Блог

Oct 17, 2023

Тепловое моделирование малых спутников

За последние несколько лет произошло резкое увеличение количества спутников на орбите. Значительная часть этого увеличения обусловлена ​​меньшим размером новых спутников. Хотя

За последние несколько лет произошло резкое увеличение количества спутников на орбите. Значительная часть этого увеличения обусловлена ​​меньшим размером новых спутников. Хотя крупнейшая орбитальная структура, Международная космическая станция, больше футбольного поля, большинство спутников на орбите сегодня гораздо ближе по размеру к футбольному мячу. Частично это связано с популярностью форм-фактора CubeSat, в котором так называемый спутник высотой 1U помещается в конверт размером 10 x 10 x 10 см. Небольшой размер позволяет запускать несколько спутников с одной ракеты. Хотя изначально CubeSat задумывался в основном для академических целей, в настоящее время существует надежная коммерческая экосистема, предлагающая проектные решения высотой от 1U до 24U, а использование CubeSat растет с поразительной скоростью.

Одной из характеристик конструкций CubeSat (и других небольших спутников) является то, что они очень компактны. Многие миниатюрные камеры, датчики, инструменты, антенны, батареи, системы ориентации и другая электроника расположены в тесной упаковке и могут выделять отходящее тепло. Проектирование спутника, способного правильно излучать это тепло в окружающее пространство, является одной из основных инженерных задач. Инженеры должны гарантировать, что различные электронные компоненты остаются в определенных температурных диапазонах, но это может быть непросто, поскольку температурные градиенты могут привести к нежелательным структурным деформациям. Поскольку провести какие-либо по-настоящему реалистичные предполетные испытания довольно сложно, процесс проектирования должен в значительной степени полагаться на численное моделирование.

Как только спутник окажется на орбите, может возникнуть соблазн подумать, что численная модель больше не нужна, но это не так. Компоненты выходят из строя, часто по неизвестным причинам, а оставшуюся электронику, возможно, придется использовать в непредвиденных комбинациях. Оператору спутника по-прежнему нужна тепловая модель для прогнозирования поведения в таких обстоятельствах с целью увеличения срока эксплуатации (рис. 1).

Все численные модели включают решение аппроксимации основных уравнений, описывающих теплообмен. Они могут варьироваться от очень простых до почти точных моделей, включающих множество геометрических и физических аспектов. Самая упрощенная численная модель позволит уменьшить геометрическую сложность структуры спутника и рассчитывать только в сосредоточенном смысле единую температуру спутника с течением времени. Отсюда можно было бы работать над введением изменений температуры в различных подсистемах или компонентах спутника. Это потребует от численного аналитика введения в свою модель множества приближений, допущений и отдельных вычислений.

С другой стороны, модель полной точности основана непосредственно на конструкции САПР и использует противоположный подход. Начав непосредственно с проектирования САПР, можно избежать большей части утомительной ручной проверки и проверки каждого упрощения, входящего в уменьшенную модель. Конечно, работа напрямую с CAD приведет к увеличению вычислительных затрат: численная модель на основе CAD разделит геометрию спутника на тысячи или даже миллионы различных вычислительных элементов, поэтому существует компромисс.

Исторически сложилось так, что подход сосредоточенного моделирования имел много преимуществ. Раньше компьютеры были относительно медленными, поэтому для быстрого получения результатов было важно, чтобы численный аналитик тратил время на полуручное снижение сложности вычислений. Этот подход по-прежнему актуален для моделирования очень крупных структур, таких как Международная космическая станция, но для небольших спутников — особенно в связи с тем, что вычислительные затраты продолжают снижаться — сейчас становится все более привлекательным начинать с другого конца спектра моделирования.

На практике термический аналитик захочет работать где-то между полностью упрощенной и полностью достоверной моделью. Например, может быть желательно заменить описание каждого винта и крепежа в САПР сосредоточенным тепловым сопротивлением на поверхности между соединяемыми компонентами. Точно так же может иметь смысл превратить электронный компонент, такой как чип или батарея, в блок материала с усредненными свойствами и внутренним рассеянием.