感應式磁力儀傳感器熱控仿真與實驗研究

魏　冬 呂　游 王鵬飛

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感應式磁力儀傳感器熱控仿真與實驗研究

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化方案。實驗研究表明，多層隔熱組件對傳感器測量性能無明顯影響。本文研究為計算感應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估多層隔熱組件對傳感器測量性能的影響提供了依據。

本文針對某衛星有效載荷——感應式磁力儀，在衛星軌道外熱流分析的基礎上，使用有限元方法建立了包含衛星平臺熱輻射影響因素在內的傳感器熱分析模型，完成在軌動態熱仿真分析與熱平衡實驗研究。通過改善在軌工作時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化方案，并通過實驗研究多層隔熱組件對傳感器性能的影響。文章研究結果為評估感應式磁力儀傳感器在軌溫度變化范圍及多層隔熱組件對傳感器測量性能的影響提供了依據。

感應式磁力儀傳感器工作原理

感應式磁力儀基于法拉第電磁感應原理。其中，感應式磁力儀傳感器通過具有高磁導率磁芯和磁通反饋控制的探測線圈繞組將線圈軸向方向外部變化的磁通信號（-dΦ/dt）轉換為電壓信號。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，可分別探測沿三個主繞組中心軸線方向的3個磁場分量。

衛星軌道外熱流分析

衛星軌道條件

感應式磁力儀是某試驗衛星的主要載荷之一，磁噪聲水平低至50fT/srtHz@2kHz。該衛星運行軌道參數如下表1所示。

β角計算

衛星在軌運行期間軌道外熱流綜合能量的變化取決于太陽與軌道面的夾角—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|。

實際工作中，往往采用穩定可靠的計算程序進行β角計算。

根據軌道分析的結果，一年內太陽與軌道面的夾角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應的兩個時刻，即β角為-31.7°和-22.4°時分別對應的兩個時刻，通常把這兩條時刻的軌道工況定義為高溫和低溫工況。

傳感器熱仿真計算

熱分析模型的建立

表1　衛星任務軌道參數

圖1　一年內β角變化曲線

表2 　感應式磁力儀傳感器材料屬性

本文通過有限元方法對傳感器結構模型劃分網格，由于航天器上使用的多層隔熱組件的結構是極其復雜的，我們不可能用精確分析的手段來表述各種因素的影響效果，幾乎所有結構形式的多層隔熱組件的熱性能都是從試驗中得到的。實踐表明，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，進行了相應的簡化處理，以節約計算時間和提高建模效率。在處理多層隔熱組件時，多層隔熱組件為200μm內襯罩包覆20層隔熱材料且外部形狀簡化為正六面體，將多層隔熱組件分為內、外兩層節點，多層外表面發射率和吸收率按實際外表面的參數選取，多層外表面和內表面間采用當量輻射模型，認為多層網格之間以輻射換熱為主。

傳感器溫度場計算

根據前文所述，得出了感應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行比較對照，得到的計算結果可以作為感應式磁力儀傳感器熱分析的邊界輸入條件。而傳感器安裝于衛星艙外伸桿的末端，因此也會受衛星本體熱輻射的影響，在進行傳感器熱仿真分析時應將衛星平臺的輻射熱流作為邊界輸入條件。其中，材料屬性定義見表2。

建立感應式磁力儀傳感器熱分析有限元模型后，利用上述計算所得空間外熱流、材料的熱學參數及衛星平臺對傳感器的輻射熱流作為仿真的輸入條件，對傳感器及熱控包膜進行在軌動態熱仿真分析。

傳感器熱平衡實驗

實驗設備主要包括：真空罐、熱電偶、溫度測試設備等。為模擬外表面的吸收外熱流，采用粘貼加熱片的方式進行外熱流模擬，對于傳感器來說，實驗高低溫工況與熱仿真分析所選取的計算工況一致。溫度貼點分別位于每根棒體的兩端、柱體與底板上。實驗結束后得到了傳感器各個測溫點的溫度變化情況，如表3所示。

從實驗的結果可以看出，在低溫工況時，整個感應式磁力儀傳感器的溫度在-8.2℃～+29.3℃范圍內；在高溫工況時，整個感應式磁力儀傳感器的溫度在+0.3℃～+48.7℃范圍內。

從兩個工況的實驗結果來看，整個傳感器的溫度波動范圍約-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。實驗結果與熱仿真分析結果基本一致。其中，-Z側測點溫度較高，一方面是由于該位置屬于太陽直射面，受太陽直射熱流影響較大。

結束語

本文針對某試驗衛星感應式磁力儀傳感器的結構設計，完成衛星軌道外熱流的計算，合理建立了傳感器及多層隔熱組件的熱分析模型，綜合考慮衛星平臺對傳感器的熱輻射影響，利用有限元分析軟件對傳感器進行在軌動態熱仿真研究，并與熱平衡實驗結果進行對比驗證。熱仿真分析研究表明，在軌工作期間感應式磁力儀傳感器的極端溫度范圍為-9.9℃～+45.9℃。熱平衡實驗結果表明，感應式磁力儀傳感器的溫度范圍為-8.2℃～+48.7℃。熱仿真分析研究結果與熱平衡實驗結果基本一致。

基金：國家自然科學基金項目資助（41327802，項目名稱：半空間寬能譜太陽風離子探測分析器的研制）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.002