红外灯及其灯阵的热流分布研究
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摘 要
红外灯阵外热流模拟技术被广泛应用于国内外航天器的热平衡试验，而红外
灯阵热流分布不均匀度是热流模拟的主要技术指标，且直接影响到外热流模拟的
准确性和热平衡试验的有效性，所以本文针对红外灯阵热流分布均匀性问题，采
用CFD 数值模拟的方法对红外灯用于航天器的外热流模拟进行了一系列的研究，
为航天器的外热流模拟提供了一定的参考基础。
本文先以红外单灯为目标，重点研究了被照面为平面、柱面、球面或锥面时，
被照面上的热流分布特性；然后以被照面的热流不均匀度为待优参数，对被照面
是平面的红外灯阵的布局问题进行了研究。对数值计算的结果进行分析比较得出
以下结论：
1. 增大灯间距离或灯与被照面的距离都可使被照面的热流不均匀性变小，有
效面积增加。降低灯的功率就相当于增大灯与被照面的距离。灯数较多时，要进
行多排布置，不是密度越大越好，要使灯尽可能的均布在被照面上空。
2. 调整灯阵外单侧的灯或被照面边缘的灯时，在一定范围内，灯偏离其余灯
所在的平面越远，热流不均匀度越大，有效面积越小，且调整外侧灯时，与其对
称的灯也要调整，这样才能起到好的效果。调整灯阵中间灯时，随着中间灯与被
照面的距离变大，热流不均匀度变小。
3. 灯共面，变灯与灯所成角度，发现在 0°或 90°时，热流不均匀度最小。
所以从被照面的热流均匀性出发，在进行灯阵布局时，灯与灯相互平行或灯与灯
相互垂直可以优先考虑。
四灯在被照面周围进行布局时，一般优先考虑 110°、145°或两者附近的角
度，因为此时热流不均匀度最小。
4. 在灯阵四周添加挡板，当挡板与被照面的水平距离为零时，热流不均匀度
没有变小反而增大；当挡板与被照面的水平距离大于零时，随着两者水平距离的
变大，热流不均匀度逐渐变小，且变化趋势呈线性。
关键词：红外单灯 热流分布 红外灯阵 热流不均匀度
ABSTRACT
Outside heat flow simulation technology with infrared lamp array is widely used in
thermal balance test of spacecraft at home and abroad. Heat flux distribution's
uniformity of the infrared lamp array is the main technical index of heat flow simulation.
It directly affects the outside heat flow simulation's accuracy and the effectiveness of
the thermal balance test. So in the paper, in view of heat flux distribution's uniformity of
the infrared lamp array, conduct a series of research about outside heat flow simulation
of spacecraft with infrared lamp by CFD numerical simulation, and provide a certain
reference for the outer heat flow simulation of spacecraft.
In the paper, firstly study the heat flow distribution characteristics of radiation's
receiving surface, when the receiving surface is plane, cylinder, sphere, or cone; and
then when the receiving surface is plane, with heat flux uniformity as optimized
parameter study the layout problems of infrared lamp array. By comparing and
analyzing the results of numerical calculation, the following conclusions can be given.
1. Increasing distance between lamp and lamp or the distance between lamp and
plane, the heat flow nonuniformity will become smaller and effective area will increase.
Reducing the power lamp is equivalent to increasing the distance between the lamp and
the plane. When Lamps' number is large, make them arranged in more rows and make
the lamps as uniform as possible on the surface.
2. When adjust outside lamp of the lamp array or the lamp on the edge of the plane,
within a certain range, the further lamp deviates from the plane on which the rest of the
lamps are, the greater the heat flow nonuniformity is, and the smaller the effective area
is. When adjust the outside lamp, its symmetrical lamp is also adjusted to get a good
effect. Adjust the lamp in the middle of lamp array, the further lamp deviates from the
plane, the smaller the heat flow nonuniformity is.
3. When the lamps are in the same plane, adjust the angle between lamp and lamp,
and find that when angle is 0 °or 90 °, heat flux nonuniformity is the minimum. So in
view of heat flow nonuniformity, when arrange the lamp array, parallel lamps’ layout or
perpendicular lamps' layout is given priority.
When arrange four lamps around the plane, generally give priority to 110 °, 145 °
or near angles, because this moment heat flux nonuniformity is the minimum.
4. Add baffles around the lamp array. When the horizontal distance between the
baffles and the plane is zero, the heat flow nonuniformity increases instead of decrease.
When horizontal distance between the baffle and the plane is greater than zero, the
larger the horizontal distance is, the smaller heat flux nonuniformity is, and the trend of
change is linear.
Key Word: infrared lamp, heat flow distribution, infrared lamp array,
heat flow nonuniformity
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
1.1 研究背景及意义 .............................................................................................. 1
1.2 红外灯模拟试验和计算的发展 ...................................................................... 2
1.2.1 国外研究现状 ............................................................................................. 2
1.2.2 国内研究现状 ............................................................................................. 3
1.3 本文的主要工作 .............................................................................................. 5
第二章 红外灯辐射的理论基础 ................................................................................. 6
2.1 热辐射的基本原理和公式 .............................................................................. 6
2.1.1 黑体的热辐射 ............................................................................................. 6
2.1.2 实际物体的热辐射 ................................................................................... 10
2.2 热辐射模拟方法 ............................................................................................ 12
第三章 单灯数值模拟结果与分析 ........................................................................... 15
3.1 红外灯辐射模型 ............................................................................................ 15
3.2 被照面是平面时的热流分布特性 ................................................................ 16
3.2.1 灯与被照面平行时的热流特性 ............................................................... 16
3.2.2 灯与被照面不平行时的热流特性 ........................................................... 22
3.3 被照面非平面时的热流分布特性 ................................................................ 37
3.3.1 被照面是球面时的热流特性 ................................................................... 37
3.3.2 被照面是柱面时的热流特性 ................................................................... 39
3.3.3 被照面是锥面时的热流特性 ................................................................... 40
3.4 本章小结 ........................................................................................................ 42
第四章 多灯数值模拟结果与分析 ........................................................................... 43
4.1 灯共面、互相平行且与被照面平行时，被照面的热流特性 .................... 43
4.1.1 三个灯 ....................................................................................................... 43
4.1.2 六个灯 ....................................................................................................... 54
4.2 灯互相平行且与被照面平行，但灯不共面时，被照面的热流特性 ........ 62
4.2.1 三个灯 ....................................................................................................... 62
4.2.2 六个灯 ....................................................................................................... 64
4.2.3 九个灯 ....................................................................................................... 70
4.3 灯共面且与被照面平行，但灯不互相平行时，被照面的热流特性 ........ 71
4.3.1 二个灯 ....................................................................................................... 71
4.3.2 三个灯 ....................................................................................................... 72
4.3.3 四个灯 ....................................................................................................... 75
4.4 添加挡板时，被照面的热流特性 ................................................................ 76
4.5 本章小结 ........................................................................................................ 77
第五 章结论与展望 ................................................................................................... 78
参考文献 ..................................................................................................................... 82
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ............................................. 84
致 谢 ....................................................................................................................... 85
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
空间环境模拟试验是航天器研制工作中的重要程序，一般分为三个试验阶段，
即初样试验、正样鉴定试验和验收试验。每个试验阶段分航天器热平衡、热真空
试验。在航天器热平衡试验中，除了要模拟真空和冷黑背景外，还要模拟太阳辐
射，地球反照和地球红外辐射热流。外热流模拟是航天器热平衡试验中必须解决
的核心问题之一。外热流模拟的准确度将直接影响航天器热平衡试验的温度水平
和试验误差，从而影响试验结果的分析以及其在修改航天器热控设计和热数学模
型中的应用。
空间外热流模拟方法大致上分为以下三种：一是入射热流模拟法，用太阳模
拟器和运动模拟器系统来模拟空间外热流的辐照度、方向和光谱特性。对于地球
同步轨道通信卫星，用离轴式太阳模拟器来模拟入射热流是很合适的，因为地球
红外辐射和反照对卫星的影响可以忽略不计，无需另加红外模拟装置。二是吸收
热流模拟法，用某种红外加热装置，如红外灯、电阻加热器等对航天器进行加热，
使航天器表面吸收的热流等于该表面在飞行时吸收的空间外热流，不考虑空间外
热流的光谱特性，只要求两者具有相同的热效应。无论是高轨道航天器还是低轨
道航天器，都可以用吸收热流模拟法进行试验。三是入射热流模拟法和吸收热流
模拟法的组合，用太阳模拟器来模拟航天器的入射热流，用红外模拟器模拟航天
器吸收的地球红外辐射和反照热流。当近地轨道航天器使用太阳模拟器进行热平
衡试验时，往往需要将入射热流模拟法和吸收热流模拟法结合起来使用，以取得
较佳的模拟效果[1]。
在国内，供卫星整星热平衡试验用的大型太阳模拟器至今尚未问世，无法满
足大型航天器试验的需求，因此，一般采用吸收外热流模拟方法。热流的红外模
拟方法有好几种，已使用过的有红外笼、接触式电阻加热片、百叶窗、流体加热
板和红外灯等。百叶窗和流体加热板方法都具有结构复杂，通用性差和成本高等
缺点，流体加热板还容易产生泄漏。红外笼对复杂形状和多种涂层的适应能力差、
通用性差，遮挡大难于模拟低热流值且热响应慢。接触式电加热器存在破坏航天
器表面的严重缺点，在正样产品试验时不能使用[2]。红外灯具有响应速度快、对航
天器的遮挡系数小、安装灵活、通用性好、非接触加热等优点，在我国航天器空
间环境模拟试验中有广泛的应用前景[3]。因此常选择红外灯作为热源。
红外灯一般由灯丝、灯管与反射膜三部分组成。其光源有两个，分别是灯丝
和石英灯管。灯丝是原始光源，石英灯管是第二光源，第二光源的能量是通过吸
收灯丝辐射出的能量得到的。一般设定红外灯模型各部分特点：灯丝，材料为钨
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作者：赵德峰
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
