[发明专利]基于热网络法的航天器虚拟热试验系统及热试验方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器地面环境试验领域，基于软件工程研制的仿真试验系统，不使用或者部分使用实际硬件来构造试验环境，借助交互式技术和试验分析技术，完成实际物理试验的方法。

背景技术

航天器进入轨道飞行后，将长期处于高真空、冷黑和热辐射(太阳辐射、行星反照和行星红外辐射)的环境中，为使航天器能在这些环境中正常可靠地工作和完成各项预定任务，在研制过程中，必须按照各种国际和国内的试验规范或标准，在高真空、冷黑和模拟空间外热流环境条件下对航天器进行充分的热平衡试验。热平衡试验分为初样热平衡试验和正样鉴定热平衡试验。初样热平衡试验主要是为了获取航天器温度分布数据，验证热设计的正确性以及修正热分析数学模型；正样鉴定热平衡试验的目的主要是为了考核热控分系统维持航天器组件、分系统和整个航天器在规定工作的温度范围内的能力，评价根据初样热平衡试验结果所做的热设计修改的正确性，进一步完善热分析数学模型。航天器热平衡试验以获得各种工况下的工作温度为主要目的，因此只要获得并可作为热真空试验的输入条件来考核航天器环境适应性、可靠性即可，而不一定要进行复杂、系统、耗时和昂贵的真实热平衡试验。

随着我国空间事业的发展，每颗卫星的研制周期要从10年缩短到4年甚至更短的时间，而整星级的热平衡试验工况设置普遍较多，导致试验周期过长，以导航类的GEO卫星为例，共设置了8个大工况，其中还包括两个子工况，其热平衡试验的时间将会超过200小时，而国内卫星的热平衡试验工况一般都在4-8个之间，甚至更长。由于热平衡试验时间过长，而用于试验的空间环境模拟器的数量有限，常会有多颗星排队等候进空间环境模拟器开展试验的情况，严重影响了卫星试验和生产的能力；并且，地面系统级热试验阶段，需在大型空间环境模拟设备进行试验，对人力、物力和经费的消耗大，复杂的试验工况造成试验实施过程复杂，风险高，成为制约我国空间事业发展的瓶颈。同时，随着微小卫星的发展，更多低成本、要求快速交付的卫星研制要求已不能允许沿用传统的试验方法。因此，在实物试验之前利用仿真技术对整个热试验过程进行仿真分析具有极高的工程价值，可以在实物试验之前预测各个工况试验结果，提前发现试验设计错误，合理设计和安排试验实施过程，优化试验流程，提早开展试验工装设计分析，预估试验设备研制的难度和进度，降低试验风险。

航天器虚拟热试验是近年发展起来的基于软件工程研制的仿真试验系统，不使用或者部分使用实际硬件来构造试验环境，借助交互式技术和试验分析技术，完成实际物理试验的方法。试验次数不受限制，具有可重复性。虚拟热试验技术就是研究航天器热试验的流程，建立虚拟热试验平台，构造虚拟热试验环境，利用航天器的热物理模型，通过少数几个典型的试验工况得到能够快速反映航天器温度场的特性参数，对航天器的热物理模型进行修正和改进，从而构建航天器随时间和外热流而变化的温度场分布，达到通过虚拟试验加速部分剩余工况甚至取消部分剩余工况的目的。

美、俄、欧洲的航天部门和宇航公司非常重视航天器的虚拟试验仿真和验证，投入大量经费用于基础性研究，所建立的仿真系统与虚拟试验验证系统在卫星研制的各个阶段发挥着重要作用。欧空局的DYNAWORKS应用于卫星的整星热平衡试验，能够提前预示卫星的极限温度。在国内，中国空间技术研究院也进行了很多热网络修正技术的研究。物理修正法是目前比较便于工程实施的修正方法，国内在整星级的层次上应用过的修正方法属于试凑法，以仪器温度为目标参数，用热平衡试验的结果来对整星热模型进行修正，经过修正后的模型与试验能达到很好的符合程度。但是在虚拟热试验技术的实际应用方面，国内只能对恒定内热源和恒定外热流的平衡温度进行预示，不能对变内热源、变外热流的情况进行平衡预示和工况优化，没有建立虚拟热试验环境和平台。

因此，与我国热平衡试验温度预示方法不同，航天器热虚拟试验方法是基于航天器模型的虚拟试验，不依赖热平衡试验的数据，具有更大的指导意义，必将缩短卫星热平衡试验时间，从而节约试验经费，缩短航天器研制周期；如果将虚拟试验环境变为在轨运行环境，该技术还可用于预测航天器的在轨运行温度，可对在轨运行进行健康监测，提前判断故障，具有积极的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种航天器进行虚拟热试验的试验方法，重点突破航天器温度场模型分析方法、航天器虚拟试验中输入外热流模拟的仿真和控制方法、周期性热流边界下的温度实时预报方法等，实现变内热源、变外热流的平衡温度预示，满足航天器的试验验证需求。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：