【摘 要】
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阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer,AMS）是安装在国际空间站（International Space Station,ISS）上,用于探测宇宙中的暗物质和反物质,研究宇宙起源的大型高精度高能粒子探测器。AMS依托六组超高精度的探测器进行粒子探测,各探测器的的测量精度均与温度相关。因此,稳定高效的热控制系统成为保障AMS安全稳定运行的基础。对AMS进行在轨运行热分
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阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer,AMS）是安装在国际空间站（International Space Station,ISS）上,用于探测宇宙中的暗物质和反物质,研究宇宙起源的大型高精度高能粒子探测器。AMS依托六组超高精度的探测器进行粒子探测,各探测器的的测量精度均与温度相关。因此,稳定高效的热控制系统成为保障AMS安全稳定运行的基础。对AMS进行在轨运行热分析,不仅可以为制定AMS热控制策略提供支撑,还能为ISS上的其他设备,乃至近地轨道上其他航天器的热管理提供理论依据和技术参考。本文分析了 AMS的外部热环境,利用数值模拟、神经网络、理论计算等方法,结合AMS在轨运行的海量实测温度数据,系统地研究了 AMS在ISS全运行工况下的热流和温度的周期性、瞬时性响应特征。主要研究内容如下:1.基于AMS的在轨能量平衡方程,分析了影响AMS周期性和瞬时性热环境的因素:影响AMS周期性热环境的因素主要包括ISS轨道高度h,轨道周期t,太阳辐射强度S,β角,受晒因子SEF与阴影因子SF等;影响AMS瞬时性热环境的因素还包括θ角,太阳辐射角系数、地球反照角系数和地球红外辐射角系数等。本文基于球面坐标系,推导了 AMS各表面的太阳辐射角系数、地球反照角系数以及地球红外辐射角系数,为后续进行AMS在轨周期性、瞬时性热分析奠定基础。2.采用Thermal Desktop和SINDA/FLUINT软件,对ISS全运行工况下的AMS在轨运行温度进行了模拟研究,研究了 AMS各表面温度的周期性变化规律,分析了轨道参数和ISS运行工况对AMS各表面温度的影响,确定了 AMS RAM和WAKE主散热板在ISS普通运行工况下的极冷和极热工况,提出了确保AMS安全稳定运行的热控制建议。结果表明,AMS各表面的温度随β角的周期性变化而变化,同一部位在不同β角下的轨道平均温度最大可相差31.7℃。ISS轨道参数和运行工况对各表面温度产生的影响不尽相同,在ISS普通运行工况下,当ISS轨道高度为460 km、ISS飞到近日点、β角处在-25°附近时,AMS的RAM和WAKE主散热板会达到极热工况,WAKE主散热板侧的电源分配系统（Power Distribution System,PDS）处会触发高温预警,此时垂直锁定ISS右侧太阳能电池板可以有效降低PDS的温度,该研究结果为制定AMS的热控制策略提供依据。3.采用误差反向传播（Back Propagation,BP）神经网络模型,对ISS全运行工况下的AMS各表面及重点部位的在轨运行温度进行了研究。分别构建了 ISS普通运行工况和ISS特殊运行工况下的AMS在轨运行BP神经网络温度预测模型,基于AMS加装热毯后2016年1月1日至2017年12月31日两年的实测温度数据训练了该BP神经网络模型,得到了可以快速准确地预测AMS各表面和重点部位温度周期性变化的模型,并应用该模型预测了这些位置的轨道平均温度。结果表明,在ISS普通运行工况下,AMS各表面和重点部位的轨道平均温度分别为:顶部-12.4℃到-4.3℃,左侧+2.7℃到+14.2℃,右侧-9.8℃到+29.4℃,前方-4.1℃到+4.5℃,后方+0.4℃到+24.2℃,BOX-C+10.4℃到+20.1℃,PDS+18.6℃到+40.4℃,各轨道平均温度在全β角下均处于热控制需求范围内,证实了加装热毯后AMS现有热控制系统的有效性。BP神经网络模型的预测结果与数值模拟结果的对比表明,机器学习是一种高效、准确的对AMS进行周期性热分析的方法。4.建立了 AMS在轨外热流的理论模型,研究了 AMS各表面轨道空间外热流的瞬时变化规律,基于AMS在轨实测温度数据验证了理论模型,并进一步分析了 ISS特殊操作对AMS外热流的影响。分析了 AMS左侧加装热毯对各部件温度产生的影响,并就温度异常频发的PDS应用理论模型进行了 ISS全运行工况下的瞬时性温度响应分析。结果表明,AMS各表面的瞬时轨道空间外热流随轨道位置变化,且ISS特殊操作对AMS不同表面的影响各有不同。相较于调整ISS右侧辐射板,锁定ISS太阳能电池板和调整ISS飞行姿态对AMS外热流的影响更为显著。β角为-25°时,PDS处的总在轨外热流最大,这是AMS加装热毯后PDS在-25°β角附近出现多次高温预警的根本原因。PDS处的瞬时温度响应迟滞约为230秒,因此极热工况下,为确保PDS的安全稳定运行,需要在其温度突破高温预警线前约4分钟垂直锁定ISS右侧太阳能电池板,该研究结果完善了 AMS的热控制策略。
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