太空飛行器熱設計完成太空飛行器熱控系統研製的全部圖樣和技術檔案的過程。根據太空飛行器總體的設計技術要求，編制太空飛行器熱控系統設計方案和研製技術流程，提出對總體和其他系統的接口要求，確定太空飛行器熱控技術狀態，提出試驗驗證項目，編制太空飛行器熱數學模型，進行詳細的熱分析，給出太空飛行器各設備、部件的預計溫度，根據熱中衡試驗的結果檢查設計方案的合理性和熱數學模型的正確性，修改熱數學模型和設計，完成熱控圖樣及總裝技術要求。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器熱設計
- 外文名：thermal design for spacecraft
- 學科：航空工程
- 領域：工程技術
簡介,太空飛行器軌道變化的情況,太空飛行器系統性和魯棒性熱設計方案和流程,空間環境,
簡介
太空飛行器熱設計完成太空飛行器熱控系統研製的全部圖樣和技術檔案的過程。根據太空飛行器總體的設計技術要求，編制太空飛行器熱控系統設計方案和研製技術流程，提出對總體和其他系統的接口要求，確定太空飛行器熱控技術狀態，提出試驗驗證項目，編制太空飛行器熱數學模型，進行詳細的熱分析，給出太空飛行器各設備、部件的預計溫度，根據熱中衡試驗的結果檢查設計方案的合理性和熱數學模型的正確性，修改熱數學模型和設計，完成熱控圖樣及總裝技術要求。太空飛行器熱設計的重要環節是合理選擇熱輻射器的位置和尺寸，合理選用熱控設備和部件。
太空飛行器軌道變化的情況
太空飛行器的軌道變化(如機動變軌)將引起外熱流(主要是太陽光照)的改變。一方面，可以通過調整太空飛行器內熱源的加熱功率來適應外熱流的變化，例如，某些型號的衛星通過星體主動調溫電加熱器等措施保持星體內部環境的等溫化水平；另一方面，可以通過調整表面塗層材料的熱輻射能力或布局來適應外熱流的變化。
太空飛行器系統性和魯棒性熱設計方案和流程
以成熟的散熱十電加熱設計手段為前提，太空飛行器系統性和魯棒性熱設計方案和流程如下:
(1)在太空飛行器設計初期，各分系統功耗不十分準確的前提下，熱設計以簡單、全面為主，在可以噴塗熱控塗層的外壁板上全部設計為散熱面。如果外壁板上沒有安裝儀器設備，從流程最佳化的角度考慮，在太空飛行器熱平衡試驗前再對這些散熱措施予以實施，這時，可根據各設備實測熱耗對散熱面進行修改，減小熱設計的不確定性。
(2)在合適的位置儘量多地布置補償電加熱迴路，包括太空飛行器散熱面上。部分加熱迴路並非熱控正常控制所需，而是為研製過程和在軌運行階段預留調控資源。
(3)使用相對而言路數更多、性價比更高的控溫儀進行電加熱控制。
(4)根據研製過程中太空飛行器的技術狀態變化，為發生變化的設備提供必要的電加熱控制。
(5)在太空飛行器出廠前，確定根據出廠狀態確定的最終加熱迴路路數，並將其他的迴路設定為關閉的狀態，使相應加熱迴路“休眠”。
(6)太空飛行器在軌運行時，如遇到意外故障情況，根據需要喚醒休眠的加熱迴路，為太空飛行器溫度提升及控制提供保障。
空間環境
與太空飛行器熱設計有關的空間環境主要有以下幾個方面。
1.真空環境
隨著離開地球表面高度的增加，大氣壓力降低，逐漸達到極高真空狀態。分析表明，當氣壓降至10¯3Pa以下時，氣體的傳導和對流傳熱便可忽略不計。因此太空飛行器與空間環境熱交換幾乎完全以輻射形式進行。
2.微重力
太空飛行器在空間運行時處於微重力狀態。太空飛行器結構分為非密封結構與密封結構。對非密封結構太空飛行器，在入軌過程中，艙內氣體進入空間，使艙內處於真空狀態，不存在對流換熱；對密封結構的太空飛行器，在空間微重力作用下，艙內因溫差而產生的空氣自然對流換熱非常微小，可以忽略不計。
3.空間外熱流
從近地空間到行星際空間,太空飛行器所接收到的空間外熱流主要是太陽輻射，地球、月球和各行星的熱輻射以及它們對太陽輻射的反射。其中太陽輻射是主要來源，在大氣層外地球到太陽的平均距離處(1AU)與陽光垂直表面上的太陽總輻照度稱為太陽常數，其測量數據平均值為1 367 W/m2。太陽是很穩定的熱源，即使在11年的太陽活動周期內，太陽常數的變化也只有士0.1%左右。但是，由於地球軌道是橢圓的，到達地球的太陽總輻照度隨地球到太陽的距離而變化。在遠日點，太陽總輻照度達到最小值1 322 W/m2，在近日點，太陽總輻照度達到最大值1414W/m2。考慮到測量和太陽的周期性活動等不確定因素，以上數據的偏差為±5 W/m2。地球反照輻射是地球表面及其大氣反射的太陽入射輻射，通常取地球反照率為0.30。地球發射的紅外輻射由地球大氣發射的紅外輻射以及地球表面、雲項層發射的紅外輻射(除去大氣吸收的部分)兩部分組成。要精確計算地球投射到太空飛行器的紅外輻射十分困難，它的大小與地球表面狀態、位置、季節變化有密切關係。為了工程套用和簡化計算，假設地球紅外的空間分布為漫射，遵循朗伯餘弦定律，計算中採用平均值，可把地球當作250K左右的絕對黑體。
4.深冷空間背景
空間背景的熱輻射近似於特徵黑體溫度約3K的均勻輻射。太空飛行器的幾何尺寸與它和行星或恆星的距離相比，小到可以忽略不計，從熱交換的觀點可以完全不考慮行星或恆星對太空飛行器輻射的反射，因此可以認為太空飛行器的自身輻射全部加入宇宙空間，也就是說空間對太空飛行器來說是黑體。
5.微流星體和空間碎片
微流星體是自然形成的物質顆粒，幾乎所有的微流星體均起源於彗星和小行星。空間碎片是遺留在地球軌道上的人造物體，主要分布在近地軌道和地球同步軌道，其撞擊在軌太空飛行器的機率比微流星體大。
6.帶電粒子輻射
地球空間環境的高能帶電粒子來自於地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線、電漿等。
7.電漿
近地球空間存在著由離子和電子組成的巨觀上處於電中性狀態的電漿環境。電漿環境有三個區域:電離層、地球磁層和太陽風。
8.原子氧
距地面90 km以上的高層大氣主要成分為原子氧，隨著軌道高度的增加，原子氧的密度逐漸降低。
