用于热控涂层性能原位测试的辐射计研究

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雅宝题库解析：
空间环境因素对热控涂层等卫星关键材料的损伤是造成航天器故障乃至事故的重要原因，严重影响着卫星的可靠性与寿命。随着我国卫星设计寿命从8年增加到15年，热控涂层等暴露材料性能的退化将成为制约其寿命的重要因素，为了研究热控涂层性能退化规律和寿命预示方法，确保我国地球轨道卫星达到设计寿命，需要开展模拟空间环境下热控涂层太阳吸收率性能变化的地面原位试验。本文以此为研究背景，开展了一种适用于地面模拟空间环境中热控涂层性能原位测试的辐射计研究。论文围绕辐射计的测试原理、测量数学模型、结构的最优化设计以及结构热仿真等若干理论、方法和关键技术进行了深入的研究，针对我国卫星用SR107热控涂层，利用辐射计分别在恒温环境与真空低温环境中进行了涂层的性能测试，并对影响辐射计测量结果的各项不确定度因子进行了量化分析。本文的主要研究内容包括以下几个方面：1. 针对热控涂层的辐射特性提出了一种基于辐射测热法来实现涂层太阳吸收率原位测试的方案，并在此基础上设计一种用于热控涂层性能原位测试的辐射计；对用于热控涂层性能原位测试的辐射计进行原理分析，根据能量守恒原理建立辐射计的测试数学模型；提出一种基于辐射计稳态热平衡时，利用标定方法建立的数学模型，并利用广义卡尔曼滤波的方法对辐射计的稳态温度进行了外推预报，从而实现辐射计测试热控涂层太阳吸收率的快速计算。2. 结合模拟空间环境的要求，进行辐射计的结构设计与材料选择；针对辐射计试件板的最优化提出了一种采用热量势容耗散为优化目标的数学模型；对辐射计的测热腔采用蒙特卡洛法进行辐射分析，从而求解辐射传递系数，实现测热腔结构的最优化设计；建立以几何平均温度最低为约束目标的优化模型，求解支杆的最优结构；对隔热腔建立热传导微分方程，利用方程的解析解进行隔热腔厚度的最优选择；设计满足辐射计测试精度要求的数据采集电路。3. 利用有限元分析软件对模拟空间环境下工作的辐射计关键要素进行了仿真分析，主要包括：辐射计试件板的瞬态热平衡、辐射换热量、真空低温下的热应力仿真；支杆的瞬态热传导仿真；测热腔结构的圆形边沿设计以及测热腔内部的辐射换热仿真；隔热腔的表面处理以及整体隔热效果仿真。4. 对我国卫星用SR107热控涂层的太阳吸收率值进行了标定；对辐射计的重复性和稳定性等性能指标进行了测试，并在恒温测试环境开展辐射计的原理验证实验；模拟空间环境中利用辐射计进行热控涂层性能的原位测试，验证真空与低温环境对热控涂层辐射性能的影响；对辐射计的各项不确定度因子进行了量化分析，确定测量结果的量值范围。本论文为掌握典型热控材料性能退化规律和我国中高轨卫星的长寿命设计提供了数据保证，并为进一步开展热控涂层性能的在轨测试奠定了理论研究及工程应用基础。