感应式磁力仪传感器热控仿真与实验研究

魏　冬 吕　游 王鹏飞



感应式磁力仪传感器热控仿真与实验研究

魏冬 吕游 王鹏飞

为改善传感器的工作温度均匀性，文章提出了一种传感器多层隔热组件的优化方案。实验研究表明，多层隔热组件对传感器测量性能无明显影响。本文研究为计算感应式磁力仪传感器在轨温度变化范围、改善传感器工作温度均匀性及评估多层隔热组件对传感器测量性能的影响提供了依据。

本文针对某卫星有效载荷——感应式磁力仪，在卫星轨道外热流分析的基础上，使用有限元方法建立了包含卫星平台热辐射影响因素在内的传感器热分析模型，完成在轨动态热仿真分析与热平衡实验研究。通过改善在轨工作时传感器的温度均匀性，提出了一种传感器多层隔热组件的优化方案，并通过实验研究多层隔热组件对传感器性能的影响。文章研究结果为评估感应式磁力仪传感器在轨温度变化范围及多层隔热组件对传感器测量性能的影响提供了依据。

感应式磁力仪传感器工作原理

感应式磁力仪基于法拉第电磁感应原理。其中，感应式磁力仪传感器通过具有高磁导率磁芯和磁通反馈控制的探测线圈绕组将线圈轴向方向外部变化的磁通信号（-dΦ/dt）转换为电压信号。传感器由正交三分量棒状磁天线组成。三副磁天线安装在正交三轴支架上，可分别探测沿三个主绕组中心轴线方向的3个磁场分量。

卫星轨道外热流分析

卫星轨道条件

感应式磁力仪是某试验卫星的主要载荷之一，磁噪声水平低至50fT/srtHz@2kHz。该卫星运行轨道参数如下表1所示。

β角计算

卫星在轨运行期间轨道外热流综合能量的变化取决于太阳与轨道面的夹角—β角。|β|角越大，轨道外热流综合能量就越大，反之则越小，外热流综合能量变化正比于sin|β|。

实际工作中，往往采用稳定可靠的计算程序进行β角计算。

根据轨道分析的结果，一年内太阳与轨道面的夹角β角的变化为-31.7°～-22.4°，由此，定位出外热流综合能量最大值和最小值对应的两个时刻，即β角为-31.7°和-22.4°时分别对应的两个时刻，通常把这两条时刻的轨道工况定义为高温和低温工况。

传感器热仿真计算

热分析模型的建立

表1　卫星任务轨道参数

图1　一年内β角变化曲线

表2 　感应式磁力仪传感器材料属性

本文通过有限元方法对传感器结构模型划分网格，由于航天器上使用的多层隔热组件的结构是极其复杂的，我们不可能用精确分析的手段来表述各种因素的影响效果，几乎所有结构形式的多层隔热组件的热性能都是从试验中得到的。实践表明，25～30层隔热材料就可得到足够好的隔热性能。因此，在建模分析时，进行了相应的简化处理，以节约计算时间和提高建模效率。在处理多层隔热组件时，多层隔热组件为200µm内衬罩包覆20层隔热材料且外部形状简化为正六面体，将多层隔热组件分为内、外两层节点，多层外表面发射率和吸收率按实际外表面的参数选取，多层外表面和内表面间采用当量辐射模型，认为多层网格之间以辐射换热为主。

传感器温度场计算

根据前文所述，得出了感应式磁力仪传感器热控包膜表面受到的空间外热流变化曲线，分高、低温工况轨道两种情况进行比较对照，得到的计算结果可以作为感应式磁力仪传感器热分析的边界输入条件。而传感器安装于卫星舱外伸杆的末端，因此也会受卫星本体热辐射的影响，在进行传感器热仿真分析时应将卫星平台的辐射热流作为边界输入条件。其中，材料属性定义见表2。

建立感应式磁力仪传感器热分析有限元模型后，利用上述计算所得空间外热流、材料的热学参数及卫星平台对传感器的辐射热流作为仿真的输入条件，对传感器及热控包膜进行在轨动态热仿真分析。

传感器热平衡实验

实验设备主要包括：真空罐、热电偶、温度测试设备等。为模拟外表面的吸收外热流，采用粘贴加热片的方式进行外热流模拟，对于传感器来说，实验高低温工况与热仿真分析所选取的计算工况一致。温度贴点分别位于每根棒体的两端、柱体与底板上。实验结束后得到了传感器各个测温点的温度变化情况，如表3所示。

从实验的结果可以看出，在低温工况时，整个感应式磁力仪传感器的温度在-8.2℃～+29.3℃范围内；在高温工况时，整个感应式磁力仪传感器的温度在+0.3℃～+48.7℃范围内。

从两个工况的实验结果来看，整个传感器的温度波动范围约-8.2℃～+48.7℃，棒体1与棒体2温度均匀性较好而棒体3温度均匀性较差。实验结果与热仿真分析结果基本一致。其中，-Z侧测点温度较高，一方面是由于该位置属于太阳直射面，受太阳直射热流影响较大。

结束语

本文针对某试验卫星感应式磁力仪传感器的结构设计，完成卫星轨道外热流的计算，合理建立了传感器及多层隔热组件的热分析模型，综合考虑卫星平台对传感器的热辐射影响，利用有限元分析软件对传感器进行在轨动态热仿真研究，并与热平衡实验结果进行对比验证。热仿真分析研究表明，在轨工作期间感应式磁力仪传感器的极端温度范围为-9.9℃～+45.9℃。热平衡实验结果表明，感应式磁力仪传感器的温度范围为-8.2℃～+48.7℃。热仿真分析研究结果与热平衡实验结果基本一致。

基金：国家自然科学基金项目资助（41327802，项目名称：半空间宽能谱太阳风离子探测分析器的研制）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.002