阿爾法磁譜儀熱控制系統(tǒng)在軌運行規(guī)律研究.pdf

1、本文以阿爾法磁譜儀(AMS)電子設(shè)備熱控制系統(tǒng)為研究對象，基于實際飛行數(shù)據(jù)，論證了熱控系統(tǒng)設(shè)計思路的正確性和有效性，分析了阿爾法磁譜儀探測器熱控制系統(tǒng)在軌運行的基本規(guī)律，研究了國際空間站(ISS)的操作對阿爾法磁譜儀熱控制系統(tǒng)的影響，分析了在運行過程中出現(xiàn)的溫度預(yù)警現(xiàn)象規(guī)律和原因，并提出了基于調(diào)節(jié)熱環(huán)境的熱控制建議。
　　本文首先介紹了AMS實驗的目的、意義以及已經(jīng)獲得的物理學(xué)結(jié)果。本文分析了國際空間站上的外部熱環(huán)境、AMS自身內(nèi)

2、部熱負荷情況以及熱要求，介紹了AMS熱控制系統(tǒng)的方案。由于例子探測需要以及與國際空間站相配合，AMS熱控制系統(tǒng)設(shè)計思路與以往航天器的“完全包覆式”熱控制不同，AMS熱控制設(shè)計使用了大熱容材料應(yīng)對近地軌道熱環(huán)境的周期性劇烈變化。電子設(shè)備熱控制系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)表明，電子設(shè)備成功啟動，啟動過程溫度曲線與模擬結(jié)果吻合;斷電時各電子箱均能保持在最低存活溫度以上;熱工況中各電子箱溫度低于最高存活溫度;軌道周期內(nèi)溫度波動處于允許的范圍內(nèi)。長時間飛行數(shù)

3、據(jù)證明了熱控制系統(tǒng)設(shè)計思路的正確性以及熱控制系統(tǒng)的有效性。
　　AMS在國際空間站上運行后，在監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)，AMS熱控制系統(tǒng)運行狀態(tài)受到國際空間站β角的明顯影響，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。由于溫度測點過多（1100多），溫度數(shù)據(jù)量過大（每分鐘讀取一次溫度數(shù)據(jù)），軌道周期內(nèi)溫度波動明顯，本文選取AMS主散熱器上的8個測溫點，基于三年的溫度數(shù)據(jù)(2011.06.01-2014.05.31)，用一個軌道周期內(nèi)算術(shù)平均溫度代表軌道周期溫度水

4、平，得到了AMS局部溫度隨口角變化規(guī)律，并通過數(shù)學(xué)擬合對變化規(guī)律進行了描述。溫度變化規(guī)律給出了AMS主散熱器的冷熱工況β角區(qū)間，并且顯示在特定β角區(qū)間，RAM主散熱器會發(fā)生溫度驟變現(xiàn)象，并分析了原因。通過計算軌道周期內(nèi)溫度變化標(biāo)準差，進一步分析了軌道周期內(nèi)溫度波動隨β角的變化規(guī)律。使用雙三次樣條插值構(gòu)建不同β角下的散熱器溫度場，溫度場表明，主散熱器整體溫度隨β角變化與軌道平均溫度隨β角變化一致，并在較冷工況時會激活加熱器，對低溫區(qū)域加熱

5、效果明顯，熱控制是有效的?；陲w行數(shù)據(jù)對運行規(guī)律的研究為AMS長時間（～20年）在軌運行提供了熱控制參照依據(jù)。
　　除了正常運行狀態(tài)外，國際空間站會因執(zhí)行任務(wù)而進行一些特殊操作，主要有鎖定太陽光伏面板、改變飛行姿態(tài)以及調(diào)整空間站右舷側(cè)主散熱板的固定角度。鎖定太陽能光伏面板是出現(xiàn)次數(shù)最多的操作，通常會造成主散熱器溫度下降。由于在軌運行的復(fù)雜多變，本文選取了47次鎖定太陽能光伏面板的操作和WAKE主散熱器上四個溫度測點，計算了操作發(fā)生

6、后兩個軌道周期內(nèi)的溫度下降幅度，通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，該操作對WAKE主散熱器造成的溫度下降幅度隨β角變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。較低β角時，溫度下降幅度通常更大。β處于正極值時鎖定太陽能光伏面板也會造成WAKE散熱板溫度大幅下降，會自動激活PDS加熱器。飛行姿態(tài)調(diào)整通常不會對AMS的溫度造成重大影響。調(diào)整俯仰姿態(tài)是國際空間站調(diào)整最頻繁的飛行姿態(tài)，對AMS影響較小;后端向前的飛行姿態(tài)使用較少，在這種姿態(tài)中（β≈-51°），AMS局部溫度與其在相

7、反β角時的走勢類似;在一些復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整中，AMS主散熱器溫度受到明顯影響，但仍處于安全運行范圍之內(nèi);在側(cè)向飛行姿態(tài)中，WAKE主散熱器長時間受到照射，處于極熱工況，而RAM主散熱器不受太陽照射，處于極冷工況，電子設(shè)備熱控制系統(tǒng)能夠成功保障電子元件處于所要求的溫度范圍之內(nèi)。調(diào)整國際空間站右舷側(cè)主散熱板角度對AMS左舷側(cè)和WAKE主散熱器的溫度會有影響，這是因為散熱板面能夠向上述位置反射太陽輻射熱。通過計算得出了一定β角下右舷側(cè)主散熱板對

8、AMS反射太陽熱輻射的最高效率角度，并通過對比不同工況中的WAKE主散熱器溫度場驗證了計算。國際空間站操作對AMS局部溫度的影響本質(zhì)上是因為其短暫改變了AMS所處的熱環(huán)境，本研究不僅為AMS長期在軌運行熱控制提供了參照依據(jù)，也為太空平臺上的科學(xué)儀器熱控制設(shè)計提供了參考。
　　AMS在運行過程中，少數(shù)工況下的個別部件會由于外部熱環(huán)境的變化出現(xiàn)溫度預(yù)警現(xiàn)象。處于溫度預(yù)警中的部件能夠正常運行，但需要采取措施防止溫度進一步惡化。重點分析了

9、國際空間站特殊操作對TRD氣體循環(huán)箱（低溫預(yù)警）、硅微條探測器第一層（低溫預(yù)警）和下層飛行時間計數(shù)器中的光電倍增管（高溫預(yù)警）的溫度影響。通過拓展使用前文規(guī)律分析方法，得到了軌道周期最低（高）溫隨β角變化的規(guī)律，進一步得到了易發(fā)生溫度預(yù)警的β區(qū)間，并分析了國際空間站操作對發(fā)生溫度預(yù)警部件的影響。基于這些外部熱環(huán)境因素的影響，提出了對應(yīng)的熱控制操作建議，為AMS在軌運行熱控制提供了額外可選擇的方法。
　　本文的研究為太空中科學(xué)儀器的