本文是学习GB-T 34515-2017 航天器热平衡试验方法. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了航天器热平衡试验目的、试验要求、热模拟方法、试验工况、数据测量、试验设备、试验
程序、试验中断及处理、试验评价与数据利用等。
本标准适用于航天器系统级、分系统级和舱段级热平衡试验。
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GB/T 29085—2012 卫星防污染技术要求
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
热平衡试验 thermal balance test
在模拟空间环境条件下，验证航天器热设计和热分析模型、考核航天器热控功能的热试验。
3.2
空间外热流 orbital heating
航天器在空间运行时，投射到航天器外表面的来自太阳和行星的热辐射。
3.3
红外辐射加热器 infrared radiation heater
由红外辐射源组成的辐射加热装置，有红外灯阵、红外加热笼、红外加热板及红外加热棒等。
3.4
接触式电加热器 contact electrical resistance
heater
粘贴在试验模型表面或内部，模拟表面吸收热流或内热源的电加热器，通常为康铜薄膜加热器。
3.5
太阳模拟器 solar simulator
模拟太阳辐射特性(辐照不稳定度、辐照不均匀度、辐照度、光谱辐照度和光束准直角)的光学装置。
主要由测量系统、光学系统、机械结构系统和电控系统等组成。
3.6
运动模拟器 motion simulator
空间环境模拟室内用于模拟航天器相对太阳辐射各种姿态的机械装置。
3.7
入射热流法 incident flux simulating method
模拟入射到航天器表面的空间外热流、光谱及方向的方法。
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3.8
吸收热流法 absorbed flux simulating method
模拟航天器表面吸收空间外热流的方法。
3.9
工况 case
由航天器的空间热环境和航天器上仪器设备的工作模式相组合的一定工作状态。
3.10
热分析模型 thermal analytical model
描述航天器在规定的工作状态和运行环境下传热和流体流动的数学模型，包括针对热试验状态建
立的试验热分析模型，以及针对在轨工作状态建立的设计热分析模型。
3.11
试验模型 test model
用于热平衡试验的航天器或舱段的物理模型。
3.12
高温工况 hot case
设备预示温度达到寿命周期内最高值的工况。
3.13
低温工况 cold case
设备预示温度达到寿命周期内最低值的工况。
3.14
温度监测点 temperature monitor point
用于判断热平衡试验温度稳定的试验模型上有代表性的温度测量点。
航天器热平衡试验目的如下：
a) 验证航天器热设计的正确性；
b) 验证航天器热分析模型的正确性，并为修正热分析模型提供数据。
试验模型一般应满足如下要求：
a)
外形结构、材料、仪器设备布局、电缆网、各种热控措施及产品应符合研制状态要求；
b)
仪器设备的外形尺寸、表面状态、安装连接方式、内部发热量和热容量应符合研制状态要求；
c)
考虑到试验设备能力、安全及仪器设备的特殊要求，允许个别仪器设备使用热性能参数符合要
求的工艺件、鉴定件或模拟件来代替；
d) 外表面涂层的热性能应与研制状态相同；
e)
大型天线、太阳翼等外部组件可以不参加试验，但对试验的影响应予以评估，并根据需要在热
边界模拟中采取相应措施；
f)
有密封舱段的试验模型，在试验时，应采取相应措施抑制密封舱内气体自然对流的影响；
g)
与试验模型有换热但不参加试验的部分，可采用替代结构参加试验并模拟热边界；
h) 推进剂贮箱内一般应充注保护气。
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空间环境模拟室体积的大小应满足如下要求：
a)
采用入射热流法时，空间环境模拟室与试验模型特征尺寸(如长度、直径等)之比不应小于3;
b)
采用吸收热流法时，空间环境模拟室与试验模型特征尺寸(如长度、直径等)之比不应小于2。
试验模型安装在空间环境模拟室内应综合考虑如下因素：
a) 安装方式与方位；
b) 空间环境模拟室形式(立式、卧式);
c) 试验模型上热管的布局与走向，使热管水平放置或使热管能够正常工作；
d) 主要散热面方位；
e) 试验模型外形尺寸；
f) 外热流模拟装置的布局和结构形式。
应设有供试验前后对试验模型进行测试或其他试验操作的工作间，工作间环境应满足如下要求：
a) 温度：15℃~25℃;
b) 压力：78 kPa～103 kPa;
c) 相对湿度：30%～60%;
d) 洁净度：优于100000级；
e) 有机污染物的种类和量值满足相关技术要求。
空间环境模拟室内和试验操作工作间的接地电阻不应大于1.0 Ω。
一般有如下可供选择的外热流模拟方法：
a) 入射热流法；
b) 吸收热流法；
c) 以上两种方法的结合。
6.1.2 外热流模拟装置类型及控制方式
外热流模拟装置类型及控制方式如下：
a) 太阳模拟器： 一般按要求控制入射热流方向。
b) 红外辐射加热器：以辐射热流计测量辐射热流为目标进行控制。
c) 接触式电加热器：按要求的功率对加热回路电流进行闭环控制。
根据试验模型特点(如大小、形状、散热面部位、散热面涂层类型等)可以选用一种或多种外热流模
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拟装置的组合来实现外热流模拟。
选用外热流模拟装置的主要原则如下：
a) 应与试验设备的能力相适应；
b) 应具有满足试验要求的外热流模拟精度；
c) 能适应试验模型外形及表面涂层类型；
d) 易于实现。
内热源模拟的一般应满足如下要求：
a) 一般选用接触式电加热器和其他热控措施相结合进行模拟；
b)
模拟航天器上仪器设备工作模式，包括连续工作恒定发热、连续工作非恒定发热、间断工作等
模式。
根据内热源发热模式、模拟外热流及其他热边界条件，
一般可组合成如下4种试验工况：
a) 稳态工况：内热源、模拟外热流及其他热边界条件均为恒定值；
b)
准稳态工况：内热源按照设定的周期变化模式工作，模拟外热流及其他热边界条件均为恒
定值；
c)
周期性瞬态工况：内热源按照设定的周期变化模式工作，模拟外热流及其他热边界条件按照轨
道周期变化模式工作；
d)
瞬态工况：在规定的时间内，内热源、模拟外热流或其他热边界条件按照非周期变化模式工作。
对周期性瞬态工况或准稳态工况，试验一般按航天器运行的轨道周期进行。可以按一个运行轨道
周期内热源工作模式和模拟外热流重复进行若干个周期的循环试验，直至试验模型的温度达到周期稳
定。也可以若干个轨道周期作为一个试验周期，连续重复进行若干个试验周期的循环试验，直至试验模
型的温度达到周期稳定。
确定试验工况的原则如下：
a) 试验工况应获得足以支持热分析模型验证和飞行任务预示所需的关键参数；
b) 对于直接验证热控设计的试验，至少应包括高温工况和低温工况；
c) 对仅验证热分析模型的试验， 一般应包括瞬态工况；
d)
外热流或其他热边界条件随时间的变化对航天器温度影响较大时采用周期性瞬态或瞬态工
况，否则应采用稳态或准稳态工况。
判定试验工况是否稳定，主要依据试验温度监测点的温度变化情况来决定。同时，也应考虑非监测
点的温度变化情况，对尚未达到稳定且变化率又较大的温度测点，应分析其原因并评估对试验温度稳定
的影响程度，然后综合做出温度稳定判断。
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温度监测点的温度变化符合下列条件之一，认为试验温度达到稳定：
a) 在连续4 h 内，波动值优于±0.5℃;
b) 在连续4 h 内，单调变化值不大于0.1℃/h。
在连续4个试验运行周期的对应时刻，监测点温度值的变化应保持在±1.0℃内，认为试验温度达
到稳定。
瞬态工况为定时试验，即当试验时间达到该试验工况规定的持续时间时，试验工况结束。
选用太阳模拟器进行航天器热平衡试验时，应在试验前对空间环境模拟室内的太阳光谱辐射热流
(即辐照度)进行测量。试验前还应对空间环境模拟室的辐照度的不稳定度、不均匀度、光谱辐照度和光
束准直角进行测量。
一般使用光电探测器(硅光电池片)监测辐照度和辐照度不稳定度。
用绝对辐射计测量辐照度，用光谱辐射计测量光谱辐照度，用准直角仪测量光束准直角，用光电探
测器、记录仪、数字显示器测量不均匀度和不稳定度。所有测量仪器应经过计量部门检定合格，并在有
效期内使用。
绝对辐射计应满足如下要求：
a) 测量谱段：250 nm～2500 nm;
b) 测量范围：0 W/m²~4000 W/m²;
c) 标定不确定度：不大于3%(包含因子k=2)。
在热平衡试验过程中，
一般只用光电探测器(硅光电池片)监测辐照度和辐照不稳定度。
试验时，在试验模型表面各等热流区内，可布置一个或多个热流计，其布点位置应能代表该区域的
平均热流密度。热流计的布置数量和位置还应在测量充分和减少对施加热流遮挡间权衡。
使用红外辐射热流计测量红外辐射热流，红外辐射热流计应满足如下要求：
a)
用作控制点的辐射热流计应布置在典型位置，且能代表该区的平均热流密度；
b)
热流计敏感面侧面方向的漏热应可忽略，厚度方向上的漏热应当可忽略或可确定；
c)
热流计敏感面表面涂层应与被测表面涂层相同，当监测热流为远红外谱段时也可使用不同涂
层，但要求其发射率H 不低于0.9;
d) 测量精度应优于5 W/m²。
一般情况下，采用加热回路的电阻值和电流测量值计算加热功率。加热功率控制应满足如下要求：
a) 回路电流不少于1.1 A 时，功率误差应不大于±2%;
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b) 回路电流大于0.5 A、小于1. 1 A 时，功率误差应不大于±3.5%;
c) 回路电流大于0.3 A、小于0.5 A 时，功率误差应不大于±5%。
热平衡试验的温度测量包括试验模型和试验设备的温度测量。
温度测量应满足如下要求：
a) 选用灵敏度高、稳定性好、热惯性小，能在真空下正常工作的温度传感器；
b) 温度传感器和测量仪器应经过计量部门检定，并在有效期内使用；
c) 温度传感器的引线应采取隔热措施，尽可能沿等温区走线；
d) 温度测量总误差不应大于±0.5℃,测量周期一般不应大于1 min。
试验模型测温点的布点原则如下：
a) 与热分析模型的计算节点位置相对应；
b) 与飞行遥测点位置相对应；
c) 在条件允许时，多布测温点。
试验设备测温点的布点原则如下：
a) 空间环境模拟室内热沉表面不同部位应布置测温点并有备份；
b) 与试验模型有接口关系的设备应布置测温点；
c) 其他试验装置根据需要布置测温点。
空间环境模拟室内压力测量的原则如下：
a)
应根据空间环境模拟室的压力变化范围选用真空计，且满足寿命要求和可靠性要求；
b) 真空计应满足不确定性和重复性要求；
c) 真空规管应布置在空间环境模拟室内，开口面的朝向应合理；
d) 真空规管应在模拟室内均布，满足一定的数量要求，并有备份；
e) 真空压力测量应采用计算机控制的测量系统进行压力测量；
f) 真空计和测量仪器应经过计量部门检定，并在有效期内使用。
试验模型对污染敏感的设备附近和空间环境模拟室内应安装石英微量天平、光学试片或污染取样
板等装置，用于检测试验模型和试验设备的放气污染情况。污染测量装置及测量仪器应经过计量部门
检定，并在有效期内使用。
空间环境模拟室应满足如下要求：
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a) 空间环境模拟室压力不应高于6.65×10-³Pa
或试验要求的其他压力(如火星表面环境压力);
b) 热沉表面温度不应高于100 K 或试验要求的其他温度；
c) 热沉朝向试验模型的表面对太阳光的吸收比 as
不应小于0.95,半球向发射率 不应小于 0.90;
d) 空载时，空间环境模拟室内的背景热流不应大于10 W/m²;
e) 空间环境模拟室内应有支吊试验模型的支架、吊点，减少通过支架的漏热；
f)
能提供满足试验要求的测量、供电和信号(低频、高频)传输通道，并减少通过电缆的漏热；
g) 连续空载运行24 h
后，空间环境模拟室内的有机污染物不应超过1×10′g/cm² (取样点温度
为-50℃,压力不应高于6.65×10-3 Pa)。
9.2.1.1
使用太阳模拟器时，应设置模拟地球阴影的可移动热沉或低温闸门和模拟航天器自转或姿态
变化的运动模拟器。太阳模拟器光学特性应满足如下要求：
a) 光束辐照度应在500 W/m²~1700 W/m² 内变化并连续可调；
b) 光束准直角不应大于2°;
c) 空间环境模拟室内光束辐照度的不均匀度应不大于±5%;
d) 光束辐照度的不稳定度应优于±1%/h;
e) 光谱匹配要求按附录 A 执行。
9.2.1.2
若同时使用运动模拟器，运动模拟器一般应满足如下要求：
a) 支撑试验模型承重要求；
b) 自旋速度在0 r/min～10 r/min 内可调，调节精度应不大于±0.05 r/min;
c) 俯仰角度在要求范围内可调，调节精度应不大于0.1°;
d)
自旋运动和俯仰运动都应保证试验模型上各种引线导通良好，不对测试结果带来附加影响；
e) 对试验模型的各种遮挡应尽量小，以减少阴影引起的试验误差；
f) 用液氮冷板屏蔽运动模拟器支架，以减小红外辐射引起的附加热流；
g) 固定试验模型的位置应对准太阳模拟器辐照面的中心。
红外辐射加热器应满足如下要求：
a) 热流密度应满足试验模型相应部位吸收的最大和最小热流值；
b) 红外辐射加热器应满足不均匀度要求，应不大于±10%;
c) 各加热区的热流可独立调节，各加热区之间的热流干扰应小；
d) 红外加热器应安装牢固，红外加热器与支撑结构之间应可靠电绝缘。
接触式电加热器应满足如下要求：
a) 加热功率应满足试验模型相应部位吸收的最大和最小热流值要求；
b) 每个加热区的加热器所覆盖的面积不应小于被加热区面积的90%;
c) 各加热区的热流可独立调节；
d) 接触式电加热器与试验模型之间应可靠电绝缘。
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数据采集及处理装置应满足如下要求：
a) 测量仪器电压最小分辨率不应大于1μV;
b) 具有数据处理和传输功能；
c) 具有抗干扰能力。
直流电源装置应满足如下要求：
a) 输出电压在0 V～150 V 内连续可调；
b) 具有编程功能，电压分层值不应大于50 mV, 电流分层值不应大于10 mA;
c) 直流输出纹波电压应小于10 mV (有效值);
d) 具有过流、过压、短路和断路保护及报警功能。
试验工装应满足如下要求：
a)
试验模型支架应有足够的强度与刚度，承载能力有足够的安全余量，机械接口、热接口应满足
试验要求；
b) 材料出气性能指标应满足 GB/T 29085—2012 中5.6.2.1的 b)、c)的要求；
c) 支架与试验模型对接面应采取隔热措施；
d) 应满足试验模型和红外辐射加热器对安装空间、安装接口的要求；
e) 应具有调整试验模型水平度的能力；
f) 如果需要，试验工装应具备移动能力。
必要时，应在空间环境模拟室配置水平调节装置、水工质收集装置、辅助降温装置(冷板)、电缆控温
装置、微波负载冷却装置、吸波装置、波导控温装置、真空摄像等控制试验状态的辅助结构或设备，以配
合试验进行。
试验前，按照试验设备的运行操作要求对各系统和装置(部件)进行检查，以确保热平衡试验安全可
靠进行。必要时进行全系统联调或试运行。
试验模型状态检查内容应包括：
a) 外观检查；
b) 有漏率要求的舱段和分系统漏率检查；
c) 机械、电气等功能与性能检查；
d) 测温线、加热线和各种信号线检查(导通、绝缘);
e) 外热流测量、温度测量装置检查。
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10.3 试验模型和空间环境模拟室的结合状态检查
试验模型和空间环境模拟室的结合状态检查内容应包括：
a) 检查所有电缆连接状态，及绝缘和导通情况；
b) 检查所有应接地的设备是否正确接地，并测量接地电阻；
c)
当外热流模拟采用红外辐射加热器时，检查红外辐射加热器和外热流回路与相关测温点对应
关系是否正确和是否存在相互干扰；
d) 检查试验模型与试验设备相互之间的电磁干扰。
试验启动内容应包括：
a) 设置试验模型的工作状态；
b) 启动压力测量系统、温度测量系统、污染测量系统；
c) 启动真空抽气系统；
d) 需要时，可进行低气压放电和微放电检测；
e) 启动低温冷却系统；
f) 使用太阳模拟器时，启动太阳模拟系统和运动模拟系统。
对于试验运行过程中可能发生的异常应备有故障预案。试验运行内容应包括：
a) 调节与控制各类参数在规定试验工况所要求的水平上；
b) 定时测量热流、温度及其他性能参数；
c) 按照试验要求进行试验模型测试；
d) 当工况温度稳定判据满足时，该工况结束；
e)
调节与控制各类参数到另一个规定试验工况所要求的水平上，直至所有工况结束。
试验设备停机过程应保证试验模型安全，并采取必要的防污染措施。试验设备停机内容应包括：
a) 使用太阳模拟器时，太阳模拟系统和运动模拟系统停止运行；
b) 低温冷却系统停止运行；
c) 真空抽气系统停止运行；
d) 在容器回温过程中，按照GB/T 29085—2012
中5.6的规定，采取必要的防污染措施；
e)
确定热沉温度和试验模型温度均高于露点温度后，容器开始复压，在复压过程中保持试验模型
密封舱与空间环境模拟室内的压力差在有关技术文件规定的范围内。
试验撤收内容应包括：
a) 空间环境模拟室内压力恢复到试验室气压后，开启空间环境模拟室大门；
b) 试验模型性能和功能检测确认；
c) 断开电缆，对试验模型外观检查和受污染情况检查；
d) 试验模型移出(或吊出)空间环境模拟室。
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在试验过程中，试验设备或试验模型出现故障时，应中断试验，待故障排除后，再继续进行试验。若
故障无法排除，则应进行详细分析并评估对试验结果的影响和是否能达到规定的试验目的，然后做出继
续进行或中断试验的决定。
试验设备故障处理要求如下：
a)
空间环境模拟室内压力高于规定压力时，应中断试验工况，采取真空压力改善措施，压力满足
要求时恢复试验工况，措施无效时终止试验。
b)
空间环境模拟室内热沉温度高于试验要求时，出现下列1)、2)之一应终止试验，其余情况可以
继续试验留待数据分析处理：
1) 热沉温度偏高使试验模型温度可能超出设计范围；
2)
对于直接验证热设计的试验，分析评估试验结果将出现较大偏差且难以修正。
c)
数据采集系统出现严重干扰时不终止试验，仅中断测量。系统正常后继续试验，如无法恢复则
终止试验。
d) 模拟外热流不满足要求时，应综合分析影响，视情况采取如下措施：
1) 不处理，试验数据分析时考虑；
2) 相邻区域热流补偿；
3) 终止试验
试验模型仪器设备出现故障时，对试验没有影响或影响不大，应继续试验。仪器发热功率较大的设
备出现故障时，应视实际情况，进行现场综合分析，决定后续试验进程。
12.1.1 试验误差源
试验误差源一般包括热流模拟误差、试验模型与航天器状态的偏差、外热流及温度测量误差。具体
内容如下：
a)
热流模拟误差。热流模拟方法的局限性、热流计误差、加热器和热流计布置的不恰当等均会引
起试验热流的实际值与要求值之间的偏差，出现热流模拟误差。
b)
试验模型与航天器状态的偏差。试验模型与发射航天器状态之间的差异会引起试验温度的偏
差。这些偏差主要有表面的太阳吸收率、发射率、连接件的接触热阻、多层隔热材料的松紧程
度、仪器设备的工作模式和发热量等方面的偏差。
c)
外热流及温度测量误差。热流计或温度传感器的标定误差、测温系统的误差(系统误差、随机
误差、系统最小分辨力)、热流计或温度传感器与被测面之间的热阻(粘贴工艺不良)和电缆引
线漏热等均可引起温度测量误差。使用太阳模拟器时，绝对辐射计的标定误差、光电探测器的
测量误差、运动模拟器带来的测量误差。
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12.1.2 能量平衡计算及误差分析
试验结束后，应对试验误差源进行试验工况能量平衡综合分析，比较试验模型吸收和辐射的热量的
差异，按照不同的试验模型状态和选用的外热流模拟方法，试验模型吸收和辐射热量的差值与吸收热量
的比值，应在±10%范围内。
在完成试验模型的能量平衡、误差分析后，应对热平衡试验按如下要求做出评价：
a)
试验中，试验模型和试验设备的各主要参数是否满足试验要求和本标准规定的指标；
b) 试验记录及试验数据是否完备；
c) 试验是否达到预期目的。
热平衡试验开始前应建立热分析模型，热分析模型应与试验模型状态相符。试验运行中，利用获取
的热沉温度、外热流实测值、热边界测量值等数据作为边界条件，开展热分析模型与试验相关性验证、热
分析模型修正。
对热分析模型的修正适用于全部试验工况，修正参数应在合理范围内。热分析模型修正完成后，应
将修正参数配置到热分析模型中，用于预示航天器在轨飞行温度。
热平衡试验完成后，应编制试验报告，试验报告应经过评审。试验报告应包括如下内容：
a) 试验目的；
b) 试验产品技术状态；
c) 试验技术状态；
d) 试验工况；
e) 试验过程；
f) 试验异常情况及处理；
g) 试验结果与分析；
h) 热分析模型修正；
i) 试验评价；
j) 热设计修改建议；
k) 结论。
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(规范性附录)
太阳模拟器光谱匹配要求
辐照度比值R 是在表 A.1
规定的测量波段间隔内，太阳模拟器的实测辐照度与大气质量为零 (AM0)
时，波长区间太阳光的辐照度之比值。在每个波长区间内，应有三分之二的波段数的
R 值在
表A.1 规定的范围内。
表 A.1
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