变工况航天器太阳电池翼在轨热—结构分析

论文摘要

航天器在轨运行期间所需电能主要由展开在外的太阳电池翼提供,太阳电池翼安全可靠、高效稳定的工作是航天器顺利完成任务的关键。人们早已关注电池翼在轨热-结构分析研究,但目前研究工作主要集中在电池翼满负荷发电工况,对于实际运行中存在的半负荷发电工况的研究尚未开展。本文以某航天器刚性基板太阳电池翼在轨热状态（包括温度场、热应力和热变形）为研究对象,分别考虑满负荷发电和半负荷发电两种工况,深入开展电池翼在轨热-结构分析研究。本文主要工作如下:首先,根据蜂窝夹芯板结构特征将电池翼基板处理为正交各向异性板,依据等效热阻法,考虑胶层和网格面板的热阻,针对基板导热系数各向异性提出新方法,并给出电池翼基板各向导热系数的详细推导过程。该工作为进一步热分析工作提供了必要的输入条件,本文提出的新型等效热阻简化方法有较高的工程应用有价值。之后,建立太阳电池翼三维热分析模型,以控制容积法为原理离散电池翼三维瞬态热控制方程,采用单元重心法（Element CG）处理节点间热交换系数,基于热辐射网格法（Oppenheim方法）构建辐射交换矩阵来计算电池翼表面单元的辐射换热和吸收外热流,使用Newton-Raphson方法处理辐射换热计算中的非线性项,最后借助高精度双共轭梯度法求解瞬态热控制方程离散后的线性方程组,得到电池翼满负荷发电条件下温度场。在太阳电池翼满负荷发电热分析研究的基础上,提出通过改变太阳有效吸收率的方式实现了电池翼半负荷发电工况的热分析计算。该方法可将定工况热分析模型改进为可用于变工况的太阳电池翼热分析模型。根据热分析温度场计算结果,考虑满负荷发电和半负荷发电两种工况,研究电池翼进入准稳定状态后各部件（电池片、基板正面和背面）温度的变化规律。分析了电池翼厚度方向瞬态温差及其随时间的变化率,详细描述了电池翼在三个典型时刻（阴影区转入阳光区时刻、电池翼最高温度时刻以及阳光区转入阴影区时刻）表面温度场的分布规律,分析了初始温度场对数值模型计算结果的影响。基于本文所采用的研究方法,以前人研究工作中的KOMPSAT太阳电池翼为例,进行了热分析数值模型的验证工作,采用本文数值模型所得结果与文献结果相符,证明了本文中所采用数值研究方法的正确性。最后,建立太阳电池翼三维有限元结构分析模型,以热分析中温度场计算结果作为边界条件,采用热-结构间接耦合的方式将温度场加载于结构模型中,研究电池翼热应力和热变形。根据结构分析结果,详细分析了电池翼在三个典型时刻（阴影区转入阳光区时刻、电池翼最高温度时刻以及阳光区转入阴影区时刻）热应力和热变形。研究了两种工况下电池翼周期内热变形,对比分析电池翼厚度方向瞬态温差可以发现,电池翼厚度方向瞬态温差是导致电池翼发生热变形的主要原因,本文结论和前人研究结果相符。根据结构分析结果研究电池翼应力集中区域分布,提出了减小热应力控制热变形的有效热控措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 在轨热流分析
• 1.2.2 蜂窝夹芯板热学和力学特性
• 1.2.3 电池翼在轨热分析
• 1.2.4 电池翼在轨结构分析
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 电池翼在轨热流计算
• 2.1 角系数的计算
• 2.1.1 遮挡判断
• 2.1.2 角系数积分方法
• 2.1.3 Nusselt 球方法
• 2.1.4 地球红外辐射角系数
• 2.1.5 地球反照角系数
• 2.1.6 太阳辐射角系数
• 2.2 辐射交换系数
• 2.3 轨道外热流的计算
• 2.3.1 太阳辐射外热流
• 2.3.2 地球红外外热流
• 2.3.3 地球红外反照热流
• 2.4 本章小结
• 第三章 电池翼在轨热分析
• 3.1 引言
• 3.2 电池翼概况
• 3.2.1 电池翼结构
• 3.2.2 电池翼姿态和工作状态
• 3.2.3 电池翼计算工况
• 3.2.4 电池翼组成和物性参数
• 3.3 在轨期间热平衡分析
• 3.4 温度场数值解法
• 3.4.1 有限差分法
• 3.4.2 有限元法
• 3.4.3 热网络分析法
• 3.4.4 控制容积法
• 3.5 电池翼热分析数学模型
• 3.5.1 温度场求解方法
• 3.5.2 电池翼热分析模型
• 3.5.3 太阳有效吸收率
• 3.5.4 算例结果验证
• 3.6 热分析结果与讨论
• 3.6.1 电池翼吸收外热流
• 3.6.2 电池翼表面温度周期变化规律
• 3.6.3 电池翼表面典型时刻温度分析
• 3.6.4 电池翼厚度方向瞬态温差分析
• 3.6.5 电池翼厚度方向瞬态温差随时间变化率分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 电池翼在轨结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 热弹性控制方程
• 4.3 电池翼基板弹性模量等效方法
• 4.3.1 等效板理论
• 4.3.2 蜂窝板理论
• 4.3.3 三明治夹心理论
• 4.3.4 基板等效力学参数
• 4.4 电池翼结构分析模型
• 4.5 热应力和热变形结果分析与讨论
• 4.5.1 阴影区转入阳光区时刻
• 4.5.2 电池翼最高温度时刻
• 4.5.3 阳光区转入阴影区时刻
• 4.5.4 基板整个周期内热变形分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 符号与标记
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文