phân tích nhiệt của vệ tinh nhỏ theo mô hình hệ nhiều nút

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HỌ VÀ TÊN PHẠM NGỌC CHUNG PHÂN TÍCH NHIỆT CỦA VỆ TINH NHỎ THEO MÔ HÌNH HỆ NHIỀU NÚT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HỌ VÀ TÊN PHẠM NGỌC CHUNG PHÂN TÍCH NHIỆT CỦA VỆ TINH NHỎ THEO MÔ HÌNH HỆ NHIỀU NÚT Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 60440107 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Đông Anh đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi và thường xuyên động viên để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô giáo Bộ môn Cơ học, Trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN và các thầy cô trong Ban chủ nhiệm Khoa Toán – Cơ – Tin học đã luôn quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu tại Khoa. Tác giả xin cảm ơn các nhà khoa học, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp trong seminar Cơ học vật rắn biến dạng đã có những góp ý quý báu trong quá trình tác giả thực hiện luận văn. Tác giả trân trọng cám ơn các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp Bộ môn Cơ học lý thuyết và trong khoa Đại học Đại cương, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội đã luôn quan tâm, giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Cơ học Công trình, Viện cơ học, Viện hàm lâm khoa học Việt Nam đã tạo điều kiện nghiên cứu trong quá trình tác giả thực hiện luận văn này. Tác giả xin cảm ơn tập thể các thầy cô giáo, các cán bộ Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu của tác giả. Tác giả xin cảm ơn tới thạc sỹ Nguyễn Như Hiếu, Phòng Cơ học Công trình, Viện cơ học, Viện hàm lâm khoa học Việt Nam đã luôn quan tâm, giúp đỡ tác giả trong quá trình tác giả thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn bè thân thiết của tác giả, những người đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả Phạm Ngọc Chung 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 1. Danh mục các thuật ngữ và chữ viết tắt is r Hệ số bức xạ nhiệt t Thời gian a Albedo T Nhiệt độ A Diện tích s  Hệ số hấp thụ Mặt trời C Nhiệt dung  Hệ số phát xạ E Tham số tắt dần  Độ trễ pha s G Hằng số Mặt trời  Nhiệt độ không thứ nguyên H Tỷ số liên kết nhiệt  Biến đổi Fourier của nhiệt độ không thứ nguyên is , ss hh Hệ số liên kết nhiệt  Hằng số Stefan Boltzmann is k Hệ số dẫn nhiệt  Thời gian không thứ nguyên P Chu kỳ  Tần số không thứ nguyên Q Tải nhiệt  Hệ số tắt dần không th nguyên 2. Danh mục các bảng Bảng 1: Hằng số mặt trời của hành tinh và giá trị albedo 13 Bảng 2: Nhiệt độ cân bằng của vệ tinh ở quỹ đạo thấp trong trường hợp đơn giản18 Bảng 3: Giá trị tham số được dùng để tính biến đổi nhiệt trên quỹ đạo 28 3. Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Mô hình bức xạ nhiệt giữa hai vật đen 12 Hình 1.2: Sự trao đổi nhiệt vệ tinh trên quỹ đạo 12 Hình 1.3: Bức xạ albedo vệ tinh 14 Hình 1.4: Năng lượng phát xạ phổ cho bức xạ nhiệt từ trái đất 15 Hình 1.5: Mô hình hình học giữa hai bề mặt 1 A và 2 A 20 Hình 2.1: Mô hình hình học ứng với mô hình toán học hai nút 25 Hình 2.2: Hình vẽ mô tả diện tích mặt chìa của vệ tinh 26 Hình 2.3: Đồ thị tải nhiệt mặt trời và albedo trong một chu kỳ quỹ đạo 27 Hình 2.4: Nhiệt độ nút ngoài và nút trong theo thời gian 28 Hình 2.5: Sự thay đổi nhiệt độ nút ngoài đối với nhiệt độ nút trong 29 Hình 2.6: Những điểm đặc trưng trên vòng giới hạn 30 Hình 2.7: Hệ cơ học một bậc tự do tương đương bài toán phân tích nhiệt 44 Hình 2.8: Hệ số cản là hàm của H với những giá trị khác nhau của C 44 Hình 2.9: Hàm truyền liên hệ dao động nhiệt nút trong với nguồn nhiệt là hàm của tần số 0  với những giá trị  khác nhau 45 Hình 2.10: Sự trễ pha giữa nhiệt đâuù vào bên ngoài và dao động nhiệt nút trong46 Hình 2.11: Đồ thị hàm truyền phụ thuộc và tần số 0  với những giá trị  khác nhau 48 Hình 2.12: Sự trễ pha giữa dao động nhiệt hai nút 49 Hình 2.13: Hàm truyền liên hệ gradient nhiệt với nhiệt đầu vào là hàm của tần số 0  với những giá trị  khác nhau 49 Hình 2.14: Nhiệt độ nút trong theo giải số (RK4) và theo phương pháp của Grande 52 Hình 2.15: Nhiệt độ nút ngoài theo giải số (RK4) và theo phương pháp của Grande 52 Hình 3.1: Nhiệt độ nút trong nút ngoài theo phương pháp tuyến tính hoá tương đương 64 Hình 3.2: Nhiệt độ nút trong, nút ngoài theo phương pháp cân bằng điều hoà 71 Hình 3.3: Mô tả nhiệt độ nút ngoài theo các phương pháp khác nhau 72 Hình 3.4: Hình vẽ phóng to mô tả nhiệt độ nút ngoài theo các phương pháp khác nhau 72 Hình 3.5: Mô tả nhiệt độ nút trong theo các phương pháp khác nhau 73 Hình 3.6: Hình vẽ phóng to mô tả nhiệt độ nút ngoài theo các phương pháp khác nhau 73 Hình 3.7: Biên độ nhiệt nút trong với các giá trị tỷ số nhiệt dung C 74 Hình 3.8: Biên độ nhiệt nút ngoài với các giá trị tỷ số nhiệt dung C 74 4. Danh mục các công trình liên quan tới luận văn của tác giả [1] 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) MỞ ĐẦU Công nghệ vũ trụ là một lĩnh vực công nghệ cao được hình thành nhờ tích hợp nhiều ngành công nghệ khác nhau nhằm tạo ra các phương tiện như vệ tinh, tàu vũ trụ, tên lửa, trạm mặt đất… để khám phá, chinh phục và sử dụng khoảng không vũ trụ phục vụ lợi ích của con người. Khoa học và công nghệ vũ trụ ngày nay đã được ứng dụng hết sức rộng rãi và có hiệu quả thiết thực trong phát triển kinh tế, văn hoá, giáo dục, y tế, an ninh, quốc phòng… của hầu hết các quốc gia tiên tiến trên thế giới, kể cả ở nhiều nước đang phát triển. Từ nửa cuối thế kỷ 20 cho đến nay, nhiều quốc gia đã đầu tư rất lớn vào việc nghiên cứu vũ trụ đặc biệt là công nghệ vệ tinh bởi lẽ càng vươn cao ra ngoài phạm vi không gian, con người càng không ngừng nghiên cứu để tìm hiểu ra nhiều kết quả phục vụ lợi ích và sự phát triển của hành tinh chúng ta. Với xu thế phát triển khoa học công nghệ hiện nay trên thế giới, công nghệ vũ trụ được xác định là một trong những công nghệ ưu tiên cần phát triển trong thế kỷ 21. Vệ tinh nhân tạo được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nó có thể sử dụng để quan sát các hành tinh xa xôi, các thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ, có thể được sử dụng cho mục đích viễn thông, có thể sử dụng để quan sát Trái đất hoặc được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo… Thời tiết được dự báo trước một vài ngày, thậm chí cả tuần là nhờ có một hệ thống các vệ tinh khí tượng từ trên cao thường xuyên chụp ảnh, đo đạc gió, áp suất… gửi về các trạm thu ở mặt đất, rồi các trạm này lại nhờ vệ tinh viễn thông gửi số liệu đi khắp nơi để các đài địa phương tính toán, xử lý, dự báo chi tiết cho địa phương. Hàng triệu người trên Trái đất đã có thói quen xem ti vi với ảnh các đám mây và các xoáy bão khi có bão… tất cả đều là do vệ tinh đem lại. Một số tờ báo, tạp chí, đặc biệt là bản tin tài chính phát hành rất nhanh, kịp thời ở nhiều nơi trên thế giới là nhờ từ toà soạn chế bản xong được gửi qua vệ tinh đến những cơ sở ở các địa phương để in và phát hành tại địa phương đó. Chương trình truyền hình của nhiều đài truyền hình trên thế giới được phát lên vệ tinh, truyền hình cáp ở từng địa phương thu các chương trình từ vệ tinh gửi đến và đưa qua cáp truyền hình truyền đến những gia đình đăng ký sử dụng. Sự kiện gì, [...]... có thể sử dụng mô hình liên tục hoặc mô hình rời rạc Trong luận văn tác giả sẽ phân tích nhiệt cho vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp theo mô hình rời rạc Một vệ tinh có thể được mô hình bởi một nút hoặc nhiều nút, giữa các nút có trao đổi nhiệt với nhau và trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Trong khuôn khổ luận văn tác giả chỉ giới hạn phân tích nhiệt cho vệ tinh theo mô hình hai nút Trong nghiên... vi phân thường bậc hai 2.1 Mô hình nhiệt hai nút Như được trình bày ở phần trước, một vệ tinh nhỏ có thể được mô hình nhiệt hai nút Gọi Ci và Cs là nhiệt dung của nút trong và nút ngoài, Ti và Ts tương ứng là nhiệt độ của chúng Mô hình hình học tương ứng với mô hình toán học này được chỉ ra trong Hình 2.1 Hai nút có liên kết nhiệt với nhau, cả bằng truyền nhiệt và bức xạ nhiệt Khi có sự thay đổi nhiệt. .. đất) 1.2.3.4 Sự toả nhiệt của vệ tinh Vệ tinh tự nó có một nhiệt độ hữu hạn, vì thế nó cũng bức xạ nhiệt vào không gian Vì nhiệt độ của vệ tinh cũng tương tự như nhiệt độ của trái đất (nếu người ta tính đúng) nên nó cũng bức xạ tất cả nhiệt của nó trong vùng quang phổ hồng ngoại 1.2.4 Cân bằng nhiệt Nhiệt độ của vệ tinh phụ thuộc vào sự cân bằng nhiệt nhận từ bên trong bên ngoài và nhiệt bức xạ vào không... đầu của thiết kế nhiệt vệ tinh Có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu bài toán này, chẳng hạn, K Oshima và Y Oshima [14] đã tiếp cận theo hướng giải tích cho phân tích nhiệt của vệ tinh Trong kết quả của C Arduini và cộng sự [15], các tác giả sử dụng kĩ thuật tuyến tính hóa cho bài toán ngược trong điều khiển nhiệt vệ tinh Bài báo của M.A Gadalla [16] đã khảo sát sự thay đổi nhiệt độ của vệ tinh hình. .. vụ của kỹ sư nhiệt là xác định ảnh hưởng của các yếu tố và điều khiển chúng trong những ràng buộc nào đó, chẳng hạn như một hệ thống Do đó đánh giá thiết kế nhiệt cho vệ tinh là một việc cần thiết, từ các đánh giá thiết kế nhiệt ta có thể thu được phân bố nhiệt của các thành phần của vệ tinh, các phân bố nhiệt này sẽ được sử dụng để kiểm tra nhiệt cho vệ tinh Để phân tích nhiệt cho vệ tinh người ta... và phương pháp giải tích của Grande để nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ và sự ổn định nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp Vệ tinh được mô hình nhiệt hai nút, nút trong bao gồm tất cả các thiết bị bên trong nó (phụ tải có ích và điện tử), nút ngoài đại diện là vỏ, những tấm pin năng lượng mặt trời và các thiết bị ở bên ngoài của vệ tinh Trong những phần sau đây, nhiệt độ của hai nút được nghiên cứu... ứng yêu cầu Hệ điều khiển tích cực thường được sử dụng cho các thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ (kính thiên văn, dụng cụ khoa học, đồng hồ nguyên tử…) trong điều kiện môi trường thay đổi hoặc khi hao tán nhiệt thay đổi Trong chương 2 ta sẽ nghiên cứu đáp ứng nhiệt của vệ tinh theo mô hình hai nút dựa trên phương pháp tuyến tính hoá của Grande Chƣơng 2 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHIỆT CỦA VỆ TINH NHỎ THEO PHƢƠNG... TÍNH HOÁ CỦA GRANDE Trong chương này phân tích nhiệt của vệ tinh nhỏ bay theo quỹ đạo quanh trái đất được dẫn ra bằng cách tích phân trực tiếp phương trình cân bằng nhiệt của mô hình thu gọn hai nút, thu được bài toán vi phân thường tuyến tính hoá bậc hai Khi những tải nhiệt (bức xạ mặt trời, bức xạ albedo…) là hàm tuần hoàn, bài toán được giải bằng phương pháp phân tích Fourier Mục đích của chương... xạ vào không gian Để điều khiển nhiệt vệ tinh ta cần phải điều khiển nhiệt hấp thụ, nhiệt bức xạ hoặc cả hai Nếu coi vệ tinh là một vật đen, tức là coi bức xạ của vệ tinh như bức xạ của một vật đen và vệ tinh sẽ hấp thụ tất cả các bức xạ chiếu tới nó, nếu thế thì vệ tinh sẽ có một nhiệt độ nào đó và ta không thể điều khiển nhiệt cho vệ tinh được Tuy nhiên, thực tế vệ tinh không phải là một vật đen,... mô hình nhiệt rời rạc Trong mục này tác giả sẽ mô hình nhiệt rời rạc cho vệ tinh Một vệ tinh có thể được mô hình nhiệt bởi n nút, các nút có liên kết nhiệt với nhau, cả bằng truyền nhiệt và bức xạ nhiệt Khi có sự thay đổi nhiệt độ của một nút nào đó, nhiệt độ của các nút khác cũng sẽ thay đổi và ngược lại Ở một thời điểm cụ thể nút i hấp thụ nhiệt cho bởi: Qexternal ,i  Qi   i Aspace ,i Ti 4  . 15 Hình 1.5: Mô hình hình học giữa hai bề mặt 1 A và 2 A 20 Hình 2.1: Mô hình hình học ứng với mô hình toán học hai nút 25 Hình 2.2: Hình vẽ mô tả diện tích mặt chìa của vệ tinh 26 Hình. để kiểm tra nhiệt cho vệ tinh. Để phân tích nhiệt cho vệ tinh người ta có thể sử dụng mô hình liên tục hoặc mô hình rời rạc. Trong luận văn tác giả sẽ phân tích nhiệt cho vệ tinh nhỏ trên quỹ. chính của các chương bao gồm: - Chương 1 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,