推荐论文｜基于热模型相关性验证的火面情形热平衡试验

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张冰强，薛淑艳，周晓舟.基于热模型干系性验证的火面环境热平衡试验[J].中国空间科学技能（中英文）,2024,44(4):142-152.

ZHANG B Q，XUE S Y，ZHOU X Z.Thermal test of Martian environment based on thermal model correlation verification[J].Chinese Space Science and Technology, 2024,44(4):142-152(in Chinese).

航天器热平衡试验是在仿照空间热心况条件下，验证航天器热数学模型和热设计的精确性、考察航天器热控分系统功能的试验。
常用方法是在环境仿照器中仿照服役状态的真空、低温和辐射热流条件，直接验证航天器热控的功能和性能。
近年来对繁芜航天器的试验方法和热数学模型的干系性改进方面有了进一步研究。
空想的火星表面（简称火面）热心况包括：①太阳辐射环境，太阳辐射传输受大气、尘埃以及水冰云等成分影响而产生散射和接管效应，其强度范围为0~717W/m^{2，入射角在±90°间变革；②大气环境，大气状态量有气压、温度（日变革-123～27℃）、风速（0～15m/s的）等；③火面，火面反射太阳辐射，并与航天器产生辐射换热。
火面的特性有太阳接管率和红外发射率、热物性，及温度日变革；④火星天空，天空温度日变革对航天器产生红外辐射。
目前地面试验限定在于难以在有限空间同时仿照每个火星日昼夜高达100℃的变温强制对流、大气/火面/天空各自温度的日变革、太阳逐日的轨迹变革和阳光散射效应等，从而导致常规真空环境下的热平衡试验方法难以适用于火面探测器。}

针对以上问题，美国海盗号基于氩气采取仿照航天器自身温度包络线的方法，并通过改变气体身分、气压、气温边界等方法补偿对流和辐射仿照不充分的问题，而后索杰纳、机遇号/勇气号、好奇号/毅力号等逐步发展为基于静态氮气的简化的稳态、瞬态温度边界条件，并结合在轨实际数据进行参数改动。
其余，ESA的小猎犬2号也进行了地面热平衡试验探索，包括真空变温边界瞬态、静态气氛下定温边界稳态试验和10m/s风速下的定温边界稳态试验。
火面仿照条件包括火面砂石床、太阳仿照器（0~600W/m^{2，垂直照射）、气氛（700Pa的CO_{2）、调温火面仿照装置和大气（-75~0℃）、仿照天空（-100℃）。
已有文献中，从火星大气替代、火星气温和天空温度、太阳辐射条件和火面热物性仿照等多方面进行了深入研究。
由于国内外火面环境仿照技能特点不同，需办理不同试验条件下的试验方法适应性及试验验证充分性等问题。}}

中国首辆火星车祝融号将在火面开展科学探测，亟须进一步研究如何在不完备仿照服役热心况条件下的航天器热设计验证方法。
本文在火面航天器热数学模型建模的根本上，开展基于验证热剖析模型的热平衡试验方法研究。
重点从试验事理、试验设计、试验系统和条件、热网络系数改动和试验评价等方面进行系统研究，并运用于祝融号火星车火面热平衡试验。

2.文章梗概

针对热平衡试验中难以综合仿照火脸庞杂多变服役热心况的困难，建立一种基于热模型干系性验证的热平衡试验方法。
采取真空、低压变温自然对流和低压定温强制对流验证相结合的办法，验证高低温条件下热剖析模型的对流、导热、辐射网络系数和热容等参数，并由干系性考验后的热剖析模型验证设计的精确性。
结果表明，板温度高于气温11～86℃条件下（气温-91℃）的自然对流传热系数为0.19～0.57W/（m2·K），4～15m/s风速下的强制对流换热系数为1.24～2.4W/（m2·K）改动后的热剖析模型与试验结果偏差在±3.5℃以内。
该方法在不完备仿照服役热心况条件下实现航天器热设计验证，供应有效的热剖析模型，已成功运用于祝融号火星车热平衡试验。

3.总结与展望

针对热平衡试验中难以综合仿照火脸庞杂多变服役热心况的困难，建立一种基于热模型干系性验证的热平衡试验方法，地面试验验证和热剖析模型干系性考验表明：

1）该方法通过数学模型建模、参数影响剖析和参数分步验证设计、试验条件构建、热模型干系性考验等步骤，分步验证了热剖析模型中不愿定参数，并通过热剖析模型干系性考验验证了热剖析模型，终极以改动后的热剖析模型实现航天器热设计验证。

2）该方法在祝融号火星车上的运用实例验证了其有效性，对其他难以直接仿照环境试验条件的热平衡试验具有一定借鉴意义。