不同轨道高度背景辐射动态模拟方法及装置

摘要

本发明涉及一种不同轨道高度背景辐射动态模拟方法、装置、计算机存储介质和背景辐射模拟器，其方法包括：根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径；背景辐射模拟器包括多个弧形的辐射块，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；根据计算的有效辐射半径，控制背景辐射模拟器中半径不大于有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。本发明通过控制背景辐射模拟器不同半径位置的辐射块的升温或降温，能够模拟不同轨道高度辐射热流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种辐射模拟方法，尤其涉及一种不同轨道高度背景辐射动态模拟方法、装置、计算机存储介质及背景辐射模拟器。

背景技术

在现有的空间环境模拟试验中，背景辐射模拟器并未考虑飞行高度对辐射热流的影响，即在辐射热流模拟过程中不考虑目标与辐射块之间的距离、角度关系。

因此，如何在空间环境模拟试验系统中，有效地模拟出不同轨道高度的辐射热流是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种不同轨道高度背景辐射动态模拟方法、装置、计算机存储介质及背景辐射模拟器，可以通过同心圆环的辐射块布置以及温度控制实现不同轨道高度背景辐射动态模拟。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种不同轨道高度背景辐射动态模拟方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径；所述背景辐射模拟器包括多个弧形的辐射块，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面。

S2、根据计算的有效辐射半径，控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。

在根据本发明所述的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中，可选地，所述步骤S1包括：

1)计算航天器轨道高度对背景辐射源张角θ；

其中R为背景辐射源的半径，h为航天器轨道高度；

2)计算背景辐射模拟器的辐射面有效辐射半径r；

其中H为航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离。

在根据本发明所述的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中，可选地，每个辐射块包括依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述辐射块还包括温度传感器、温控模块、供电控制器和液氮控制器；所述步骤S2包括：

每个辐射块通过温控模块采集温度传感器测量的温度信号，与当前辐射块的温度控制目标范围值进行对比，通过温度判断，获得供电控制指令和液氮控制指令；

供电控制器根据温控模块的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电输出给加热膜，控制加热膜对辐射板进行加热；

液氮控制器根据温控模块的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉，控制热沉对辐射板进行降温。

在根据本发明所述的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中，可选地，所述步骤S2中所述温度判断的具体步骤为：

步骤一、温控模块实时采集温度传感器测量的温度信号T，与温度控制目标范围内的值T₀进行对比；

步骤二、判断T-T₀<T_min是否成立；若成立，向液氮控制器发出液氮不供给指令，向供电控制器发出电源供电电压值为U1的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤三；

步骤三、判断T-T₀<T_L是否成立；若成立，向液氮控制器发出液氮不供给指令，向供电控制器发出电源供电电压值为U2的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤四；

步骤四、判断T_H<T-T₀<T_max是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮供给量为最大供给量的Y％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤五；

步骤五、判断T-T₀>T_max是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮供给量为最大供给量的(Y+5)％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤六；

步骤六、判断T-T0>T_N是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮不供给指令，自然降温，进入步骤七；若不成立，进入步骤七；

步骤七、温度判断结束。

在根据本发明所述的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中，可选地，所述液氮初始供给量占最大供给量的比值Y为5～10。

在根据本发明所述的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中，可选地，所述方法还包括：当待模拟的航天器轨道高度变化时，重复执行步骤S1至步骤S2。

本发明第二方面，提供了一种不同轨道高度背景辐射动态模拟装置，所述装置包括：

半径计算单元，根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径；所述背景辐射模拟器包括多个弧形的辐射块，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；

辐射块控制单元，根据计算的有效辐射半径，控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。

本发明第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有可被计算机设备执行的指令代码；所述指令代码在被计算机设备执行时，执行如前所述的方法。

本发明第四方面，提供了一种背景辐射模拟器，包括多个弧形的辐射块以及电源和液氮源，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；

每个辐射块包括依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述辐射块还包括温度传感器、温控模块、供电控制器和液氮控制器；

所述辐射板用于模拟辐射热流，所有辐射块的辐射板构成背景辐射模拟器的辐射面；

所述加热膜用于加热辐射板；

所述衬板用于连接辐射板、加热膜和热沉；

所述热沉用于给辐射板、加热膜和衬板降温；

所述温度传感器用于实时测量辐射板的温度信号。

所述温控模块采集温度传感器测量的温度信号，与当前辐射块的温度控制目标范围值进行对比，通过温度判断，获得供电控制指令和液氮控制指令；

所述供电控制器根据温控模块的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电输出给加热膜，控制加热膜对辐射板进行加热；

所述液氮控制器根据温控模块的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉，控制热沉对辐射板进行降温。

实施本发明的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法、装置、计算机存储介质和背景辐射模拟器，具有以下有益效果：

1、本发明可以根据不同飞行轨道高度下航天器对背景辐射源的张角关系，实时调整背景辐射模拟器的辐射面的有效辐射半径，使有效辐射半径内的背景辐射模拟器的辐射板通过加热升温，实现辐射热流模拟；对于有效辐射半径之外的背景辐射模拟器的辐射板通过降温，降温区域的辐射热流非常低，不影响空间背景辐射模拟器辐射板总的有效辐射热流，实现了不同飞行高度下的背景辐射的动态模拟效果。

2、本发明采用了闭环控制方法，能够实现实时计算航天器轨道高度对背景辐射源张角，实时调整空间背景辐射模拟器的辐射面的有效辐射半径，具有动态模拟能力。

3、本发明采用了空间背景辐射模拟器的辐射板独立控制的方法，能够更为准确的模拟不同轨道高度对应的背景辐射模拟器的辐射面的有效辐射半径，提升了背景辐射热流的模拟精度；

4、本发明通过一系列的温度判断过程，合理地对加热膜和热沉进行控制，能够使得辐射块快速稳定地达到预期温度，适应不同高度辐射热流的快速变换。

5、本发明的背景辐射模拟器具有同心圆环的辐射块设计，能够根据需要控制不同半径的辐射块工作，实现对于不同轨道高度背景辐射动态模拟效果。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例不同轨道高度背景辐射动态模拟方法的流程图。

图2为根据本发明的模拟系统的剖面示意图；

图3为模拟系统中背景辐射模拟器的辐射块分布图；

图4为根据本发明的背景辐射模拟器中辐射块的剖面结构示意图；

图5为背景辐射模拟器中每个辐射块的温度调控原理示意图；

图6为根据本发明的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中温度判断的具体流程图；

图7为根据本发明优选实施例的不同轨道高度背景辐射动态模拟装置的功能单元框图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例不同轨道高度背景辐射动态模拟方法的流程图。请结合参阅图2和图3，其中图2为根据本发明的模拟系统的剖面示意图，图3为模拟系统中背景辐射模拟器的辐射块分布图。本发明的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法可以基于但不限于该模拟系统和背景辐射模拟器的结构来实现。如图2所示，采用本发明方法开展不同轨道高度的热源体动态辐射热流模拟试验时，将航天器模型3安装于真空球罐2内，并与真空球罐2中安装的背景辐射模拟器1间隔一定距离。利用真空球罐2建立真空环境，可以模拟航天器在空间中受到背景辐射源辐射时的环境。该背景辐射源是指航天器在飞行时所处空间中除太阳之外的其它辐射源。该背景辐射模拟器1包括多个弧形的辐射块10，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器1的整个辐射面。该实施例提供的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法至少包括以下步骤：

步骤S1：根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径。

优选地，该步骤中通过以下步骤计算背景辐射模拟器1辐射面的有效辐射半径：

1)计算实际航天器轨道高度对背景辐射源张角θ；

其中R为待模拟的背景辐射源的半径，h为航天器的轨道高度；

2)计算模拟系统中背景辐射模拟器1的辐射面有效辐射半径r；

其中H为模拟系统中航天器模型3与背景辐射模拟器1的辐射面的距离，θ为步骤1)计算得到的背景辐射源张角θ。

步骤S2：根据计算的有效辐射半径r，控制背景辐射模拟器1中半径不大于所述有效辐射半径r的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器1中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。优选地，升温的第一目标范围值为249K～254K，降温的第二目标范围值为145K～150K。

在本发明的一个实施例中，辐射块10如图2所示的排布，形成7个圆环，从内向外分别为第1环至第7环。优选地，为保证系统供电统一，将每环内部的辐射块都设计为大小相当的弧形。每块弧形的辐射块作为一个独立的加热模块。本发明可以每块弧形的辐射块的外径或者内外径平均值作为当前辐射块的半径。例如，当背景辐射模拟器的辐射面有效辐射半径的计算结果为3.4m时。将半径不大于3.4m的第1环至第3环的辐射块升温至249K～254K，将半径大于3.4m的第4环至第7环的辐射块降温至145K～150K。

本发明通过上述步骤，可以根据不同飞行轨道高度下航天器对背景辐射源的张角关系，实时调整背景辐射模拟器的辐射面的有效辐射半径，使有效辐射半径内的背景辐射模拟器的辐射块通过加热升温，实现辐射热流模拟；对于有效辐射半径之外的背景辐射模拟器的辐射块通过降温，降温区域的辐射热流非常低，不影响空间背景辐射模拟器辐射板总的有效辐射热流，实现了不同飞行高度下背景辐射动态模拟效果。

在本发明更优选的实施例中，该方法还包括在待模拟的航天器轨道高度变化时，重复执行步骤S1至步骤S2，从而实现不同轨道高度背景辐射动态模拟模拟。

请参阅图4，为根据本发明的背景辐射模拟器中辐射块的剖面结构示意图。图5为背景辐射模拟器中每个辐射块的温度调控原理示意图。每个辐射块10包括依次叠加的辐射板11、加热膜12、衬板13和热沉14。辐射块10还包括温度调控装置，由温度传感器15、温控模块16、供电控制器17和液氮控制器18组成。该背景辐射模拟器还包括电源和液氮源。辐射板11用于模拟辐射热流，所有辐射块10的辐射板11构成背景辐射模拟器的辐射面，加热膜12是辐射板11的加热源，衬板13用于连接辐射板11、加热膜12和热沉14，热沉14用于给辐射板11、加热膜12和衬板13进行降温，温度传感器15用于实时测量辐射板11的温度信号。加热膜12位于辐射板11辐射热流的反方向，加热膜12的一侧紧贴辐射板11；衬板13的一侧与加热膜12和辐射板11连接，衬板13的另一侧与热沉14连接；温度传感器15位于辐射板11辐射热流的反方向，紧贴辐射板11。供电控制器17接收温控模块16的控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电输出给加热膜13，加热膜13根据电源供电电压值的不同输出不同的加热功率，对辐射板11进行加热；液氮控制器18接收温控模块16的控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉14；热沉14为多孔结构，液氮源经液氮控制器调控流量后流过热沉14的多孔结构，达到为辐射板11、加热膜12和衬板13进行降温的目的。每个辐射块10内的温控模块16、供电控制器17、液氮控制器18、辐射板11、加热膜12、衬板13、热沉14、温度传感器15均为独立闭环控制通路，不同辐射块之间的组件不交叉。每个辐射块的辐射板均可进行独立的升温或降温控制。

上述不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中步骤S2中控制辐射块升温至第一目标范围值，或者降温至第二目标范围值的步骤均可以通过以下方法实现：

1)每个辐射块10通过温控模块16采集温度传感器15测量的温度信号，与当前辐射块的温度控制目标范围值进行对比，通过温度判断，获得供电控制指令和液氮控制指令，供电控制指令发送给供电控制器，液氮控制指令发送给液氮控制器；

2)供电控制器17接收温控模块16的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电输出给加热膜12，控制加热膜12进行加热；同时，液氮控制器18根据温控模块16的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉14，控制热沉14进行降温。其中加热膜12根据电源供电电压对辐射板11进行加热，辐射板11模拟辐射热流；热沉4根据液氮输入量对辐射板11、加热膜12和衬板13进行降温。

本发明还对辐射块的温度控制方法进行研究，并通过优化的控制流程使其能够快速且准确地将辐射块的温度控制至目标范围值。请参阅图6，为根据本发明的不同轨道高度背景辐射动态模拟方法中温度判断的具体流程图。优选地，上述步骤1)中温度判断的具体步骤为：

步骤一、温控模块16内设定温度控制目标范围内的值T₀，实时采集温度传感器15测量的温度信号T；

步骤二、判断T-T₀<T_min是否成立，本实施例中T_min为-50K；若成立，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，向供电控制器17发出电源供电电压值为U1指令，U1取值为100V，加热膜12在供电电压100V情况下，输出最大加热功率，进入步骤七；若不成立，进入步骤三；

步骤三、判断T-T0<T_L是否成立，本实施例中T_L为-2K；若成立，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，向供电控制器17发出电源供电电压值为U2指令，U2取值为45V，加热膜12在供电电压45V情况下，输出正常加热功率，进入步骤七；若不成立，进入步骤四；

步骤四、判断T_H<T-T0<T_max是否成立，本实施例中T_max为100K，T_H为20K；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮供给量为最大供给量的Y％的指令，本实施例中液氮控制器18的液氮初始供给量占最大供给量的百分比的比值Y为5～10，进入步骤七；若不成立，进入步骤五；

步骤五、判断T-T₀>T_max是否成立；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮供给量为最大供给量的(Y+5)％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤六；

步骤六、判断T-T₀>T_N是否成立，本实施例中T_N为2K；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，自然降温，进入步骤七；若不成立，进入步骤七；

步骤七、温度判断结束，等待进入下一温度判断循环周期。

请参阅图7，本发明还提供了一种不同轨道高度背景辐射动态模拟装置。该装置包括：半径计算单元100和辐射块控制单元200。该装置可以基于软件和/或硬件实现。

其中，半径计算单元100用于根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径。其中背景辐射模拟器包括多个弧形的辐射块，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；该半径计算单元100执行的操作与前述步骤S1相同。

辐射块控制单元200用于根据半径计算单元100计算的有效辐射半径，控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。该辐射块控制单元200执行的操作与前述联合滤波步骤S2相同。

本领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述功能单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中不同轨道高度背景辐射动态模拟方法。

本发明实施例还提供了一种不同轨道高度背景辐射动态模拟装置，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中不同轨道高度背景辐射动态模拟方法。

以上所述的程序模块框图中所示的功能单元可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“计算机可读存储介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。计算机可读存储介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序或者若干步骤同时执行。

本发明还相应提供了如前所述的背景辐射模拟器，该背景辐射模拟器1包括多个弧形的辐射块10以及电源和液氮源，所有辐射块10先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器1的整个辐射面。每个辐射块10包括依次叠加的辐射板11、加热膜12、衬板13和热沉14；所述辐射块10还包括温度传感器15、温控模块16、供电控制器17和液氮控制器18。该辐射块10的具体结构和功能已经在前述实施例中进行了详细说明，在此不再进行赘述。上述背景辐射模拟器还可以包括前述不同轨道高度背景辐射动态模拟装置，将其与各个辐射块10的温控模块16连接，为每个温控模块16设置温度控制的目标范围内的值T₀，从而实现对各个区域辐射块10的控制，来达到不同轨道高度热流辐射模拟的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。