控涂层在轨性能退化情况。利用估算方法,计算了某卫星OSR太阳吸收比在轨退化情况。结果显示,该卫星OSR片的太阳吸收比在卫星入轨后的第580天至1670天约3年的时间内,仅退化了不到0.01,说明OSR片在刚入轨时,其太阳吸收比可能会有变化,但是入轨一段时间后,其性能会比较稳定,不再发生比较大的变化,这与地面试验获得的结论相同[1]。同时,卫星南北板的OSR片太阳吸收比性能退化有所不同,这可能与南北板紫外辐照量不同相关,在地面模拟试验中,应加强紫外-质子-电子综合辐照效应研究工作。