摘要
火星热流对环火轨道航天器的太阳帆板温度有较大的影响。本文建立了火星反照率的数学模型,分析了火星红外辐射和反照热流变化时,太阳帆板在近火弧段和远火弧段阴影期各自的温度变化规律。研究表明,在不同的轨道高度下,火星红外辐射和反照热流对帆板的影响各不相同,存在一个帆板温度受较大影响的临界轨道高度。当轨道高度小于此临界轨道高度,火星红外辐射和反照热流对帆板温度场的影响极大,不能忽略;当轨道高度大于此临界轨道高度,火星红外辐射和反照热流对帆板温度场的影响有限,可以忽略,为后续火星探测提供了一定的参考。
火星探测备受瞩目,火星探测器在环火星轨道上受到的外热流主要包含太阳辐射、火星红外辐射和火星反照。火星红外辐射及火星反照对探测器太阳帆板的热影响不容忽视,国内外对此研究甚少。
目前国内外主要集中于对火星红外辐射源及物质辐射参数特性的研究。如对火星本体大气、土壤等辐射参数进行研究,Pimenta
综上所述,尚没有文献系统地研究火星红外辐射热流对在轨太阳帆板温度的影响,而太阳帆板温度是影响帆板发电能力的重要因素之一,研究火星热流对太阳帆板温度的影响对于优化帆板发电能力有较高价值。基于此,本文研究了火星红外及反照辐射热流对在轨帆板温度的影响,为火星探测提供了一定的参考依据。
对于火星轨道上的探测器,其上任意节点,换热方程
(1) |
式中:为节点j吸收的空间外热流;为节点j的热功耗;为格布哈特系数;为节点i与j之间的热传导系数;为节点j的热容量;为与节点j有辐射换热的节点数;为与节点j有传导换热的节点数;A为节点的面积;为时间。
上述仿真过程中作如下假定:(1)计算过程中假设太阳光为平行光,即太阳光扩散角为0°;(2)航天器建模过程中忽略紧固件等影响;(3)航天器各表面均为灰体;(4)外热流的变化在连续轨道周期内一致。
对于太阳直接辐射热
(2) |
式中:为该表面对太阳的吸收率,为火星附近太阳常数。
火星轨道上的航天器,接收到的反照辐射热流主要包含太阳投射到火星大气上的散射热流和与火星表面作用后的反照热流,表述式
(3) |
式中:为火星总反照热流;为火星大气直接散射太阳光的热流;为火星表面反射太阳光的热流。
火星大气直接散射太阳光的热流表达式
(4) |
式中:为单个粒子的反照率;为相函数;为火星大气顶面的太阳光谱辐射力;为粒子光学厚度;,为太阳光光线与航天器星下点微平面法向方向的夹角;,为航天器与星下点的连线与航天器星下点微平面法向方向的夹角,见

图1 空间相对位置关系
Fig.1 Spatial relative position relationship
火星表面反射太阳光的热流计算
(5) |
式中:表示太阳光线被火星表面反射到方向上的光谱辐射力;为光线从方向到的辐射传递函数。
那么火星平均反照率可以表示为
(6) |
因此,火星的反照热流可按
(7) |
火星红外辐射热流为
(8) |
式中:为火星平均反照率;为太阳方向与面元法线的夹角。结合式(
建立火星探测器热分析模型,选取火星大椭圆轨道(297 km×12 000 km,远火弧段有长阴影约100 min)进行热仿真计算,并采用热平衡试验验证,热平衡试验条件为:探测器在真空罐内竖直放置,真空度优于6.65×1

图2 热平衡试验状态
Fig.2 Status of the thermal equilibrium experiment
试验过程为:探测器在真空罐内竖直放置→抽真空→通液氮,待热沉温度达到约100 K→进入试验工况,开始施加外热流→对红外加热笼和外热流模拟加热器施加电流,模拟航天器外热流→单机按在轨模式开机→等待单机温度平衡。
由于大椭圆轨道的工况周期为8.2 h,外热流的施加以8.2 h为一周期循环一次,工况平衡的条件为在连续4 h内,主要单机温度波动值不超过±0.5 ℃,待工况平衡后,该工况结束,进入下一个试验工况。
依据热试验数据对热仿真模型中参数进行修正,主要修正参数为:(1)单机的热耗;(2)单机与安装面的传热系数;(3)补偿部分不参与热试验的部件的红外热流。对舱内某单机的仿真温度和热试验温度统计结果如

图3 仿真分析与试验数据对比
Fig.3 Comparsion of the simulation analysis and experimental data
针对某运行于火星轨道上的探测器,采用该计算模型进行热仿真分析,主要分析以下几种工况:
(1)考虑火星红外辐射的变化,分析火星红外辐射大小对航天器在近火弧段无阴影情况下的帆板温度影响,找出帆板受影响的临界轨道高度,计算影响程度;
(2)考虑火星红外辐射的变化,分析火星红外辐射大小对大椭圆有阴影轨道下的帆板温度的影响,找出受影响的临界轨道高度,计算影响程度;
(3)考虑火星反照热流的变化,分析火星反照热流大小对无阴影轨道下的帆板温度的影响,找出受影响的临界轨道高度,计算影响程度。
以上总结如
根据式(

图4 火星轨道帆板温度变化曲线
Fig.4 Temperature curve of the solar panel under the Mars orbit

图5 近火弧段帆板温度变化率曲线
Fig.5 Temperature rate of the solar panel under the near Mars area
由
若火星红外辐射热流取平均值110 W/

图6 远火弧段帆板温度变化率曲线
Fig.6 Temperature rate of the solar panel under the far Mars area
由于在阴影期,因此该区域不受火星反照影响。

图7 近火弧段帆板温度变化率曲线
Fig.7 Temperature rate of the solar panel under the near Mars area
根据文献[
在近火弧段,火星红外热流对帆板温度的影响程度随着轨道高度的减小呈现增大趋势。影响趋势为:轨道高度h≥585 km时很小(可以忽略);343 km≤h<585 km时逐渐升高(不能忽略);297 km<h<343 km时很大(不能忽略);h=297 km时达到极值。
在远火弧段,火星红外热流对帆板温度的影响程度随着轨道高度的增加呈现增大趋势,主要原因是在远火弧段探测器位于阴影期,轨道越高,帆板温度会越低,处于极低温度下的帆板对火星热流的响应很大。影响趋势为:轨道高度h<7 800 km时很小(可以忽略);7 800 km≤h<12 000 km时逐渐升高(不能忽略);h=12 000 km时达到极值。
在近火弧段,火星反照热流对帆板温度的影响程度随着轨道高度的减小呈现增大趋势。影响趋势为:轨道高度h≥505 km时很小(可以忽略);297 km<h<505 km时逐渐升高(不能忽略);h=297 km时达到极值。
本文研究了火星红外及反照辐射热流对环火航天器太阳帆板温度的影响,研究得到以下结论:
(1)火星红外热流对帆板的影响在近火弧段和远火星弧段有阴影时都较大;火星反照热流的影响在帆板进出近火弧段时影响程度不同。
(2)在近火弧段,火星红外辐射对帆板温度的影响趋势为:h≥585 km时很小(可以忽略);343 km≤h<585 km时逐渐升高(不能忽略);297 km<h<343 km时很大(不能忽略);h=297 km时达到极值。
(3)在远火弧段有阴影时,火星红外辐射对帆板温度的影响趋势为:h<7 800 km时很小(可以忽略);7 800 km≤h<12 000 km时逐渐升高(不能忽略);h=12 000 km时达到极值。
(4)在本文轨道下,在近火弧段,火星反照热流对帆板温度的影响趋势为:h≥505 km时很小(可以忽略);297 km<h<505 km时逐渐升高(不能忽略);h=297 km时达到极值。
参 考 文 献
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