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
红外灯及其灯阵的热流分布研究
2
丝，假设灯丝为灰体，它发射的粒子其波长随温度的变化规律与同温度黑体相同，
具有漫发射漫反射特性，物性参数包括发射率和反射率；灯管，灯管与周围其他
物体的辐射被考虑到模型中，假设它与管内气体以及管外环境的交界面为镜面反
射，它的物性参数包括发射率、吸收率和折射率；反射膜，反射膜材料多为陶瓷
和镀金，考虑的物性参数为反射率[23]。
选用红外灯作红外辐射源时，红外加热器是一个相应的红外灯阵。有了单灯
的热流分布后，就可以进行所需的灯阵设计了。设计灯阵时一般要遵循如下技术
要求：灯阵辐射到规定区域上的热流值要满足最大和最小吸收热流值的需要；每
个区域内的热流分布不均匀度一般应限制在±10％以内[15]；灯阵对航天器的遮挡要
尽量小；各个区域之间的热流相互影响要尽量小；灯阵支架的热容应尽量小;灯的
安装位置要便于调整。
设计灯阵一般分两步进行[15]
1)根据所需最大热流和热流分布不均匀度要求以及单灯性能，从理论上进行分
析计算。为了改善每个区边缘部分热流值偏小和尽量减小热流溢出，一般要在灯
阵周围加挡板。灯的数量及排列的确定必须保证灯阵辐射到规定表面上的热流值
及热流分布的均匀度满足试验的要求。
2)根据计算结果设计的灯阵，在进行热流和热流分布不均匀度的测量及计算
时，如果实测结果不满足试验需要，应适当改变灯的布放位置和挡板尺寸，必要
时还可适当增布一些小功率的灯，直至满足试验要求为止。
由红外灯阵的设计与验证可知，红外灯阵热流分布均匀度是热流模拟的主要
技术指标，直接影响到外热流模拟的准确性和热平衡试验的有效性。本文就是针
对红外灯阵热流分布均匀性问题，通过 CFD 数学仿真的方法，对红外单灯的热流
分布和灯阵热流分布均匀性进行研究，为进一步的红外灯阵热流模拟研究提供参
考。
1.2 红外灯模拟试验和计算的发展
1.2.1 国外研究现状
国外对于红外灯模拟技术的研究较早，也较为成熟。红外模拟方法是在地面
设备中实现空间外热流环境模拟的最早方法，国外在 50 年代末就投入使用。美国
洛克希德导弹与空间公司于 1961 年建成世界上第一台称为高真空轨道模拟器的空
间模拟器，即采用石英灯制成的红外模拟器来模拟空间外热流环境[4]。
二十世纪七十年代，NASA 开始采用红外灯外热流模拟进行卫星真空热试验，
与此同时 Williams 等初步进行了辐射热流模型的研究[5]。
二十世纪八十年代，Turner 等人对带不同反射罩的红外灯阵的热流分布进行
第一章 绪 论
3
了分析。其还对有反射罩或无反射罩红外单灯的热流分布从理论上做了进一步分
析，通过理论解析法给出了较为精确的单灯热流分布数学模型[6]。与此同时，欧空
局的 Sanger 等提出了采用将红外灯垂直与水平交叉排布的方法来提高红外灯阵热
流分布的均匀度[7]。
二十世纪九十年代，随着计算机计算速度的迅速提高，一种新的方法蒙特卡
罗法（Monte Carlo），开始被广泛应用于计算红外灯的热流分布，该方法是通过
光子轨迹追踪来获得红外灯的能量分布[8,9]。蒙特卡罗方法与解析法相比具有适应
性强的优点, 同时蒙特卡罗方法可以有效解决解析法无法处理的粒子在石英玻璃
管内的折射、反射等复杂过程。因此, 目前蒙特卡罗方法被广泛应用于红外灯热流
分布的求解。其中比较有代表性的是美国 NASA 的Turner 等人的研究。Turner 等
人用蒙特卡罗法计算了红外灯的热流分布，总结出红外灯的热流分布规律，并进
行了试验，试验结果与计算结果相符合。计算时，他们考虑了红外灯功率变化引
起的灯丝温度和灯丝光谱分布的变化，同时考虑了石英玻璃反射率等物性对光谱
的选择性，因此计算精度很高[10,11]。与此同时，Frey 等人对德国 IABG 公司试验
用飞利浦红外灯的光谱分布进行了研究，红外灯型号为 13195X/98，额定功率为
1000W。Frey 等人的研究仅考虑灯丝的光谱分布，未考虑石英玻璃灯管对光谱分
布的影响[12,13]。
2004 年，NASA 的Robert A.Ziemke 等在对空间站散热器进行高低温循环试验
时应用了红外灯阵，该红外灯阵由 203 盏石英灯组成，并做成开门形式，进行遥
控控制，他们还对部分灯阵的热流密度均匀度进行了数值分析，先根据经验设置
红外灯阵中各灯之间的间距以及灯阵与试验件的相对位置，然后进行计算，对热
流均匀性不符合要求的位置，重新调整并重新计算，直至整个灯阵的热流均匀性
满足要求[14]。
1.2.2 国内研究现状
在国内，红外灯模拟技术的研究较晚，红外灯加热技术直到80年代末，90年
代初才刚刚研究使用，其主要原因还在于我国热平衡试验方法一般为稳态试验法，
在此基础上已有了较为成熟的红外笼和接触式电加热器加热技术，而红外灯的使
用有一定的技术难度。目前红外灯技术在国内有了相当程度的发展, 并已经多次用
于航天器的外热流模拟。
我国 1988 年开始研究红外模拟技术在航天器真空热试验中的应用，原中国空
间技术研究院“卫星瞬变热流红外模拟技术研究”研究小组分别研制了 1000W 和
500W 两种钨丝石英灯，作为红外源，限于当时的条件，只作了 500W 的钨丝石英
灯距试件 400mm 的距离、满功率下的辐照度分布测试，得到以 X、Y两维坐标为
红外灯及其灯阵的热流分布研究
4
参数的数学表达式。而后在此基础上进行了一系列的实验研究[15]。
2002 年，郭赣与郝亚新对红外灯功率特性进行了测试，并对动态测试结果进
行了分析。通过测试数据拟合的稳态功率-电流方程，为设计红外模拟系统控制方
案提供依据[16]。与此同时，万强、王奕荣等人利用 Monte Carlo 方法，对红外灯阵
在被照面上的热流分布进行数学模拟，研究灯阵中各参数对热流不均匀度的影响。
作为工程应用的例子，还模拟了某型号太阳电池板红外灯阵的热流分布，给出了
灯阵热设计的若干建议[17]。
2003 年，贾阳、崔俊峰等人通过实验证实利用硅光电池进行红外灯阵热流密
度不均匀度测量是可行的，且负载电阻应尽量小，一般为 1
。还对不均匀度的评
价指标进行了分析，建议在使用
作为不均匀度评价指标的同时，增加一个相对标
准差指标
，并建议其应小于 2.5%[18]。与此同时，万强、贾阳等人利用 Monte Carlo
方法模拟红外灯阵的辐照情况，并讨论了红外灯高度对辐照不均匀度的影响,并在
优化理论的基础上，利用坐标轮换法优化每盏红外灯的高度[19]。
2004 年，袁伟峰、郄殿福等人分析了硅光电池用于红外灯阵热流不均匀度测
量的原理，建立了硅光电池的简化数学模型，并用非线性最小二乘拟合方法，根
据少量测量数据较准确地求得了硅光电池等效参数。另外，其还推导了硅光电池
光生电流与达到热流密度的关系，并探讨了红外灯阵热流不均匀度的测试方法[20]。
2005 年，余谦虚通过对红外灯、被照面及挡板几何关系的分析，利用 Monte
Carlo 法模拟了红外灯阵的辐射情况，编制相应的计算程序对模拟外热流进行了研
究，提出了红外灯阵的外热流模拟方案[21]。
2010 年，尹晓芳、刘守文等人采用蒙特卡罗法建立了红外灯单灯热流分布模
型并在真空低温环境下进行了红外灯热流分布测试，以验证模型的准确性。对比
分析表明，模型计算结果与实测结果偏差在 5%以内，满足设计要求，可以作为红
外灯阵热流分布模型的建立和红外灯阵热流优化的基础[22]。与此同时，刘守文、
裴一飞等人对航天器真空热试验用红外灯的光谱分布进行研究。通过对红外灯电
流-电阻相关分析和数值拟合，建立了红外灯的功率计算模型和红外灯灯丝温度计
算模型以及红外灯石英玻璃管的温度计算模型；最终给出了红外灯在不同电流下
光谱分布模型。[23]
2011 年，杨国巍、苏新明等人对某型卫星真空热试验用红外灯阵进行了优化
计算，根据优化结果对实际灯阵进行安装并测试热流均匀性，得到的实际结果与
计算结果接近，以上工作对缩短红外灯阵热流均匀性测试时间，提升我国热试验
水平有较重要的意义[24]。与此同时，裴一飞、刘守文等人针对形状复杂的月球探
测器的热流模拟问题进行研究。应用单灯热流分布计算模型生成单灯热流分布数
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2025-01-09 21
作者：赵德峰
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：88 页
大小：4.47MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
