卫星环境工程和模拟试验(上)

空间外热流 环境模拟
红外模拟方法
技术复杂，成本高，安装、维护困难，寿命短， 有一定危险性。
利用红外模拟器模拟卫星表面吸收的空间热外 流，用于研究空间外热流环境对卫星的热效应。 一般只适用于外形简单，表面光学性质变化不 大的卫星。
技术简单，成本低，安装、维护方便，寿命长。
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空间其它重要环境模拟技术
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低温系统-单相密闭循环系统
可根据热沉负载的大小 进行流量调节，热沉的 壁温较低且温度比较均 匀。 但所需设备多、投资大。 系统适用于大型环模装置
单相密闭循环系统 1-带Байду номын сангаас液氮储槽；2-控制阀门；3-热沉；4-过冷器；5-液氮泵；6-阀门
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空间外热流环境模拟
太阳模拟方法 利用模拟太阳光谱能量分布的太阳模拟器，探 究太阳辐射对卫星产生的能量效应和热效应， 这种模拟结果直观可靠，可用于修复外形复杂 和表面性质变化大的卫星。
析，运动仿真分析等，与CATIA都属于三维设计软件，Solidworks简单易学，是机械结构
设计的中高端软件，CATIA是达索的高端软件，被播音，空中客车等复杂大型装配公司使 用。
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达索系统
SIMULIA是达索并购ABAQUS后,
开发的分析仿真平台，它是一个协
同、开放、集成的多物理场仿真平
台。 SIMULIA 将同 CATIA ,DELMIA
面模块功能强大。
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达索系统 SolidWorks 是 达 索 系 统公司专门负责研发与销售 机械设计软件的视窗产品， Solidworks 软件功能强大， 组件繁多。，易学易用，能 够提供不同的设计方案、减 少设计过程中的错误以及提 高产品质量。它是达索中端 主流市场的主打品牌。
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达索系统
SolidWorks 可进行产品 2D/3D 设计，物理仿真动画，零件及仿真，流体仿真静力分
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达索系统公司
CATIA 是 达 索 系 统 的
CAD/CAE/CAM 一体化集成解决方
案，现已整合到“ 3D”体验平台。
它覆盖了众多产品设计与制造领 域，被广泛应用于航空航天、汽 车制造、船泊、机械制造、消费 品等诸多行业。
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达索系统公司
CATIA 是 CAD/CAE/CAM 一体化集成三维软件，相对于其他软件 catia 曲
真空测量技术：
非稳定流的快速精准测量 超高速流的动压测量 特大型空间模拟室的真空测量
指空间模拟室容积大
测量范围：10-11~1E-13Pa
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测量范围：1E5~1E-1Pa，反应速度 100um
极高真空测量
真空压力容器
真空压力容器为 试验提供空间，内部 压力低于一个大气压。 一般由筒体，封头， 法兰，支座，加强圈 等组成。
拟试验的要求。另外，追求更低的温度是不必要的，而且会大大增加技术难度
和模拟设备的投资。
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冷黑环境模拟技术
卫星上可伸缩的活 动机构，如太阳帆板， 天线等，由于冷黑环境 效应，会使展开机构卡 死，影响其伸展性能。 我国“风云一号”气象 卫星的太阳帆板，在真 空环境下，由于低温环 境效应，未能伸展到位。 卫星上某些有机材 料在冷黑环境下会产生 老化和变脆，影响材料 的性能。
200Km 500Km 10， 000Km 月球表面
101325Pa 0.2Pa
1.5E-4Pa 10E-6Pa 10E-11Pa 10E-11Pa—10E12Pa
会引起材料光学性能变 材料蒸发、升华和分解效应 差，表面粗糙度变大， 引起材料力学性能变化 10E-7超高真空环境下发 8 生
干摩擦、黏着与冷焊效应
9 太阳辐照环境模拟技术
10 热真空环境模拟技术 11 卫星热平衡和热真空试验技术 12 空间其他重要环境模拟技术
4
Part 2
主要知识点
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概论
环境预示
根据轨道参数预示卫星的工作环境和载荷 特性，属于空间环境工程范畴 根据成功经验制定环境试验的规范
环境试验规范制定
卫星环境工程
环境实验设备研制
根据环境试验规范研究设计各种模 拟空间环境的模拟设备
环境模拟试验
模拟卫星的实际工作环境以保证和检 测卫星的可靠性。
环境控制
主动，被动方式控制工作环境
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概论
真空环境模拟 冷黑环境模拟 太阳辐照环境模拟 （3-12） 电磁辐射 粒子辐射 磁场 微重力
空间环境模拟
卫星环境模拟
振动环境模拟 冲击环境模拟 噪声环境模拟 （下册） 加速度环境模拟
7
动力学环境模拟
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空间其它重要环境模拟技术
空间碎片模拟技术 空间碎片对航天器危害主要表现如下：
舱壁穿孔 威胁舱外活动的航天员 损坏脆性体表面 温控涂层剥落 温控涂层性能改变 太阳电池阵损坏
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空间其它重要环境模拟技术
空间碎片模拟技术
1-排气道；2-吸氢管；3-推进舱；4-分离及速度测量区；5-试验舱；6加长舱；7-速度测试舱；8-过滤舱；9-密封及试件夹紧装置；10-压力 舱；11-底板；12-封头
导弹与航天丛书卫星工程系列（141）
卫星环境工程和模拟实验（上）
汇报人： 时 间：2018.9
1
目录
课本内容框架
主要知识点 工作映射
2
Part 1
课本内容框架
3
课本框架
1 2 3
概论 空间环境效应和模拟试验 空间环境模拟试验设备
4 真空环境模拟技术
5 6 卫星环境工程和模拟试验（上） （Chapter1-12） 7 8 空间容器设计与制造 冷黑环境模拟技术 低温系统 空间外热环境的红外模拟技术
粒子辐照环境效应
弱磁场环境效应
微重力环境效应
空间其他环境效应
原子氧化环境效应
微流星体环境效应 空间碎片环境效应 等离子体环境效应 高层大气环境效应
10
热真空试验
为什么要进行热真空试验？
热真空试验包括热平衡试验和热真空试验。 热平衡试验的目的是：模拟空间环境下，卫星温度分布数据，校核卫 星的热设计，保证卫星各系统在规定温度内的工作能力。 热真空试验是在规定压力或试验温度下，暴露出卫星的设计与工艺问 题，评定其工作性能。
真空压力容器
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冷黑环境模拟技术
空间等效温度3K（绝对温度0K），吸收率为1的空间环境，称
为冷黑环境，又称为热沉环境，它影响卫星的热性能和内部仪器的
工作性能，卫星发射前必须模拟冷黑环境试验。
为了模拟空间冷黑环境，通常使用铝、铜或不锈钢料制成的构件，将其内
表面涂上高吸收率的特制黑漆，并将液氮通入构件内部，这种装置称为热沉。 目前，世界各航天国家均采用这种以液氮作冷源的热沉来模拟空间冷黑环境， 因为热分析理论计算和试验数据分析表明，用77K液氮温度和吸收率为0.9以上 的热沉来模拟空间冷黑环境，模拟误差仅为1%左右，完全能够满足冷黑环境模
幻 影 战 斗 机
美 洲 虎 战 斗 机
阵 风 战 斗 机
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达索飞机
“隼”（sun）系列民用飞机
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达索系统
达索系统公司专注于产品生命 周 期 管 理 （ Product Lifecycle Management ） 行 业 跨 度 从 飞 机 、 汽车、船舶直到消费品和工业装 备和建筑工程。达索系统帮助客 户实现重大的业务变革，带来战 略性的商业价值，包括缩短项目 实施周期、增强创新、提高质量。
一起,帮助用户在PLM中,实现设计,
仿真和生产的协同工作，将分析仿
真在产品开发周期的地位提升到新
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热真空试验设备
设备参数：高真空环境和热环境
设备组成： 真空容器 真空抽气系统 冷热套（铝制或铜制，为了 减少热辐射耗损） 制冷系统（低温环境） 加热系统（高温环境） 控制及数据采集系统
热真空试验设备
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空间模拟器
空间环境模拟器是模拟太空的真空环境、太阳辐照环境、冷黑环境等的设备。 其作用是对整个航天器或分系统、组件、部件、元器件以及材料在地面模拟的空间 环境中进行试验。主要是检验产品在空间环境中的适应能力，是否达到规定的功能， 符合设计要求，并暴露元器件材料、工艺、质量方面的缺陷。最终目的是为了减少 或避免航天器在轨发生故障或失效，提高其在轨工作的可靠性。
空间真空环境效应
压力差效应
10E5-10E2Pa真空范围内，卫星进入 稀薄大气，容器内外压差约0.1MPa
热辐射效应
真空环境，卫星与外界传热主要通 过辐射形式。 高于10E-2Pa的真空度下，材料中的 气体不断从表面设防气体，这可能 改变材料的表面性能。
空间真空环境效应
真空出气效应
高度 压力
0 90Km
磁层亚暴环境模拟系统
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空间其它重要环境模拟技术
空间碎片模拟技术
空间碎片又称空间垃圾，随着人 类空间活动的增加，越来越多停止工作 的航天器，已完成推进任务的火箭推进 剂的未级在轨道上运行，它们与轨道上 的物体相碰撞，导制破碎或爆炸，产生 大量空间碎片，美国和原苏联都进行过 用动能武器摧毁航天器的反卫星试验， 这些人为摧毁的航天器也形成了大量碎 片，还有固体火箭排出物中的大量氧化 铝颗粒等。 1987年公布的空间碎片数量为 7000 个，这些空间碎片大都在 500 － 1000km 处，因此长寿命航天器遭空间碎片的危 险最大，而在 36000km 高度的地球同步 轨道，空间碎片的密度较低，其危险性 亦相对低一些。
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低温系统-开式沸腾系统
系统简单，投资少， 但温度不均匀。
开式沸腾系统 1-液氮储槽；2-热沉；3-调节阀门；4-管路
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低温系统-带压节流系统
系统简单，热沉不可 不受重力，位置限制 但温度不均匀。
系统适用于中、小型环模装置
带压节流系统 1-液氮储槽；2-节流阀；3-热沉；4-调节阀；5-液氮泵；6-管路
达索系统的” 3D 体验” 平台 为核心，可实现 3D 设计、工程、 3D CAD 、建模、仿真、数据管理 和流程管理。
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达索系统公司
达 索 系 统 的 ” 3D EXPERIENCE ” 平台 为核心 ， 包 括 CADCAECAM 设计 分析制 造 一体的 CATIA 三维软件， 3D 设 计软件 SOLIDWORKS ，防震软件 SIMULIA ， 数字制 造 DELMIA 等。 可实现 3D 设计、工程、 3D CAD 、建模、仿真、数据管理 和流程管理。
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Part 3
工作映射
达索集团产品调研
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达索（Dassault）成立于1928 年，总部位于法国巴黎，它是世界 军用飞机制造商之一，主要为空军 和海军提供军用飞机。经典产品 “阵风”是达索公司研制的多用途 超音速飞机。目前旗下分为有飞机 制造公司，主要设计制造军用民用 飞机，国际公司和系统公司，系统 公司主要开发相关的软件系统。
风云一号卫星
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低温系统
低温系统指空间模拟器中使用的液氮系统，气氮系统与氮制冷系统。
液氮系统的作用是以液氮作为制冷剂去冷却真空容器内的热沉，使其温度达到
80~100K，以模拟太空的低温环境。 气氮系统可加快空间模拟室的出气速率，提高真空度，试验结束后，加热热沉， 使容器升温。
开式沸腾系统
液氮系统 氮制冷系统可作为空间分子沉模拟 的冷源，有是低温泵的冷源，在一些特 单相密闭循环系统 殊试验中，要求热沉温度低于液氮温度 是，必须使用氮制冷系统。 带压节流系统
空间太阳辐照环境效应
卫星吸收太阳的红外线和可 热辐射效应 见光后，将影响卫星的温度
空间太阳辐射环境效应
波长小于300nm的紫外线照射 到卫星金属表面，会使金属 紫外线效应 表面带电，这将干扰卫星点 系统；紫外线会使光学玻璃， 太阳电池盖变色，还会造成 材料分解，力学性能下架等。 9
空间其他环境效应
低温系统
气氮系统
氮制冷系统
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低温系统
液氮系统的主要设备包括：液氮泵、过冷器（热交换器）、液氮储
槽、文丘里管（或带压杜瓦）、阀门、热沉和控制系统等。
开式沸腾系统
液氮系统
带压节流系统
单相密闭循环系统
文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测 出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利 定理即可求出流量。
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飞机制造
军用机型有：“幻影”“大西洋” “美洲虎” “阵风” 民用飞机： “隼”（sun）系列
达索集团旗下经产品
开发软件应用程序，以3D EXPERIENCE 软件系统开发 平台 为基础，可实现 3D 设计、工程、 3D CAD 、建模、仿真、数据管理和流 程管理。
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达索飞机
大 西 洋 反 潜 巡 逻 机
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真空环境模拟技术
真空获得技术：
1.有油高真空抽气系统
不装试件时极限真空度：6.5E-5Pa 装试件时：1.3E-3Pa
2.无油高真空抽气系统 对油敏感的组件，如光学仪器，采用无油真空抽气系统。1E-1~1E-2Pa 3.无油超高真空抽气系统
暴露在超高或极高环境下的材料和组件 1E-8~1E-9Pa