载人运输飞船多模式和姿态的外热流
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时 间ｌ 。交 会对 接和停 靠 行使 得载 人运 输飞船 的 飞行姿 态具有 多样 性 ，因而 导致 轨道外 热流 变化 】
复 杂 ，给 飞 船 的 热 设 计 和 热 分 析 造 成 困难 ，极 端 外 热 流 工 况 难 于 确 定 。
航 天器 热控 工程 中 ，外 热流 分析 既是 热分析 工作 之一 ，也是 求解 整个 航天 器温度 场分 布 的重要 外部热 边界 条件 ，更是 选择 极端 工况 的依 据 ｊ 。外 热流 分析 工作 贯穿 于载人 航 天器 热 控 系统研 制
的飞行方 向 ； Байду номын сангаас
４ ）停 靠飞行 ，飞船与 空 间实 验 室 的组 合体 飞行 姿 态 为对
日偏 航机动 ，飞船 ＋Ｚ轴 指 向地 心 ，飞 船 一Ｘ 轴 追踪 太 阳 ，偏
航 角在轨实 时变化 。 ２ ２ 飞 船 外 表 面 状 态 ．
载人运输 飞船 由轨道舱 、返 回舱 和 推进 舱三 舱组 成 。轨道
中 国 空 间 科 学 技 术
第 １ 期
Ｃｈｉ ｅ ｅ Ｓｐ ｃ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｎ ｓ ａ ｅ Ｓｃｅ ｃ ｎ ｃ ｏ ｏ
载人 运 输 飞船 多模 式 和姿 态 的外 热 流
卢威 黄 家荣 钟 奇
（ 国 空 间 技术 研究 院 ，北 京 １ ０ ９ ） 中 ０ ０ ４
摘 要 在理 论 分析 的基 础上 ，建立 了飞 船 外热 流 分析 模 型 ，解 算 出不 同飞行 姿 态 和模 式 下的外 热流 ，分析得 到 外热 流 变化 规律 ，得 出极 端 外 热流 工 况 。分 析 结果 表 明 ： 当姿 态
为 三 轴 稳 定 时 ， 外 热 流 随 受 晒 因 子 增 大 而 增 加 ； 由 三 轴 稳 定 转 为 偏 航 机 动 后 外 热 流 突 然 减
与空 间实验 室对接 和撤 离外 的其 他时 问 内 ，当太 阳入 射 角 的绝 对值 大 于 ３ 。 ，飞 船进 行 对 日偏 航 Ｏ时
机动飞行 （ 括 自主飞行 和停 靠飞行 ） 包 。 通 常 ，载 人运输 飞船 具有 以下 飞行 模式 和飞行 姿态 ：
１ 自主 飞行 ，飞船 姿态 为三 轴稳定 对地定 向 ，飞船 ＋Ｚ轴指 向地 心 ，＋Ｘ 轴为 飞行 方 向 ； ）
图 １ 飞 船 轨 道和 姿 态 舱 的整个舱 体外表 面和推 进舱 的部分 舱体 外表 面包 覆 多层 隔热 Ｆｉ Ｏｒ ｉ ｎ ｔｉｕｄ ｆｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｇ．１ ｂ ｔａ ｄ ａ ｔｔ ｅ ｏ ｐ ｃ ｃ ａ ｔ 材料 ，多层 隔热组件 外表 面再 包覆 一 层 防原 子氧 复合 膜 。返 回 舱外表 面全部 喷涂热 控涂层 。推进 舱外 部装 有 圆柱 形体 装式 热 控辐射 器 ，辐 射器外 表面 喷涂低太 阳吸收 率 、高 红外 发射 率 的 Ｋｓ —ｚ白漆 涂层 。推进舱 底 部安 装 有高温 隔热屏 ，用来 隔绝发 动机羽 流对舱 内设备温 度 的影 响 。
１ 引 言
载人 运输 飞船 的主要 功能 是实 现交会 对接 和天 地往返 ，除 了通 过 自主飞行 实 现与空 问实 验室对 接并 且将航 天员 和 有效载 荷运送 到 空间实 验室外 ，停靠后 还将 与空 问实 验室进 行联 合 飞行 ，最 终将
航 天员 和有效载 荷运 送至 地面 。今后 ，它 还可 能作 为大 型空 间站 的救 生艇 ，将 具有 更长 的联合 飞行
小 ，且 随 受 晒 因 子 增 大 而 减 小 。
关 键 词 外 热 流 飞 行 模 式 飞 行 姿 态 交会 对 接 载 人 飞 船
ＤＯＩ １ ． ７ ０ ｉ ｉｓ ． ０ ０ ７ ８ ２ １ ． １ ０ ４ ： ０ ３ ８ ／． ｓｎ １ ０ — ５ Ｘ． ０ ０ ． ０ １
流 工况 。
２ 输 入 状 态
２ １ 轨道 和姿 态 ．
载人运 输 飞船飞行 在 轨道高 度约 ３ ０ ｍ、轨道 倾角 约 ４ 。 圆形 轨道 上 。约 定 飞船 船体 坐标 系 ３ｋ ２的
如 图 １所示 ，飞船 在轨 自主飞行 的初始 姿态 为三 轴稳定 对地 定 向 ，＋Ｘ 轴为 飞行方 向，＋Ｚ轴指 向 地 心 ，Ｘ轴 、Ｚ轴在 轨道 面 内 ，０ ＸＹ 坐标 系满 足右 手螺 旋 法则 ，运 输 飞 船 的飞 行 方案 为 ：在 除 Ｚ
的全过 程 ，从系 统方 案设计 阶段 开始 ，就需 要进 行轨 道参数 计算 和外 热流 计算 以提供 热设 计 的环境
参 数 。热试验 的外 热流 边界 条件 也需要 根据 外热 流 的分 析结 果来 确定 。 本 文对 载人运 输飞 船 的外 热 流进行 了分 析 ，计 算得 到飞 船外 表面 吸收 的轨道 外热 流 ，并得 出飞 船 在不 同飞行 模式 和姿 态下 的外 热流变 化规 律 ，确 定 了载人 运输 飞船 在整个 飞行 剖 面内 的极 端外 热
收稿 日期 ：２ １ ４１ 。收 修 改 稿 Ｆ期 ：２ １—５１ ０ ００ ２ １ ｏ ｏｏ ４
２ ６
中 国 空 间 科 学 技 术
２１ 年 ２ Ｏ１ 月
２ 自主飞行 ，飞船 姿 态 为对 日偏 航 机 动 ，飞 船 ＋ Ｚ轴 指 ） 向地心 ，＋Ｘ 轴追踪 太 阳 ，偏航角 在轨实 时变化 ； ３ ）停 靠飞行 ，飞船 与 空 问实 验 室 的 组 合 体 飞行 姿 态 为 三 轴稳 定对 地定 向 ，飞船 ＋Ｚ轴 指 向地 心 ，飞 船 Ｘ 轴 为 组合 体
３ 理 论 分 析
飞船 太 阳入 射角 为太 阳光 与飞船 轨道 面的夹 角 ，用 表示 。在地 心赤 道 坐标 系 中， 角 可 以依 据球面 三角关 系求 出 ，如 图 ２ 示 。 所
． ｒｓｎ ｃ ｓｓ Ｓ ＋ ｓ ｉｏＳｓ （ｎ—Ｇ） ８ 一ａｃｉ［ｏ ｉｉ ｏ ｉ ｃ ｓｏｉ ａ ｎ ｎ ｎ Ｏ］ （） １ 式中 ｉ 为轨道倾 角 ；ａ 为升交 点赤经 ；ａ 为太 阳赤经 Ｅ ， ６ 。 ；６ 为太 阳赤 纬［ ３ ５ ， ３ ５］ ｏ ３ ０］ ＂ ｏ 一２ ． 。 ２ ． 。 。 太 阳赤经 和赤纬 的大小 由季节 和 Ｅ期决 定 。依 据轨 道条 件 ，由公 式 （ ） 到太 阳入 射 角 的变 ｔ １得 化范 围在 ［ 一ｍｉ（０ ，ｉ ３ ５） ｎ ９ 。 ＋２ ． 。 ，ｍｉ（ ０ ， ＋２ ． 。］ 已知 运输 飞 船轨 道 倾角 ｉ ｎ ９ 。 ｉ ３ ５） 。 一４ 。 ２，很 明显 ，
复 杂 ，给 飞 船 的 热 设 计 和 热 分 析 造 成 困难 ，极 端 外 热 流 工 况 难 于 确 定 。
航 天器 热控 工程 中 ，外 热流 分析 既是 热分析 工作 之一 ，也是 求解 整个 航天 器温度 场分 布 的重要 外部热 边界 条件 ，更是 选择 极端 工况 的依 据 ｊ 。外 热流 分析 工作 贯穿 于载人 航 天器 热 控 系统研 制
的飞行方 向 ； Байду номын сангаас
４ ）停 靠飞行 ，飞船与 空 间实 验 室 的组 合体 飞行 姿 态 为对
日偏 航机动 ，飞船 ＋Ｚ轴 指 向地 心 ，飞 船 一Ｘ 轴 追踪 太 阳 ，偏
航 角在轨实 时变化 。 ２ ２ 飞 船 外 表 面 状 态 ．
载人运输 飞船 由轨道舱 、返 回舱 和 推进 舱三 舱组 成 。轨道
中 国 空 间 科 学 技 术
第 １ 期
Ｃｈｉ ｅ ｅ Ｓｐ ｃ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｎ ｓ ａ ｅ Ｓｃｅ ｃ ｎ ｃ ｏ ｏ
载人 运 输 飞船 多模 式 和姿 态 的外 热 流
卢威 黄 家荣 钟 奇
（ 国 空 间 技术 研究 院 ，北 京 １ ０ ９ ） 中 ０ ０ ４
摘 要 在理 论 分析 的基 础上 ，建立 了飞 船 外热 流 分析 模 型 ，解 算 出不 同飞行 姿 态 和模 式 下的外 热流 ，分析得 到 外热 流 变化 规律 ，得 出极 端 外 热流 工 况 。分 析 结果 表 明 ： 当姿 态
为 三 轴 稳 定 时 ， 外 热 流 随 受 晒 因 子 增 大 而 增 加 ； 由 三 轴 稳 定 转 为 偏 航 机 动 后 外 热 流 突 然 减
与空 间实验 室对接 和撤 离外 的其 他时 问 内 ，当太 阳入 射 角 的绝 对值 大 于 ３ 。 ，飞 船进 行 对 日偏 航 Ｏ时
机动飞行 （ 括 自主飞行 和停 靠飞行 ） 包 。 通 常 ，载 人运输 飞船 具有 以下 飞行 模式 和飞行 姿态 ：
１ 自主 飞行 ，飞船 姿态 为三 轴稳定 对地定 向 ，飞船 ＋Ｚ轴指 向地 心 ，＋Ｘ 轴为 飞行 方 向 ； ）
图 １ 飞 船 轨 道和 姿 态 舱 的整个舱 体外表 面和推 进舱 的部分 舱体 外表 面包 覆 多层 隔热 Ｆｉ Ｏｒ ｉ ｎ ｔｉｕｄ ｆｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｇ．１ ｂ ｔａ ｄ ａ ｔｔ ｅ ｏ ｐ ｃ ｃ ａ ｔ 材料 ，多层 隔热组件 外表 面再 包覆 一 层 防原 子氧 复合 膜 。返 回 舱外表 面全部 喷涂热 控涂层 。推进 舱外 部装 有 圆柱 形体 装式 热 控辐射 器 ，辐 射器外 表面 喷涂低太 阳吸收 率 、高 红外 发射 率 的 Ｋｓ —ｚ白漆 涂层 。推进舱 底 部安 装 有高温 隔热屏 ，用来 隔绝发 动机羽 流对舱 内设备温 度 的影 响 。
１ 引 言
载人 运输 飞船 的主要 功能 是实 现交会 对接 和天 地往返 ，除 了通 过 自主飞行 实 现与空 问实 验室对 接并 且将航 天员 和 有效载 荷运送 到 空间实 验室外 ，停靠后 还将 与空 问实 验室进 行联 合 飞行 ，最 终将
航 天员 和有效载 荷运 送至 地面 。今后 ，它 还可 能作 为大 型空 间站 的救 生艇 ，将 具有 更长 的联合 飞行
小 ，且 随 受 晒 因 子 增 大 而 减 小 。
关 键 词 外 热 流 飞 行 模 式 飞 行 姿 态 交会 对 接 载 人 飞 船
ＤＯＩ １ ． ７ ０ ｉ ｉｓ ． ０ ０ ７ ８ ２ １ ． １ ０ ４ ： ０ ３ ８ ／． ｓｎ １ ０ — ５ Ｘ． ０ ０ ． ０ １
流 工况 。
２ 输 入 状 态
２ １ 轨道 和姿 态 ．
载人运 输 飞船飞行 在 轨道高 度约 ３ ０ ｍ、轨道 倾角 约 ４ 。 圆形 轨道 上 。约 定 飞船 船体 坐标 系 ３ｋ ２的
如 图 １所示 ，飞船 在轨 自主飞行 的初始 姿态 为三 轴稳定 对地 定 向 ，＋Ｘ 轴为 飞行方 向，＋Ｚ轴指 向 地 心 ，Ｘ轴 、Ｚ轴在 轨道 面 内 ，０ ＸＹ 坐标 系满 足右 手螺 旋 法则 ，运 输 飞 船 的飞 行 方案 为 ：在 除 Ｚ
的全过 程 ，从系 统方 案设计 阶段 开始 ，就需 要进 行轨 道参数 计算 和外 热流 计算 以提供 热设 计 的环境
参 数 。热试验 的外 热流 边界 条件 也需要 根据 外热 流 的分 析结 果来 确定 。 本 文对 载人运 输飞 船 的外 热 流进行 了分 析 ，计 算得 到飞 船外 表面 吸收 的轨道 外热 流 ，并得 出飞 船 在不 同飞行 模式 和姿 态下 的外 热流变 化规 律 ，确 定 了载人 运输 飞船 在整个 飞行 剖 面内 的极 端外 热
收稿 日期 ：２ １ ４１ 。收 修 改 稿 Ｆ期 ：２ １—５１ ０ ００ ２ １ ｏ ｏｏ ４
２ ６
中 国 空 间 科 学 技 术
２１ 年 ２ Ｏ１ 月
２ 自主飞行 ，飞船 姿 态 为对 日偏 航 机 动 ，飞 船 ＋ Ｚ轴 指 ） 向地心 ，＋Ｘ 轴追踪 太 阳 ，偏航角 在轨实 时变化 ； ３ ）停 靠飞行 ，飞船 与 空 问实 验 室 的 组 合 体 飞行 姿 态 为 三 轴稳 定对 地定 向 ，飞船 ＋Ｚ轴 指 向地 心 ，飞 船 Ｘ 轴 为 组合 体
３ 理 论 分 析
飞船 太 阳入 射角 为太 阳光 与飞船 轨道 面的夹 角 ，用 表示 。在地 心赤 道 坐标 系 中， 角 可 以依 据球面 三角关 系求 出 ，如 图 ２ 示 。 所
． ｒｓｎ ｃ ｓｓ Ｓ ＋ ｓ ｉｏＳｓ （ｎ—Ｇ） ８ 一ａｃｉ［ｏ ｉｉ ｏ ｉ ｃ ｓｏｉ ａ ｎ ｎ ｎ Ｏ］ （） １ 式中 ｉ 为轨道倾 角 ；ａ 为升交 点赤经 ；ａ 为太 阳赤经 Ｅ ， ６ 。 ；６ 为太 阳赤 纬［ ３ ５ ， ３ ５］ ｏ ３ ０］ ＂ ｏ 一２ ． 。 ２ ． 。 。 太 阳赤经 和赤纬 的大小 由季节 和 Ｅ期决 定 。依 据轨 道条 件 ，由公 式 （ ） 到太 阳入 射 角 的变 ｔ １得 化范 围在 ［ 一ｍｉ（０ ，ｉ ３ ５） ｎ ９ 。 ＋２ ． 。 ，ｍｉ（ ０ ， ＋２ ． 。］ 已知 运输 飞 船轨 道 倾角 ｉ ｎ ９ 。 ｉ ３ ５） 。 一４ 。 ２，很 明显 ，