一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法及系统与流程

1.本发明属于热控领域，涉及一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法。


背景技术：

2.空间外热流是指卫星在外层空间轨道运行时，到达其外表面上的各种空间辐射热源。外热流的变化会造成卫星内部载荷以及关键器件的温度波动，是卫星以及载荷在设计研发阶段需要详细研究的因素，是进行空间环境适应性研究以及热设计的依据。卫星及载荷的热设计在地面都需要通过热平衡试验进行验证，空间外热流模拟是热平衡试验的一个重要试验条件。由于在轨运行期间，空间外热流随时间不断变化，空间外热流模拟的准确性对热平衡试验结果的正确与否有重要影响。目前绝大多数卫星及载荷的外热流分析是将外热流作为随卫星的运动轨道、姿态和形态变化的动态量，但忽略了外热流在探测频率方面的波动。
3.引力波探测与频率相关，空间引力波探测载荷主要用于探测mhz～hz频段的引力波，可应用于双黑洞碰撞合并、双中子星碰撞合并等大质量天文时间的观测。1990年欧空局提出lisa计划。国内2014年提出天琴计划，2016年提出太极计划。引力波探测由于其超高灵敏度探测需求，对卫星及载荷的内部关键器件的温度稳定性也提出了严苛的要求，特别是需要考虑mhz～hz频段的温度涨落影响。空间引力波探测的低频频率需要达到0.1mhz，由轨道运动等引起的太阳外热流变化虽然数值大，但对mhz～hz频段温度涨落影响较小。对于lisa、太极计划等日心轨道引力波探测方案，太阳热流是主要影响因素，并且在mhz～hz频段的变化主要来自于太阳常数的涨落。太阳常数的涨落δs(f)采用太阳常数涨落的频谱函数来描述，其中f代表探测频率，一般在0.1mhz～1hz，s为太阳常数。探测频率越低，太阳涨落对系统的影响越大，在0.1mhz时，δs(f)引入的涨落大概在0.3％左右，对卫星和载荷内部关键器件的温度波动造成影响。由于目前的热外流模拟过程中的太阳热流变化是不随探测频率变化的，因此针对引力波探测载荷需要在热平衡阶段考虑太阳常数涨落随探测频率变化情况的模拟。
4.目前技术成果大多基于轨道、姿态来模拟外热流大小，不涉及与探测频率相关的外热流涨落的模拟。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法及系统，解决了现有卫星和空间载荷的外热流模拟方法不能随探测频段变化的问题，提供了一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，面向低频空间引力波探测应用，可准确模拟0.1mhz～1hz区间的低频太阳辐射外热流的变化情况，准确性高且易于工程实现。；
6.本发明的技术方案是：一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，包括：
7.根据探测频段需求区间[f1,fn]，设置一个n
×
1的等差递增序列{fi},i＝1,2,
…
,n，f1为正实数且是探测频段需求区间中的最小值，fn为正实数且是探测频段需求区间中的最大值，n为正整数；
[0008]
设置一个n
×
1的等差递增时间序列{tk}，k＝1,2,
…
,n；设t1＝0，tk＝(k-1)
×
δt；t＝tn计为1个计时周期；
[0009]
针对热环境试验的观测时间长度需求，将总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝tn,不足一个计时周期的计为一个计时周期；则t
tot
＝(m-1)tn+(p-1)δt，m、p为正整数且p《n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作ηj，j＝1,2,
…
,m；则ηj为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；
[0010]
依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]表示观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n；
[0011]
根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳辐射强度平均值sj合并成太阳常数序列sj+real(δs(t
j,k
))；
[0012]
采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流，并按照时间先后顺序加载在卫星上。
[0013]
等差递增序列{fi}中，相邻两个频率的频率差为(f
n-f1)/n。
[0014]
等差递增时间序列{tk}中，相邻两个时间的时间差δt为1/fn。
[0015]
太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)生成的具体步骤包括：
[0016]
根据卫星轨道及太阳矢量与卫星轨道面的夹角β，确定太阳辐照区域的太阳辐射强度平均值sj，j＝1,2
…
,m；
[0017]
计算得到t
j,k
时刻的太阳常数涨落：
[0018][0019]
其中，δs(t
j,k
)取实部real(δs(t
j,k
))作为t
j,k
时刻的太阳常数涨落的输入值。
[0020]
所述按照时间先后顺序加载在卫星上，具体加载方法，根据太阳辐射外热流序列的大小改变贴在卫星太阳辐射区域的加热片的电流，电流每δt时间更新一次，从而实现特定探测频率区间下太阳辐射外热流的模拟。
[0021]
一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，包括：
[0022]
第一模块，根据探测频段需求区间[f1,fn]，设置一个n
×
1的等差递增序列{fi},i＝1,2,
…
,n，f1为正实数且是探测频段需求区间中的最小值，fn为正实数且是探测频段需求区间中的最大值，n为正整数；
[0023]
第二模块，设置一个n
×
1的等差递增时间序列{tk}，k＝1,2,
…
,n；设t1＝0，tk＝(k-1)
×
δt；t＝tn计为1个计时周期；
[0024]
第三模块，针对热环境试验的观测时间长度需求，将总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝tn,不足一个计时周期的计为一个计时周期；则t
tot
＝(m-1)tn+(p-1)δt，m、p为正整数且p《n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作ηj，j＝1,2,
…
,m；则ηj为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；
[0025]
第四模块，依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]表示观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n；
[0026]
第五模块，根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳辐射强度平均值sj合并成太阳常数序列sj+real(δs(t
j,k
))；
[0027]
第六模块，采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流，并按照时间先后顺序加载在卫星上。
[0028]
等差递增序列{fi}中，相邻两个频率的频率差为(f
n-f1)/n。
[0029]
等差递增时间序列{tk}中，相邻两个时间的时间差δt为1/fn。
[0030]
太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)生成的具体步骤包括：
[0031]
根据卫星轨道及太阳矢量与卫星轨道面的夹角β，确定太阳辐照区域的太阳辐射强度平均值sj，j＝1,2
…
,m；
[0032]
计算得到t
j,k
时刻的太阳常数涨落：
[0033][0034]
其中，δs(t
j,k
)取实部real(δs(t
j,k
))作为t
j,k
时刻的太阳常数涨落的输入值。
[0035]
所述按照时间先后顺序加载在卫星上，具体加载方法，根据太阳辐射外热流序列的大小改变贴在卫星太阳辐射区域的加热片的电流，电流每δt时间更新一次，从而实现特定探测频率区间下太阳辐射外热流的模拟。
[0036]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0037]
(1)同现有空间外热流模拟方法对比，本发明考虑了与探测频率相关的热流模拟情况，提出了一种太阳常数涨落的随机序列产生方法及系统，根据太阳常数涨落随机序列计算相应的太阳辐射外热流序列，并采用改变加热片电流的方式加载在卫星上，能够有效针对引力波探测等对探测频率敏感的应用领域。
[0038]
(2)同现有空间外热流模拟方法对比，现有方法往往忽略太阳常数的涨落变化，将太阳常数作为一个恒定值或者缓变值，最小时间分辨率在6小时以上。本发明产生的太阳常数涨落随机序列的时间间隔由最大探测频段的倒数来确定，针对0.1mhz～1hz探测频段区间，太阳常数的最小时间分辨率达到1s，并采用改变电流大小的方法加载在卫星上，充分模拟太阳常数的波动过程。
附图说明
[0039]
图1是本发明方法的流程框图。
[0040]
图2是本发明方法产生的太阳常数涨落随机序列
[0041]
图3是本发明方法产生的太阳常数涨落随机序列的频谱函数统计结果。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0043]
实施例1：
[0044]
本发明提出了一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，针对空间引力波探测频段0.1mhz～1hz，产生符合一定频谱函数的太阳常数涨落序列，继而计算出相应的太阳辐射外热流序列，作为卫星表面太阳辐射外热流加载的依据。本发明方法的流程框图如图1所示。
[0045]
步骤一，根据探测频段需求区间[f1,fn]，设置一个n
×
1的等差递增序列{fi},i＝1,2,
…
,n，且相邻两个频率的频率差为(f
n-f1)/n。根据空间引力波对探测频段0.1mhz～1hz的探测需求，优选的，f1＝0.1mhz，fn＝1hz，n＝10000。{fi}是一个等差递增序列，且相邻两个频率的频率差为δf＝0.1mhz。
[0046]
步骤二，设置一个n
×
1的时间等差递增序列{tk}，k＝1,2,
…
,n，且相邻两个时间的时间差δt为1/fn；设t1＝0，tk＝(k-1)
×
δt。t＝tn计为1个计时周期。根据空间引力波对探测频段0.1mhz～1hz的探测需求，优选的，t1＝0，δt＝1s，tn＝10000s，n＝10000，并且t＝10000s计为1个计时周期。
[0047]
步骤三，针对热环境试验的观测时间长度需求，总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝tn,不足一个计时周期的计为一个计时周期；t
tot
＝(m-1)tn+(p-1)δt，m、p为正整数且p《n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作ηj，j＝1,2,
…
,m；则ηj为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；
[0048]
步骤四，
[0049]
依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]是观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n。
[0050]
太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)生成的具体步骤如下：
[0051]
第一步，根据日地距离及太阳黑子活动周期，确定t
j,k
时刻的太阳常数平均值sj，j＝1,2
…
,m；sj在第j个计时周期内是一个恒定值。
[0052]
第二步，计算得到t
j,k
时刻的太阳常数涨落
[0053][0054]
其中，δs(t
j,k
)取实部real(δs(t
j,k
))作为t
j,k
时刻的太阳常数涨落的输入值；
[0055]
步骤五，根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳常数平均值sj合并成太阳常数序列sj+real(δs(t
j,k
))。
[0056]
步骤六，采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流。
[0057]
按照时间先后顺序加载在卫星上。具体加载方法在需要模拟外热流的区域粘贴薄膜型聚酰亚胺加热片，通过程控电源控制加热片的电流以改变加载的热量，随时间调整电流值，从而实现特定探测频率区间下太阳辐射外热流的模拟。
[0058]
依据本发明方法产生多组太阳常数涨落的随机序列。图2显示了四组随机序列real(s(t))/(1.3
×
10-4
s)的结果，对应的观测时长为1个计数周期。图3显示了对十组随机序列求平均后进行傅里叶变换，统计得到的太阳常数涨落频谱，与待模拟的(fi/hz)-1/3
频谱曲线一致。
[0059]
此外，本发明还涉及一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，包括：
[0060]
第一模块，根据探测频段需求区间[f1,fn]，设置一个n
×
1的等差递增序列{fi},i＝1,2,
…
,n，f1为正实数且是探测频段需求区间中的最小值，fn为正实数且是探测频段需求区间中的最大值，n为正整数；
[0061]
第二模块，设置一个n
×
1的等差递增时间序列{tk}，k＝1,2,
…
,n；设t1＝0，tk＝(k-1)
×
δt；t＝tn计为1个计时周期；
[0062]
第三模块，针对热环境试验的观测时间长度需求，将总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝tn,不足一个计时周期的计为一个计时周期；则t
tot
＝(m-1)tn+(p-1)δt，m、p为正整数且p《n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作ηj，j＝1,2,
…
,m；则ηj为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；
[0063]
第四模块，依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]表示观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n；
[0064]
第五模块，根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳辐射强度平均值sj合并成太阳常数序列sj+real(δs(t
j,k
))；
[0065]
第六模块，采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流，并按照时间先后顺序加载在卫星上。
[0066]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，其特征在于，包括：根据探测频段需求区间[f1,f
n
]，设置一个n
×
1的等差递增序列{f
i
},i＝1,2,
…
,n，f1为正实数且是探测频段需求区间中的最小值，f
n
为正实数且是探测频段需求区间中的最大值，n为正整数；设置一个n
×
1的等差递增时间序列{t
k
}，k＝1,2,
…
,n；设t1＝0，t
k
＝(k-1)
×
δt；t＝t
n
计为1个计时周期；针对热环境试验的观测时间长度需求，将总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝t
n
,不足一个计时周期的计为一个计时周期；则t
tot
＝(m-1)t
n
+(p-1)δt，m、p为正整数且p<n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作η
j
，j＝1,2,
…
,m；则η
j
为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]表示观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n；根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳辐射强度平均值s
j
合并成太阳常数序列s
j
+real(δs(t
j,k
))；采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流，并按照时间先后顺序加载在卫星上。2.根据权利要求1所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，其特征在于，等差递增序列{f
i
}中，相邻两个频率的频率差为(f
n-f1)/n。3.根据权利要求1所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，其特征在于，等差递增时间序列{t
k
}中，相邻两个时间的时间差δt为1/f
n
。4.根据权利要求1所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，其特征在于，太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)生成的具体步骤包括：根据卫星轨道及太阳矢量与卫星轨道面的夹角β，确定太阳辐照区域的太阳辐射强度平均值s
j
，j＝1,2
…
,m；计算得到t
j,k
时刻的太阳常数涨落：其中，δs(t
j,k
)取实部real(δs(t
j,k
))作为t
j,k
时刻的太阳常数涨落的输入值。5.根据权利要求1所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，其特征在于，所述按照时间先后顺序加载在卫星上，具体加载方法，根据太阳辐射外热流序列的大小改变贴在卫星太阳辐射区域的加热片的电流，电流每δt时间更新一次，从而实现特定探测频率区间下太阳辐射外热流的模拟。6.一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，其特征在于，包括：第一模块，根据探测频段需求区间[f1,f
n
]，设置一个n
×
1的等差递增序列{f
i
},i＝1,2,
…
,n，f1为正实数且是探测频段需求区间中的最小值，f
n
为正实数且是探测频段需求区间中的最大值，n为正整数；第二模块，设置一个n
×
1的等差递增时间序列{t
k
}，k＝1,2,
…
,n；设t1＝0，t
k
＝(k-1)
×
δt；t＝t
n
计为1个计时周期；第三模块，针对热环境试验的观测时间长度需求，将总的观测时间t
tot
分成m个计时周期，每个计时周期的时间长度为t＝t
n
,不足一个计时周期的计为一个计时周期；则t
tot
＝(m-1)t
n
+(p-1)δt，m、p为正整数且p<n；m个计时周期分别产生m个随机数，记作η
j
，j＝1,2,
…
,m；则η
j
为在[0,1]区间内均匀分布的随机数；第四模块，依次产生t
tot
长度观测时间所对应的太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)，其中t
j,k
∈[0,t
tot
]表示观测时间序列中第j个计时周期内的第k个观测时刻，且t
j,k
＝(j-1)t+(k-1)δt,j＝1,2,
…
，m，k＝1,2,
…
n；第五模块，根据热环境试验的观测时间要求，将太阳常数涨落的输入值real(δs(t
j,k
))与太阳辐射强度平均值s
j
合并成太阳常数序列s
j
+real(δs(t
j,k
))；第六模块，采用热分析软件设置轨道，输入轨道六要素以及太阳常数序列，建立卫星外结构模型，计算分析不同工况下卫星各个方向达到的外热流，并按照时间先后顺序加载在卫星上。7.根据权利要求6所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，其特征在于，等差递增序列{f
i
}中，相邻两个频率的频率差为(f
n-f1)/n。8.根据权利要求6所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，其特征在于，等差递增时间序列{t
k
}中，相邻两个时间的时间差δt为1/f
n
。9.根据权利要求6所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，其特征在于，太阳常数涨落序列δs(t
j,k
)生成的具体步骤包括：根据卫星轨道及太阳矢量与卫星轨道面的夹角β，确定太阳辐照区域的太阳辐射强度平均值s
j
，j＝1,2
…
,m；计算得到t
j,k
时刻的太阳常数涨落：其中，δs(t
j,k
)取实部real(δs(t
j,k
))作为t
j,k
时刻的太阳常数涨落的输入值。10.根据权利要求6所述的一种随探测频段变化的空间外热流模拟系统，其特征在于，所述按照时间先后顺序加载在卫星上，具体加载方法，根据太阳辐射外热流序列的大小改变贴在卫星太阳辐射区域的加热片的电流，电流每δt时间更新一次，从而实现特定探测频率区间下太阳辐射外热流的模拟。

技术总结
本发明提出一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法及系统，属于引力波探测卫星空间外热流模拟领域。针对空间引力波探测频段0.1mHz～1Hz区间，产生一组符合太阳常数涨落频谱函数的随机数组来模拟太阳常数涨落序列，太阳常数涨落的随时变化导致太阳辐射外热流的随时变化。根据计算得到的太阳辐射外热流序列，改变卫星表面电加热片的电流，实现随探测频段变化的外热流的加载。本发明方法解决了现有卫星和空间载荷的外热流模拟方法不能随探测频段变化的问题，提供了一种随探测频段变化的空间外热流模拟方法，面向低频空间引力波探测应用，可准确模拟0.1mHz～1Hz区间的低频太阳辐射外热流的变化情况，准确性高且易于工程实现。实现。实现。


技术研发人员：杨颂 徐娜娜 郑永超 雷子昂 王子豪 吕红 杨孟婕 林栩凌 孙倩 尚卫东 郑国宪 王玉强
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/20