感應(yīng)式磁力儀傳感器熱控仿真與實(shí)驗(yàn)研究

魏　冬 呂　游 王鵬飛

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感應(yīng)式磁力儀傳感器熱控仿真與實(shí)驗(yàn)研究

魏冬 呂游 王鵬飛

為改善傳感器的工作溫度均勻性，文章提出了一種傳感器多層隔熱組件的優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)研究表明，多層隔熱組件對(duì)傳感器測(cè)量性能無(wú)明顯影響。本文研究為計(jì)算感應(yīng)式磁力儀傳感器在軌溫度變化范圍、改善傳感器工作溫度均勻性及評(píng)估多層隔熱組件對(duì)傳感器測(cè)量性能的影響提供了依據(jù)。

本文針對(duì)某衛(wèi)星有效載荷——感應(yīng)式磁力儀，在衛(wèi)星軌道外熱流分析的基礎(chǔ)上，使用有限元方法建立了包含衛(wèi)星平臺(tái)熱輻射影響因素在內(nèi)的傳感器熱分析模型，完成在軌動(dòng)態(tài)熱仿真分析與熱平衡實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)改善在軌工作時(shí)傳感器的溫度均勻性，提出了一種傳感器多層隔熱組件的優(yōu)化方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究多層隔熱組件對(duì)傳感器性能的影響。文章研究結(jié)果為評(píng)估感應(yīng)式磁力儀傳感器在軌溫度變化范圍及多層隔熱組件對(duì)傳感器測(cè)量性能的影響提供了依據(jù)。

感應(yīng)式磁力儀傳感器工作原理

感應(yīng)式磁力儀基于法拉第電磁感應(yīng)原理。其中，感應(yīng)式磁力儀傳感器通過(guò)具有高磁導(dǎo)率磁芯和磁通反饋控制的探測(cè)線圈繞組將線圈軸向方向外部變化的磁通信號(hào)（-dΦ/dt）轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。傳感器由正交三分量棒狀磁天線組成。三副磁天線安裝在正交三軸支架上，可分別探測(cè)沿三個(gè)主繞組中心軸線方向的3個(gè)磁場(chǎng)分量。

衛(wèi)星軌道外熱流分析

衛(wèi)星軌道條件

感應(yīng)式磁力儀是某試驗(yàn)衛(wèi)星的主要載荷之一，磁噪聲水平低至50fT/srtHz@2kHz。該衛(wèi)星運(yùn)行軌道參數(shù)如下表1所示。

β角計(jì)算

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間軌道外熱流綜合能量的變化取決于太陽(yáng)與軌道面的夾角—β角。|β|角越大，軌道外熱流綜合能量就越大，反之則越小，外熱流綜合能量變化正比于sin|β|。

實(shí)際工作中，往往采用穩(wěn)定可靠的計(jì)算程序進(jìn)行β角計(jì)算。

根據(jù)軌道分析的結(jié)果，一年內(nèi)太陽(yáng)與軌道面的夾角β角的變化為-31.7°～-22.4°，由此，定位出外熱流綜合能量最大值和最小值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)刻，即β角為-31.7°和-22.4°時(shí)分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)刻，通常把這兩條時(shí)刻的軌道工況定義為高溫和低溫工況。

傳感器熱仿真計(jì)算

熱分析模型的建立

表1　衛(wèi)星任務(wù)軌道參數(shù)

圖1　一年內(nèi)β角變化曲線

表2 　感應(yīng)式磁力儀傳感器材料屬性

本文通過(guò)有限元方法對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)模型劃分網(wǎng)格，由于航天器上使用的多層隔熱組件的結(jié)構(gòu)是極其復(fù)雜的，我們不可能用精確分析的手段來(lái)表述各種因素的影響效果，幾乎所有結(jié)構(gòu)形式的多層隔熱組件的熱性能都是從試驗(yàn)中得到的。實(shí)踐表明，25～30層隔熱材料就可得到足夠好的隔熱性能。因此，在建模分析時(shí)，進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間和提高建模效率。在處理多層隔熱組件時(shí)，多層隔熱組件為200μm內(nèi)襯罩包覆20層隔熱材料且外部形狀簡(jiǎn)化為正六面體，將多層隔熱組件分為內(nèi)、外兩層節(jié)點(diǎn)，多層外表面發(fā)射率和吸收率按實(shí)際外表面的參數(shù)選取，多層外表面和內(nèi)表面間采用當(dāng)量輻射模型，認(rèn)為多層網(wǎng)格之間以輻射換熱為主。

傳感器溫度場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)前文所述，得出了感應(yīng)式磁力儀傳感器熱控包膜表面受到的空間外熱流變化曲線，分高、低溫工況軌道兩種情況進(jìn)行比較對(duì)照，得到的計(jì)算結(jié)果可以作為感應(yīng)式磁力儀傳感器熱分析的邊界輸入條件。而傳感器安裝于衛(wèi)星艙外伸桿的末端，因此也會(huì)受衛(wèi)星本體熱輻射的影響，在進(jìn)行傳感器熱仿真分析時(shí)應(yīng)將衛(wèi)星平臺(tái)的輻射熱流作為邊界輸入條件。其中，材料屬性定義見(jiàn)表2。

建立感應(yīng)式磁力儀傳感器熱分析有限元模型后，利用上述計(jì)算所得空間外熱流、材料的熱學(xué)參數(shù)及衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)傳感器的輻射熱流作為仿真的輸入條件，對(duì)傳感器及熱控包膜進(jìn)行在軌動(dòng)態(tài)熱仿真分析。

傳感器熱平衡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：真空罐、熱電偶、溫度測(cè)試設(shè)備等。為模擬外表面的吸收外熱流，采用粘貼加熱片的方式進(jìn)行外熱流模擬，對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)高低溫工況與熱仿真分析所選取的計(jì)算工況一致。溫度貼點(diǎn)分別位于每根棒體的兩端、柱體與底板上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到了傳感器各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況，如表3所示。

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在低溫工況時(shí)，整個(gè)感應(yīng)式磁力儀傳感器的溫度在-8.2℃～+29.3℃范圍內(nèi)；在高溫工況時(shí)，整個(gè)感應(yīng)式磁力儀傳感器的溫度在+0.3℃～+48.7℃范圍內(nèi)。

從兩個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，整個(gè)傳感器的溫度波動(dòng)范圍約-8.2℃～+48.7℃，棒體1與棒體2溫度均勻性較好而棒體3溫度均勻性較差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱仿真分析結(jié)果基本一致。其中，-Z側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度較高，一方面是由于該位置屬于太陽(yáng)直射面，受太陽(yáng)直射熱流影響較大。

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某試驗(yàn)衛(wèi)星感應(yīng)式磁力儀傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成衛(wèi)星軌道外熱流的計(jì)算，合理建立了傳感器及多層隔熱組件的熱分析模型，綜合考慮衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)傳感器的熱輻射影響，利用有限元分析軟件對(duì)傳感器進(jìn)行在軌動(dòng)態(tài)熱仿真研究，并與熱平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。熱仿真分析研究表明，在軌工作期間感應(yīng)式磁力儀傳感器的極端溫度范圍為-9.9℃～+45.9℃。熱平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，感應(yīng)式磁力儀傳感器的溫度范圍為-8.2℃～+48.7℃。熱仿真分析研究結(jié)果與熱平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

基金：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（41327802，項(xiàng)目名稱：半空間寬能譜太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)分析器的研制）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.002