一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星技术领域，具体地，涉及一种卫星热控涂层材料在轨性能退化预 测方法，具体为热控涂层吸收率a 5随卫星在轨时间t变化的预测方法。
【背景技术】
[0002] 卫星热设计的目的是保证整星及星上设备在严酷的真空低温环境中工作在稳定 的温度范围内。热控涂层是卫星热设计的一种重要途径，它通过喷涂在卫星表面，调整表面 热辐射性质从而达到热控制的目的。吸收率和发射率是决定热控涂层性能的两个重要参 数，直接影响着卫星表面吸收的热量和辐射的热量的大小，从而影响整星的温度水平。
[0003] 卫星运行于复杂的空间环境中，原子氧、紫外辐照、高真空、等离子体以及微流星 体与空间碎片等空间环境因素都会使热控涂层的性能退化。根据飞行经验及地面试验的结 果，热控涂层的发射率在轨期间变化很小，可忽略，而吸收率会随着在轨时间不断变大，使 整星吸收的热量变大，温度上升。对于长寿命卫星而言，吸收率会在长时间的空间环境作用 下升高，对卫星的正常工作造成严重影响，甚至失效。因此，热控涂层的吸收率随在轨时间 退化的规律研究尤其重要。
[0004] 目前，热控涂层性能退化的评估通过地面试验来预测，主要有紫外辐照试验、质子 辐照试验、电子辐照试验、质子电子综合辐照试验等试验方法。然而，卫星在轨期间，热控涂 层遭受的是原子氧、紫外辐照、质子、电子等多种空间环境因素的综合作用，地面试验无法 模拟真实的空间环境，得到的预测数据也不够准确，目前也没有一种等效到综合环境作用 的试验方法。国内外文献中目前没有利用在轨数据来进行热控涂层在轨性能退化预测的方 法。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是，提供了一种热控涂层在轨性能退化预测方法，具体为 热控涂层吸收率a 5随卫星在轨时间t变化的预测方法，该方法可以利用在轨数据来预测 长寿命卫星用热控涂层在空间环境下的性能退化情况，节省地面试验费用。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其包括如下步骤：
[0008] S1 :建立卫星在轨运行时的热控涂层材料的热平衡方程：
[0009]
[0010] as为热控徐层的太阳吸收率；
[0011] S为太阳常数，每天的值根据WM0 (世界气象组织）参考数据选取；
[0012] (^为太阳对热控涂层的角系数；
[0013] Er。为地球表面太阳反射强度；
[0014]巾2为地球反射对热控涂层的角系数；
[0015] Ei。为地球表面平均红外辐射强度；
[0016]巾3为地球红外辐射对热控涂层的角系数；
[0017] e h为热控涂层的半球向红外辐射率，对于选定的热控涂层在轨不变；
[0018] 〇 为斯-玻常数，〇 = 5. 67*10 sW/m2 ? K4;
[0019] T为热控涂层的温度，单位为K ;
[0020] 卫星在轨运行时，热控涂层材料与外界的热量交换主要包括：与星体的导热、太阳 光的照射、地球对太阳光的反射、地球红外辐射、向空间冷黑环境的热辐射。当涂层材料温 度稳定时，其吸收的能量和向外辐射的能量相等。当涂层材料与星体绝热时，热平衡方程如 上。
[0021] S2 :提取在轨卫星的热控涂层附近每天的温度遥测数据，具体原则是：选取每天 温度数据峰值稳定在一段时间内的峰值数据；
[0022] S3 :将 S、Er。、Ei。、e h、T、t、伞2、伞3代入公式（1)，利用 a s = e h ( 〇 *T4- <i> 3*Ei。) / 〇 3S+ <i> 2*Er。）得到每一天的 a 5值；
[0023] S4 :绘制a s随在轨时间的变化曲线；
[0024] S5:利用as随时间变化的特性建立数学模型，
[0025] 〇rs.(/) -as(0) +n\1-c1 1 } (2)
[0026] a s(〇)为在轨初期的太阳吸收率；
[0027] a、b、c为常数，根据不同热控涂层材料在轨衰减特性拟合得到。
[0028] 作为优选方案，所述热平衡方程建立在当热控涂层与星体隔热安装时，热控材料 与星体换热量可认为基本为零的前提下。
[0029] 作为优选方案，所述地球平均反射率a = 〇. 30。
[0030] 作为优选方案，所述日1。= 220W/m 2。
[0031] 作为优选方案，所述太阳辐射角系数、地球反射角系数巾2仅由太阳光照角决 定，光照角可通过轨道数据由STK软件算出。
[0032] 作为优选方案，所述地球红外辐射角系数巾3在基于热控涂层与地球的相对位置 的基础上，通过TMG热分析软件进行计算，对于太阳同步轨道卫星，热控涂层与地球位置固 定不变，因此地球红外辐射角系数也固定不变。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0034] 本发明解决了卫星热控涂层在轨性能退化预测的问题，使长寿命卫星能准确预测 寿命末期的热控涂层退化情况，为长寿命卫星的热控设计提供帮助。
【附图说明】
[0035] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0036] 图1太阳常数随时间变化曲线；
[0037] 图2光照角随时间变化图；
[0038] 图3热控涂层温度随时间变化曲线；
[0039] 图4太阳吸收率随时间变化曲线。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0041] 本发明的具体步骤如下：
[0042] 第一步：卫星运行于地球轨道上，当热控涂层与星体隔热安装时，热控材料与星体 换热量可认为基本为零，即Q可忽略不计，此时热控涂层材料的热平衡方程为：
[0043]
[0044] a S为热控涂层的太阳吸收率；
[0045] S为太阳常数，每天的值根据WM0参考数据选取，如附图1 ;
[0046] (^为太阳对热控涂层的角系数；
[0047] Er。为地球表面太阳反射强度，取地球平均反射率a = 〇. 30;
[0048]巾2为地球反射对热控涂层的角系数；
[0049] Ei。为地球表面平均红外辐射强度，取Ei。= 220W/m 2;
[0050]巾3为地球红外辐射对热控涂层的角系数；
[0051] e h为热控涂层的半球向红外辐射率，对于选定的热控涂层在轨不变；
[0052] 〇 为斯-玻常数，〇 = 5. 67*10 sW/m2 ? K4;
[0053] T为热控涂层的温度，单位为K。
[0054] 第二步：太阳辐射角系数(^、地球反射角系数又由太阳光照角决定，光照角可 通过轨道数据在STK软件下算出，如附图2所示；
[0055] 第三步：地球红外辐射角系数巾3取决于热控涂层与地球的相对位置，对于太阳同 步轨道卫星，热控涂层与地球位置固定不变，因此地球红外辐射角系数也固定不变。本文采 用TMG热分析软件进行计算，得到地球红外辐射角系数巾 3= 0. 128。
[0056] 第四步：提取热控涂层附近每天的温度遥测数据，具体原则是：选取每天温度数 据峰值稳定在一段时间内的峰值数据。以此方法提取卫星在轨期间的全部温度遥测数据， 如附图3所示；
[0057] 第五步：将S、Er。、Ei。、e h、T、t、巾2、巾3代入公式⑴，利用a s = e h ( 〇 *T4- <i> 3*Ei。) / 〇 3S+ <i> 2*Er。）得到每一天的 a 5值；
[0058] 第六步：绘制a5随在轨时间的变化曲线，可发现as随在轨时间的变化曲线为指 数变化形式，如附图4所示；
[0059] 第七步：利用a S随时间变化的特性建立数学模型，
[0_]
[0061] a (〇)为在轨初期的太阳吸收率；
[0062]a、b、c为常数，根据不同热控涂层材料在轨衰减特性拟合得到；
[0063] 第八步：将附图4的数据代入公式⑵中，得到数学模型为
[0064]
[0065] 第九步：预测10年后热控涂层吸收率的在轨数据，1年按365天计算，10年就是 3650天，将t = 3650代入公式（3)中，得到热控涂层太阳吸收率的值为0. 4029。
[0066] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，包括如下步骤： 51 :建立卫星在轨运行时的热控涂层材料的热平衡方程：0) as为热控涂层的太阳吸收率； S为太阳常数，每天的值根据WMO参考数据选取； 卿为太阳对热控涂层的角系数； 化。为地球表面太阳反射强度； 啤2为地球反射对热控涂层的角系数； Ei。为地球表面平均红外福射强度； 恥为地球红外福射对热控涂层的角系数； eh为热控涂层的半球向红外福射率，对于选定的热控涂层在轨不变； 0为斯-玻常数，0 = 5. 67*10sw/m2 ?的T为热控涂层的溫度，单位为K; 52 :提取在轨卫星的热控涂层附近每天的溫度遥测数据，具体原则是：选取每天溫度 数据峰值稳定在一段时间内的峰值数据； 53 :将S、Er〇、Ei〇、却、了、护、岭(1>3代入公式（1)，利用炮=紅伊叮4华*拉〇)/如1巧-叫)2巧1'〇)得 到每一天的aS值； 54 :绘制aS随在轨时间的变化曲线； S5:利用aS随时间变化的特性建立数学模型，as(〇)为在轨初期的太阳吸收率； a、b、C为常数，根据不同热控涂层材料在轨衰减特性拟合得到。2. 如权利要求1所述的一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，所 述热平衡方程建立在当热控涂层与星体隔热安装时，热控材料与星体换热量可认为基本为 零的前提下。3. 如权利要求1所述的一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，所 述化。为地球表面太阳反射强度，取地球平均反射率为0. 30。4. 如权利要求1所述的一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，所 述Ei〇= 220W/m2。5. 如权利要求1所述的一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，所 述太阳福射角系数&1、地球反射角系数仅由太阳光照角决定，光照角可通过轨道数据 由STK软件算出。6. 如权利要求1所述的一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其特征在于，所 述地球红外福射角系数43在基于热控涂层与地球的相对位置的基础上，通过TMG热分析 软件进行计算。
【专利摘要】本发明提供了一种预测卫星热控涂层在轨性能退化的方法，其包括如下步骤：S1：建立卫星在轨运行时的热控涂层材料的热平衡方程：(1)；S2：提取在轨卫星的热控涂层附近每天的温度遥测数据；S3：将S、Er0、Ei0、εh、T、代入公式(1)，利用得到每一天的αS值；S4：绘制αS随在轨时间的变化曲线；S5：利用αS随时间变化的特性建立数学模型：为在轨初期的太阳吸收率；a、b、c为常数，根据不同热控涂层材料在轨衰减特性拟合得到。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105005657
【申请号】CN201510408521
【发明人】廖明, 张雷, 曹敏, 李强, 陶强, 徐涛, 周洪伟
【申请人】上海卫星工程研究所
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月13日