用于航天器热平衡实验设备的平衡温度预测方法和装置与流程

[0001]
本方案涉及航天技术领域。更具体地，涉及一种用于航天器热平衡实验设备的平衡温度预测方法、装置、存储介质和电子设备。


背景技术：

[0002]
目前，航天器热控制系统的主要任务是控制航天器设备和结构的温度在要求方位内。航天器热平衡试是整个航天器研制过程中重要的大型试验之一，其目的主要由三个。一是验证热分析计算的正确性，修正热分析模型，改进航天器的热设计，使分析计算可预示任务期间的温度。二是研制热设计各极限工况下的温度是否满足要求。三是验证热控分系统各硬件设备功能能否满足使用要求。
[0003]
热平衡试验需在真空罐内进行，以获得真空、低温及黑背景环境，通过太阳模拟器、红外加热笼或红外灯阵等方式模拟航天器在轨运行时的外热流环境。热平衡试验一般选取极端高温和极端低温工况开展，试验过程可分为试验前的准备、试验及试验后的检查三个阶段。试验过程中按试验大纲要求对设备加电并施加模拟外热流，进行规定工况下的试验，当温度满足温度判据后，转入下一个工况。在国军标规定中，温度稳定的判据是连续4小时内测点温度波动不超过
±
0.5℃或连续4小时内温度单调变化小于0.1℃方可判定达到温度，由于航天器自身热容较大，导致热平衡试验周期漫长。可见航天器热平衡试验是一项耗资高昂的地面大型试验，试验耗费的人力和物力都非常大，占航天器研制成本的很大比例。例如在某新型返回式飞行器热平衡试验期间，单一工况达到平衡所需时间长达36小时，占用了大量人力物力资源。


技术实现要素：

[0004]
本方案目的在于提供一种用于航天器热平衡实验设备的平衡温度预测方法、装置、存储介质和电子设备。
[0005]
为达到上述目的，本方案如下：
[0006]
第一方面，本方案提供一种用于航天器热平衡实验设备的平衡温度预测方法，该方法的步骤包括：
[0007]
根据预先构建的设备的热平衡方程，确定设备的平衡温度模型；
[0008]
基于热平衡试验过程中的时间和温度数据，利用所述器热平衡温度模型，确定设备的平衡温度。
[0009]
第二方面，本方案提供一种计算装置，该装置包括：
[0010]
模型构建模块，根据预先构建的设备的热平衡方程，确定设备的平衡温度模型；
[0011]
计算模块，根据所述器热平衡温度模型，利用最小二乘法，确定设备的平衡温度。
[0012]
第三方面，本方案提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的平衡温度预测方法的步骤。
[0013]
第四方面，本方案提供一种设备，包括：存储器，一个或多个处理器；存储器与处理
器通过通信总线相连；处理器被配置为执行存储器中的指令；所述存储介质中存储有用于执行上述的平衡温度预测方法中各个步骤的指令。
[0014]
本方案的有益效果如下：
[0015]
本方案能够通过温度外推预报技术，快速预测航天器热平衡极限温度，以有效的缩短热平衡试验时间并准确的给出热平衡极限温度，从而降低航天器的研制成本。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1示出本方案所述平衡温度预测方法的一个实例的示意图；
[0018]
图2示出本方案所述航天器内部辐射—导热关系示意图；
[0019]
图3示出本方案所述平衡温度预测装置的一个实例的示意图；
[0020]
图4示出本方案所述一种电子设备的示意图；
[0021]
图5示出本本方案热平衡试验过程中某设备温度与预测温度对比的数据图。
具体实施方式
[0022]
下面将结合附图对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0023]
经研究与分析，热平衡试验需在真空罐内进行，以获得真空、低温及黑背景环境，通过太阳模拟器、红外加热笼或红外灯阵等方式模拟航天器在轨运行时的外热流环境。热平衡试验一般选取极端高温和极端低温工况开展，试验过程可分为试验前的准备、试验及试验后的检查三个阶段。试验过程中按试验大纲要求对设备加电并施加模拟外热流，进行规定工况下的试验，当温度满足温度判据后，转入下一个工况。在国军标规定中，温度稳定的判据是连续4小时内测点温度波动不超过
±
0.5℃或连续4小时内温度单调变化小于0.1℃方可判定达到温度，由于航天器自身热容较大，导致热平衡试验周期漫长。可见航天器热平衡试验是一项耗资高昂的地面大型试验，试验耗费的人力和物力都非常大，占航天器研制成本的很大比例。例如在某新型返回式飞行器热平衡试验期间，单一工况达到平衡所需时间长达36小时，占用了大量人力物力资源。
[0024]
因此，本方案意在提供一种通过温度外推预报技术给出航天器热平衡极限温度的快速预测方法，以有效的缩短热平衡试验时间并准确的给出热平衡极限温度，从而降低航天器的研制成本。
[0025]
以下，结合附图对本方案提出详细描述。如图1所示，该方法可以包括如下步骤：
[0026]
步骤s1、根据预先构建的设备的器热平衡方程，确定设备的平衡温度模型；
[0027]
步骤s2、基于热平衡试验过程中的时间和温度数据，利用所述器热平衡温度模型，确定设备的平衡温度。
[0028]
航天器内热辐射与导热系统如图2所示。假定航天器壳体d的温度已经达到稳定，内部设备温度还未稳定，不考虑材料物性随温度变化，并假定设备达到温度稳定时的温度
变化幅度与其绝对温度相比是小量。则对任一设备i，热平衡方程为
[0029][0030]
τ＝0时，t
i
＝t
i0
t
j
＝t
j0
[0031]
当系统达到稳定时，上述方程变为
[0032][0033]
根据前文假设，设备达到温度稳定时的温度变化幅度与其绝对温度相比是小量，即则有下述关系成立
[0034][0035]
整理后得
[0036][0037]
其中
[0038]
x
i
＝t
i-t
i∞
[0039]
x
j
＝t
j-t
j∞
[0040][0041][0042]
上式为具有初值问题的n阶常系数现象齐次微分方程组，根据常微分仿真理论，方程组具有确定解，可表达为
[0043][0044]
其中λ
1
，λ
2
，，，λ
n
为方程组的特征根，r
(i)
为λ
i
相应的特征向量
[0045]
当热平衡试验中温度达到平衡时，各设备x为定值，则特征根必λ为负，上式可进一步转化为
[0046][0047]
结果表明，经过一定时间后，上式右边方括号第二项至第n项之后远小于1，因此可近似取
[0048][0049]
对设备i，有
[0050]
[0051]
即
[0052][0053]
上式即为所求的近似计算公式，表明设备的温度在一定时间后按指数规律变化。
[0054]
如图3所示，本方案进一步提供了配合上述平衡温度预测方法实施的平衡温度预测装置，该装置包括：
[0055]
模型构建模块101，根据预先构建的设备的热平衡方程，确定设备的平衡温度模型；
[0056]
计算模块102，根据所述器热平衡温度模型，利用最小二乘法，确定设备的平衡温度。
[0057]
平衡温度预测装置在工作时，利用模型构建模块101根据预先构建的设备的热平衡方程，确定设备的平衡温度模型；再利用计算模块102根据所述器热平衡温度模型，利用最小二乘法，确定设备的平衡温度。
[0058]
在上述平衡温度预测方法实施方式的基础上，本方案进一步提供一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质用于实现上述数据采集方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0059]
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0060]
计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0061]
计算机可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0062]
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本方案操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如"c"语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0063]
在上述平衡温度预测方法实施方式的基础上，本方案进一步提供一种电子设备。图4所示电子设备仅仅是一个示例，不应对本方案实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0064]
如图4所示，电子设备201以通用计算设备的形式表现。电子设备201的组件可以包括但不限于：至少一个存储单元202、至少一个处理单元203、显示单元204和用于连接不同系统组件的总线205。
[0065]
其中，所述存储单元202存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元203执行，使得所述处理单元203执行上述数据采集方法中描述的各种示例性实施方式的步骤。例如，所述处理单元203可以执行如图1中所示的步骤。
[0066]
存储单元202可以包括易失性存储单元，例如随机存取存储单元(ram)和/或高速缓存存储单元，还可以进一步包括只读存储单元(rom)。
[0067]
存储单元202还可以包括具有程序模块的程序/实用工具，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0068]
总线205可以包括数据总线、地址总线和控制总线。
[0069]
电子设备201也可以与一个或多个外部设备207(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口206进行。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备201使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0070]
应用举例
[0071]
图5给出了某飞行器某次热平衡试验实际温度变化和采用温度预测方法进行预测的温度变化比对情况，需要说明的是，为提高求解效率，可在求解在给出计算初值，计算初值可取三个时间间隔相等的点(τ
1
、τ
2
、τ
3
)，记录其温度分别为t
1
、t
2
、t
3
，。根据上述公式可以列出如下方程组
[0072]
t
1
＝t
∞
+ae
λτ1
[0073]
t
2
＝t
∞
+aeλ
τ2
[0074]
t
3
＝t
∞
+ae
λτ3
[0075]
解这个方程组可得
[0076][0077][0078][0079]
根据本发明描述的求解方法，预示得到的温度和实际温度如图5，可见利用本发明描述的方法，可以在试验中途即可预测试验后期温度及平衡温度，可节省试验时间，同时快速预测到平衡温度供试验人员分析使用
[0080]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。