Phân tích nhiệt của vệ tinh nhỏ theo mô hình hệ nhiều nút Phạm Ngọc Chung Trường đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn Thạc sĩ ngành: Cơ học; Mã số: 60 44 01 07 Người hướng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh Năm bảo vệ: 2013 Abstract. Trình bày các khái niệm, tổng quan về nhiệt vệ tinh, các môi trường nhiệt trên quỹ đạo vệ tinh, trao đổi nhiệt của vệ tinh, mô hình nhiệt của vệ tinh, các phương pháp điều khiển nhiệt vệ tinh. Đưa ra các kết quả nghiên cứu cho mô hình nhiệt hai nút của vệ tinh theo phương pháp số Runge-Kutta 4 và phương pháp tuyến tính của Grande. Sử dụng phương pháp tuyến tính hoá tương đương và phương pháp cân bằng điều hoà để phân tích đáp ứng nhiệt của vệ tinh. Đã đưa ra một so sánh giữa hai phương pháp này với hai phương pháp khác là phương pháp tuyến tính của Grande và phương pháp Runge-Kutta 4 để kiểm tra độ chính xác giữa bốn phương pháp. Kết quả chỉ ra rằng có sự sai khác rất ít giữa phương pháp tuyến tính hoá tương đương và các phương pháp khác Keywords. Cơ học vật thể rắn; Phân tích nhiệt; Vệ tinh nhỏ; Mô hình hệ nhiều nút Content MỤC LỤC Lời nói đầu i Danh mục các thuật ngữ và chữ viết tắt iv Danh mục các bảng v Danh mục các hình vẽ vi Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan tới luận văn vii Mở đầu 1 Chƣơng 1: Tổng quan về nhiệt vệ tinh 5 1.1. Môi trường nhiệt trên quỹ đạo vệ tinh 5 1.1.1. Các tác nhân sinh nhiệt 5 1.1.1.1. Nhiệt bức xạ mặt trời 5 1.1.1.2. Nhiệt bức xạ albedo 6 1.1.1.3. Bức xạ hồng ngoại của trái đất 7 1.2. Sự hấp thụ và toả nhiệt của vệ tinh 8 1.2.1. Một số phương pháp tương tác nhiệt 8 1.2.1.1. Dẫn nhiệt 8 1.2.1.2. Bức xạ nhiệt 9 1.2.1.3. Sự hấp thụ 10 1.2.2. Năng lượng bức xạ giữa các vật đen 11 1.2.2.1. Vật đen 11 1.2.2.2. Năng lượng bức xạ giữa hai vật đen 11 1.2.3. Sự trao đổi nhiệt của vệ tinh trên quỹ đạo 12 1.2.3.1. Trao đổi nhiệt mặt trời 13 1.2.3.2. Trao đổi nhiệt albedo 14 1.2.3.3. Trao đổi nhiệt hồng ngoại 14 1.2.3.4. Sự toả nhiệt của vệ tinh 16 1.2.4. Cân bằng nhiệt 16 1.3. Phân tích nhiệt của vệ tinh 19 1.3.1. Mô hình toán học 19 1.3.2. Trao đổi nhiệt bằng truyền nhiệt 19 1.3.3. Trao đổi nhiệt bằng bức xạ 20 1.3.3.1. Hệ số hiển thị 20 1.3.3.2. Độ phát xạ hiệu quả 21 1.4. Mô hình nhiệt của vệ tinh 22 1.5. Các phương pháp giải bài toán vệ tinh 22 1.6. Các phương pháp điều khiển nhiệt cho vệ tinh 23 1.6.1. Phương pháp điều khiển nhiệt thụ động 23 1.6.2. Phương pháp điều khiển nhiệt tích cực 23 Chƣơng 2: Phân tích ứng xử nhiệt của vệ tinh nhỏ theo phƣơng pháp tuyến tính hoá của Grande 24 2.1. Mô hình nhiệt hai nút 24 2.2. Phương pháp Runge – Kutta 4 giải bài toán nhiệt hai nút 27 2.3. Phương pháp tuyến tính hoá Grande giai bài toán nhiệt hai nút 31 2.3.1. Tuyến tính hoá số hạng liên kết nhiệt bức xạ 31 2.3.2. Nhiệt độ trung bình 32 2.3.3. Chênh lệch quanh nhiệt độ trung bình 35 2.3.4. Đáp ứng với kích động điều hoà 39 2.3.4.1. Nghiệm giải tích theo Grande 39 2.3.4.2. Phân tích hàm truyền 43 2.3.4.3. Liên kết nhiệt giữa các nút 47 2.3.4.4. Gradient nhiệt 48 2.4. So sánh nghiệm giải số RK4 và nghiệm giải tích theo Grande 50 2.4.1. Hệ số tuyến tính hoá 50 2.4.2. So sánh nhiệt độ nút trong, nhiệt độ nút ngoài theo phương pháp giải số RK4 và phương pháp giải tích của Grande 51 Chƣơng 3: Giải bài toán nhiệt hai nút của vệ tinh theo phƣơng pháp tuyến tính hoá tƣơng đƣơng và phƣơng pháp cân bằng điều hoà 54 3.1. Dạng không thứ nguyên của phương trình cân bằng nhiệt hai nút của vệ tinh 54 3.2. Phương pháp tuyến tính hoá 56 3.2.1. Phương trình chuyển động 56 3.2.2. Phương pháp tuyến tính hoá tương đương 56 3.2.3. Phương pháp tuyến tính hoá tương đương giải bài toán nhiệt hai nút của vệ tinh 59 3.2.4. Kết quả số và thảo luận 64 3.3. Phương pháp cân bằng điều hoà 65 3.3.1. Cơ sở lý thuyết 65 3.3.2. Phương pháp cân bằng điều hoà giải bài toán nhiệt hai nút của vệ tinh 68 3.4. Kết quả số và thảo luận 71 Kết luận 75 Những vấn đề phát triển từ luận văn 76 Tài liệu tham khảo 77 Phụ lục 79 Tài liệu tham khảo [2] Woolfson. M., The origin and evolution of the solar system, Astronomy & Geophysics(2000) [3] Basu. S., Antia. H.M, Helioseismology and Solar Abundances, Physics Reports (2008). [4] Why is the sky blue? Vì sao bầu trời có màu xanh?. Science Made Simple(1997). [5] Than, K. (2006). “Astronomers had it wrong: Most Stars are Single”. [6] Lada, C.J. (2006). “Stellar multiplicity and the initial mass function: Most stars are single”.Astrophysical Journal. [7] García, R., et al. Tracking solar gravity modes: the dynamics of the solar core, (2007). [8] Basu et al., Fresh insights on the structure of the solar core, The Astrophysical Journal 699 (2009). [9] “NASA/Marshall Solar Physics”. [10] “From Core to Corona”. Lawrence Livermore National Laboratory. [11] Zirker 2002, page. 15–34 [12] Phillips 1995, page. 47–53 [13] Seidelmann, P. K., V. K. Abalakin; M. Bursa; M. E. Davies; C. de Bergh; J. H. Lieske; J. Oberst; J. L. Simon; E. M. Standish; P. Stooke; P. C. Thomas (2000) [14] Peter Fortescue, Graham Swinerd, John Stark, Spacecraft System Engineering, John Wiley & Son Ltd (2003) [15] Oshima K., Oshima Y., Analytical approach to the thermal design of spacecraft, Institute of Space and Aeronautical Science of Tokyo, Report No. 419 (1968) [16] Arduini C., Laneve G., Folco S., Linearized techniques for solving the inverse problem in satellite thermal control, Acta Astronautica, 43:473-479 (1998) [17] Gadalla M.A., Prediction of temperature variation in a roting spacecraft in space environment, Applied Thermal Engineeing, 25:2379:2397 (2005) [18] Gaite J., Sanz-Andres A., Perez-Grande I., Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite, Nonlinear Dynamics, 58:405-415 (2009) [19] Gaite J., Nonlinear analysis of spacecraft thermal models, Nonlinear Dynamics, 65:283-300 (2011) [20] ESA (1994) Data for the Slection of space Materials, ESA PSS-01-701,Issue 1, Revsion 3. [21] ESA (1989) Spacecraft Thermal Control Design Data, ESA PSS -03-108, Issue 1. [22] ESA (1993) Outgassing and Thermo-optical Data for Spacecraft Materials, ESA RD-01, Revision4. [23] Millan F.Diaz-Aguando, Small Satellite Thermal Design, Test and Analysis [24] Gilmore D.G., Spacecraft Thermal Control Handbook, The Aerospace Corporation (2002) [25] Grande I.P, Andress A.S., Guerra C., Alnonso G., Analytical study of the thermal behaviour and stability of a small satellite, Applied Thermal Engineering.29:2567-2573 (2009) [26] Booton, R.C., The analysis of nonlinear control system with random inputs, IRE Trans. Circuit Theory 1:32-34 (1954) [27] Kazakov, I.E., An approximate method for statistical investigation for nonliear systems, Trudy VVIA im Prof. E. Zhuovskogo. 394:1-52 (1954) (in Russia) [28] Caugey, T.K., Equivalent linearization techniques, J. Acous. Soc. Am.35:1906- 1711 (1963) (Reference is made to presntations of the procedure in lectures delivered in1953 at California Institute of Technology [29] Caughey, T.K., Response of Van der Pol’s oscillator to random exciations, Trans.ASME J. Appl.Mech. 26:345-348 (1956) [30] Krylov, N., Bogoliubov., Introduction to Nonlinear Mechanics. (trans: Kiev). Prnceton University Press. Princeton (1943) [31] Roberts, J.B., Spanos, P.D., Random Vibration and Statistical Linearization.Wiley, New York (1990) [32] Spanos, P.D., Stockhastic linearization in structural dynamics, Appl. Mech. Rev 34:1-8 (1981) [33] Crandall, S.H., A half-century of sochastic equivalent linearization, Struct. Control Health. Monit. 13:27-40 (2006) [34] Anh, N.D., Hung, L.X., An improved critertion of Gaussian equivalent linearization for analysis of nonlinear stochastic system, J. Sound Vib. 268:177-200 (2003). [35] Redor, J.F (1990), Introduce to Spacecraft Thermal Control, ESA AWP1599 version 1.10 [36] ESATAN-TMS, Thermal engineering manual, prepared by ITP engines UK.Ltd, Whetstene, Leicester, UK 2009. [37] Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Pham Ngoc Chung, Analysis of thermal responses for a satellite with two-node model using the equivalent linearization technique, International Conference on Space, Aeronautical, and Navigational Electronics, Vol. 113(335), pp. 109-114 (2013) . Anh Năm bảo vệ: 2013 Abstract. Trình bày các khái niệm, tổng quan về nhiệt vệ tinh, các môi trường nhiệt trên quỹ đạo vệ tinh, trao đổi nhiệt của vệ tinh, mô hình nhiệt của vệ tinh, các phương. đổi nhiệt mặt trời 13 1.2.3.2. Trao đổi nhiệt albedo 14 1.2.3.3. Trao đổi nhiệt hồng ngoại 14 1.2.3.4. Sự toả nhiệt của vệ tinh 16 1.2.4. Cân bằng nhiệt 16 1.3. Phân tích nhiệt của vệ tinh. Phân tích ứng xử nhiệt của vệ tinh nhỏ theo phƣơng pháp tuyến tính hoá của Grande 24 2.1. Mô hình nhiệt hai nút 24 2.2. Phương pháp Runge – Kutta 4 giải bài toán nhiệt hai nút 27 2.3. Phương