航天器热控技术概论-PPT课件

Q Q Q 1 2Q 3 4Q 5 Q 6Q 7
Q1 太阳直接加热量； Q2 地球及其大气对太阳的反照加热量； Q3 地球的红外加热量； Q4 空间背景加热量； Q5 在卫星内部还有仪器设备工作时产生的内热量； Q6 卫星向空间辐射的热量； Q7 内能变化量；
7.热控制基本原理 （1）能量守恒原理
地球及其大气在行星际空间围绕太阳运转，在 研究地球及其大气在行星际空间的能量平衡时，通 常把地球及其大气作为一个整体来考虑，把地球及 其大气作为一个统一的系统，即地球-大气系统。 地球-大气系统的能量基本来源于太阳，其主要 传输方式为辐射。太阳辐射进入地球-大气系统后， 部分被反射，部分被吸收，被反射的能量简称为地 球反照，被地球大气系统吸收的太阳辐射能，转化 为热能后又以长波辐射的方式辐射到空间去，这部 分能量称为地球热辐射或红外辐射。 能量守恒：卫星表面从外部空间环境中获得的 热量，加上卫星内部仪器设备产生的热量，等于卫 星向外部空间排散的热量及其内能的变化。
返回段：卫星脱离运行轨道再进入大气层返回地
面的飞行过程。此时，卫星以极高的速度再入大 气层，巨大的动能在大气层阻尼作用下转变成为 大气的热能，气体温度猛烈上升到摄氏数千度以 上，给卫星以强烈的气动加热。 面对这样恶劣的环境条件，要保证卫星能正常工 作就必须进行合理热设计，并研制有效和可靠的 热控制系统，否则必将影响正常飞行计划，甚至 导致飞行失败。
上升段：卫星在运载火箭的运送下，离开地面
后进入轨道飞行的阶段（此阶段由于卫星速度从 零逐渐增大，穿过稠密的大气层后达到7.9公里/ 秒的第一宇宙速度，因此卫星表面受到强烈的气 动加热影响，温度急剧升高达到摄氏几百度）；
轨道段：卫星入轨后在轨道上长期运行的阶段， 这也是执行任务的主要阶段，此时，卫星要长期 经受太阳、行星和空间低温热沉的交替加热和冷 却，引起高低温的剧烈变化，变化幅度可达 0 到 200 C ；
迄今，世界各国已向空间发射了5000余颗各种不 同类型的航天器，在几十年的实践中
人们逐渐深刻认识到卫星的热控制已发展成为一 门独立的学科，这就是空间热物理学。它和许多 学科有着广泛的联系，涵盖了热力学、传热学、 传热传质学、流体力学、计算传热学、空间几何 学、电子学、化学、物理、计算机等多种学科的 知识。 5.航天器为什么要进行热控制？ 举例说明： 一个在地球同步轨道运行的薄壳球形卫星，如果 这球体表面不加任何热控涂层，就是加工后的铝
电 加 热 器 件
百叶 窗和 转盘 热控 结构
其他
星体内部部件 热容 内热源
温度 加热功率
8.航天器热控制方法 （1）控制方式
卫星的热控制分为被动式和主动式。 被动式控制：又称无源控制，即依靠合理的总体布 局和选择设计参数，正确地组织与控制星体内、外 的热交换过程来达到热控制的目的。 优点：技术简单，无运动部件，所以可靠性高，使 用寿命长；缺点：无自动调节温度的能力。
主动式：当卫星内、外热流状况发生变化时，通过 某种机构的动作或电子控制线路来实现热控制。 优点：具有较大的适应能力和热控制能力；缺点： 系统复杂，可靠性问题和重量问题使它在应用中受 到一定得限制。
4. 航天器热控制是一门新兴学科
自从1957年人类第一次把人造卫星送入绕地球 运行轨道以来，航天技术已经得到了迅速发展，从 五、六十年代的早期试验到七十年代的载人飞行， 八、九十年代的逐步成熟，至今迈进21世纪的蓬 勃发展。我国自1970年4月成功地发射了自己研 制的第一颗“东方红”卫星以来，到目前为止，已 经成功发射了100多颗人造卫星，并且已从试验阶 段跨入各种实际应用阶段。
抛光表面，卫星内没有内热源，分析指出，当卫 星对太阳定向时，则向阳面得最高温度达250 ， 0 0 C C 而背阳面的温度将会低到 -200 ，而卫星内部的 设备温度的不均匀性及其波动虽然小一些，但分 析表明，如果不采取任何热控措施的话，则其温 度的不均匀性或温度的变化也能达到 ， 0 这对于星上的各种仪器设备、结构部件来说都是 5 0~ 1 0 0 C 无法承受的。因此，需要对卫星进行热控制，保 证卫星各个部件的正常运行。
3. 航天器热控制的概念
卫星热控制根据飞行的具体条件，合理地控制卫星 内、外的热交换过程，采取各种热控措施，使星上 的仪器设备工作在规定的温度范围内，以保证整个 飞行任务的完成。 卫星热控制是星上的一个很重要的分系统，和结构、 姿轨控、电源、测控等分系统一样，也是一个服务 系统，因此，它首先要服从飞行任务的需要，满足 总体对热控提出的技术要求。 航天器热控方法与地面热控有何区别？与其它工业具 有互相借鉴的意义。
6.热控制功能
卫星从地上腾空而起，潜入太空遨游，需要经历 各种各样的严峻考验：宇宙真空、低温深冷、粒 子辐射等。
一个卫星的飞行过程要经历四个阶段：地面段、 上升段、轨道段和返回段。这四个阶段的热环境 是极其恶劣的，其温度变化非常剧烈，从摄氏零 下二百多度变至数千度以上。 地面段：卫星处于发射场塔架上的环境条件下 的工作状态，他的工作状态与发射场的地理气象 条件密切相关，不同地区冬夏和昼夜的变化很大----配备地面调温系统；
由热平衡方程确定卫星的温度水平，这个温度水平 的高低与各种热能的大小，卫星材料及其表面的热 物理性能（包括表面对太阳的吸收率、热辐射率、 材料的比热和密度等）有关。
（2）原理分析
空间外热流
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热控涂层 吸收的外热流 辐射热流
热 控 涂 层
多层 隔热 材料 组件
导 热 填 料
隔 热 材 料
热 管
相变 贮能 装置
航天器热控 技术概论
1. 航天器：
在地球大气层以外的宇宙空间，执行探索、开发 或利用太空等特定任务的飞行器。
2. 人造卫星：
环绕地球运行（至少一圈）的无人航天器。 关于人造卫星，潘老师的观点： 第一，卫星是一个肩负着国家使命的载体，一代代 的航天热在“自力更生，奋发图强”精神的鼓舞下， 承担着强国富民的光荣而艰巨的任务； 第二，卫星是一个复杂的系统工程，需要“大力协 同、无私奉献”的航天精神，才能圆满完成任务； 第三，卫星是集光、机、电、热于一身的矛盾统一 体。