衛(wèi)星多工況外熱流自動計算分析軟件設計研究

寧東坡 劉質加 徐志明

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094)

0 引 言

隨著衛(wèi)星功能日趨多樣化，衛(wèi)星受到越來越多用戶的青睞[1-2]。衛(wèi)星運行在空間軌道中，所處空間環(huán)境情況復雜，對于熱控分系統(tǒng)設計來說，主要關注外部熱源[3](太陽輻射、地球反照和地球的紅外輻射)。衛(wèi)星各面外熱流的變化和大小直接影響散熱面的分布和星內設備的布局，因此衛(wèi)星外熱流分析非常重要。

Justus等[4]根據建立太陽、地球、衛(wèi)星的相互位置和衛(wèi)星外形，建立起相互坐標系關系，推算出衛(wèi)星在軌道上不同位置處各艙板的外熱流數值。然而這種數值解析來計算外熱流設計20多個參數，需要的空間想象能力、數學推導能力較高。劉洋等[5]指出可以通過熱分析軟件計算外熱流，然而這種熱分析軟件計算的外熱流并不是軌道周期內的平均外熱流，不能滿足衛(wèi)星熱控設計中的需要。

由于衛(wèi)星所處軌道不同，陽光和軌道面夾角在一年中變化劇烈，尤其傾斜軌道，陽光和軌道面夾角成周期性變化。為找到最大熱流和最小熱流需要計算多種工況的外熱流，而且由于常用分析外熱流的工具Thermal Desktop并不能直接輸出外熱流計算結果，需要使用該軟件的后處理工具對所生成的外熱流數據原文件進行處理計算才能得到軌道周期平均外熱流[6]。整個后處理需要手動計算導致計算量巨大，因此需要一種能夠自動計算多種軌道、多種工況下的衛(wèi)星外熱流分析計算軟件，縮短計算時間，同時避免手動進行后處理帶來的錯誤。

本文針對上述衛(wèi)星外熱流分析所面臨的問題，基于MATLAB[7-8]和Thermal Desktop軟件的接口，開發(fā)了能夠實現(xiàn)衛(wèi)星多工況外熱流自動計算分析的軟件，減少了手動的步驟，縮短了衛(wèi)星外熱流分析的時間。

1 原有衛(wèi)星外熱流計算方法

衛(wèi)星外熱流分析是衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)設計中一個重要環(huán)節(jié)[9]。熱控分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的主要分系統(tǒng)之一，需要對外熱流變化情況進行分析，給出衛(wèi)星壽命內不同位置外熱流計算結果，以確定整星散熱面位置和整星高低溫工況提供設計和計算的依據[10]。

基于AutoCAD軟件環(huán)境的Thermal Desktop，是美國NASA的熱設計標準工具。在AutoCAD的Thermal Desktop模塊中可建立衛(wèi)星熱模型，賦予熱物理參數。然后輸入衛(wèi)星的軌道參數(包括空間環(huán)境參數和β角)，進行計算衛(wèi)星模擬在軌的溫度場計算。Thermal Desktop計算外熱流計算原理如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星外熱流計算原理

如圖1所示，Thermal Desktop計算衛(wèi)星外熱流時需要提前設置一下把一個軌道等分成n+1個位置(圖中用POS 0～n表示)，相鄰位置之間時間間隔相等。Thermal Desktop計算完一個工況后，可通過其后處理功能得到衛(wèi)星各艙板在一軌內POS 0到POS n位置上對應時刻外熱流，并輸出到Excel文件里。在Excel文件里對每塊艙板的一個軌道周期內的每個時刻的外熱流數據求平均，便得到每塊艙板對應的軌道周期平均外熱流。需要注意的是，由于該軟件在進、出陰影區(qū)位置附近時刻自動多2或3個時刻的外熱流數據，因此在計算平均外熱流時需要將這些多余位置的外熱流數據刪除才能得到正確的周期平均外熱流[11]。

采用Thermal Desktop軟件進行衛(wèi)星外熱流分析流程如圖2所示。

圖2 原有外熱流分析流程

圖2為計算一個工況外熱流的步驟，其中每個步驟都需要手動操作。剔除數據文件中多余外熱流數據的過程是比較繁瑣的，而且易刪錯數據。按照上述步驟計算一個工況大約需要180秒的時間，對于傾斜軌道需要分析的β角比較多，這樣總時間便會很長。由于手動處理，這個過程容易計算錯誤而且很難察覺。

2 軟件設計

2.1 方案設計

原有衛(wèi)星外熱流計算的缺點是過程繁瑣，而且手動后處理易出現(xiàn)刪除正確位置的外熱流，對于需要計算多個β角的外熱流，重復進行上述計算工作量大。

原有計算方法中大部分時間用來輸出儲存外熱流的數據文件和對數據文件后處理。對數據文件后處理可以通過MATLAB強大的數據處理能力實現(xiàn)。然而儲存有外熱流的數據文件Thermal Desktop并不能自動輸出，查找計算中生成的文件中也沒有儲存到達外熱流的，只有生成衛(wèi)星表面吸收外熱流的數據文件。通過設置衛(wèi)星表面材料的吸收率為1，使得到達衛(wèi)星表面的外熱流全部被吸收，這樣Thermal Desktop所自動輸出的外熱流數據文件中的外熱流在數值上即為衛(wèi)星表面到達的外熱流。

COM是公用的二進制組件標準，代表接口調用者和執(zhí)行者之間的通信約定，因此不同語言的軟件可通過COM組件來實現(xiàn)信息交換。Thermal Desktop支持COM組件作為二次開發(fā)的接口，MATLAB可以通過調用Thermal Desktop的COM組件的接口來和Thermal Desktop進行通信。

解決重復輸入軌道、β角等參數，重復進行后處理的途徑是采用MATLAB通過接口調動Thermal Desktop軟件。將軌道高度、β角、太陽輻射強度、地球反照率、地球紅外輻射強度參數化，通過Thermal Desktop接口能夠被計算人員通過MATLAB程序進行指令輸入，加上循環(huán)實現(xiàn)多工況的自動計算。

2.2 架構設計

基于2.1節(jié)的方案設計思路編寫衛(wèi)星多工況外熱流自動計算分析軟件。軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構

整個軟件由用戶輸入層、MATLAB控制與計算分析層組成。其中用戶層是用戶通過GUI界面輸入所要計算衛(wèi)星外熱流所需要的輸入參數(軌道高度、太陽常數、地球反射率、地球輻射、β角范圍及計算步長)。輸入參數通過MATALB與Thermal Desktop之間的接口輸入到Thermal Desktop的熱模型中，并且Thermal Desktop接收MATLAB后臺控制程序的命令完成不同工況下的熱計算。

分析模塊是軟件中最核心的軟件模塊，實現(xiàn)了讀取Thermal Desktop計算完衛(wèi)星熱模型后的結果文件，對各艙板的熱流進行篩查，剔除非等時間間距的熱流數據。軟件的分析模塊能夠通過字符串識別外熱流數據文件中分別為衛(wèi)星哪個艙板的外熱流，通過時間間隔對比刪除多余的外熱流數據。最后將外熱流求平均和求和，得到衛(wèi)星各面的軌道周期平均外熱流以及總外熱流，并且輸出得到所需格式的外熱流數據文件。

2.3 使用方法

在使用軟件前需要先在Thermal Desktop中完成衛(wèi)星模型建立。衛(wèi)星熱模型在Thermal Desktop中建立完成后，將軌道參數、β角和熱環(huán)境等參數參數化，并通過Thermal Desktop接口使用Fortran編寫程序，使得這些參數能夠被MATLAB調用。以常見的立方體星為例，各面熱模型的名稱按照坐標系分別命名為PX、PY、PZ、NX、NY、NZ，代表正X艙板、正Y艙板、正Z艙板、負X艙板、負Y艙板、負Z艙板。

為方便用戶操作，采用MATLAB的GUI[12-13]工具建立的衛(wèi)星外熱流計算分析軟件的操作界面，如圖4所示。該界面由初始化、空間環(huán)境設置、計算設置3部分組成?！俺跏蓟钡墓δ苤饕乔謇韮却?，刪除MATLAB工作空間的變量，防止計算出錯。然后通過“讀取文件”功能讀取要分析的衛(wèi)星的熱模型，建立起MATLAB與Thermal Desktop之間的連接。空間熱環(huán)境設置是輸入軌道高度與太陽常數、地球反照率、地球輻射等參數。對于一顆衛(wèi)星來說，軌道高度確定后不用再修改，其他3個參數和要計算的一年中的時刻有關。計算設置要求給出β角的上下限以及步長，計算在某時刻(冬至或者夏至)極限β角變化引起的衛(wèi)星外熱流變化是衛(wèi)星外熱流分析一般都要計算的工況。

圖4 軟件GUI界面

當用戶點擊界面上的“計算”命令后，軟件開始驅動Thermal Desktop進行衛(wèi)星的外熱流計算。MATLAB會在每個工況計算完成后，分析數據并計算，然后進行下一個工況計算，最后軟件輸出一個Excel文件，包含了各個工況下每個艙板的軌道周期平均外熱流和總外熱流。整個過程不需要人工參與，只需要等待結果輸出。

3 軟件計算驗證

為比較本文涉及的衛(wèi)星外熱流多工況自動分析計算軟件與原有計算方法的之間計算時間的差異和結果的準確性。建立了一個衛(wèi)星模型進行外熱流分析。

衛(wèi)星為長方體構型，空間熱環(huán)境參數如表1所示。分別使用原有分析方法和本文開發(fā)的軟件計算0°、5°、10°、15°、20°5個β角工況的衛(wèi)星外熱流。

表1 空間熱環(huán)境參數

圖5是軟件最后輸出的計算結果，輸出文件中給出了每個工況的β角，各面的軌道周期平均外熱流和衛(wèi)星表面總外熱流。數據格式簡潔明了，可以直接用于衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)的分析和設計，節(jié)省設計人員的時間。

圖5 輸出的結果文件

為比較所開發(fā)軟件的外熱流計算準確性與計算速度，給出兩種方法在每個β角下每個面的計算結果之間的相對誤差，并且對它們的計算時間進行了統(tǒng)計。結果如表2所示。

表2 軟件與原有方法計算結果對比

從計算結果上來看，本文開發(fā)的軟件與原有方法計算結果相對誤差很小。在絕對值上的差異最大也只有4 W·m2?？偀崃髯畲蟛町悶? W·m2，這說明本文開發(fā)的軟件計算準確，完全能夠代替原有方法進行計算。這是因為在計算過程中有些計算誤差被舍去。軟件計算的結果完全可以替代。從計算耗費時間上來看，軟件所需時間僅為1 min 6 s，而手動后處理時間需要15 min，本文開發(fā)的軟件計算時間僅為原有方法的7%。實際應用中，如果計算的β角工況更多，手動后處理所耗費的時間達到數小時，并且由于疲勞性，計算中帶來的錯誤也不可避免，并且難以察覺。而本文開發(fā)的軟件能夠精準識別每次工況進行計算，不存在疲勞性和手動誤差。因此從準確性和計算速度以及最后輸出的文件來看，本文開發(fā)的衛(wèi)星外熱流多工況計算工具具有顯著的優(yōu)越性。

通過MATLAB的接口功能和強大的數學計算能力，編寫的面向用戶的GUI友好界面，計算衛(wèi)星外熱流的所有輸入參數都在這個界面可以輸入。通過MATLAB和Thermal Desktop的接口，MATLAB可將用戶通過GUI界面輸入的參數輸入到Thermal Desktop中，控制Thermal Desktop計算不同輸入工況下的外熱流。MATLAB的分析模塊可從Thermal Desktop的輸出結果中抓取數據，計算分析，輸出所需格式的外熱流數據文件。通過MATLAB減少了人為對Thermal Desktop的操作，實現(xiàn)了多工況自動計算分析。

4 結 語

本文為解決原有的計算衛(wèi)星外熱流工作量大，手動處理易出錯的問題，基于MATLAB與Thermal Desktop接口開發(fā)了衛(wèi)星外熱流多工況自動計算分析軟件。與原有計算方法比較，該軟件用戶操作界面簡單，計算準確，避免了手動后處理帶來的計算錯誤，計算時間僅是原有方法的7%左右。該軟件已經在衛(wèi)星設計中得到實際應用。