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系統識別號 U0002-2707200713572000
中文論文名稱 TUUSAT-1A微衛星熱控系統設計與分析
英文論文名稱 The Design and Analysis of Thermal Control System for Micro-satellite, TUUSAT-1A
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 李世維
研究生英文姓名 Shih-Wei Li
學號 694341479
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-13
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-謝清志
委員-翁瑞麟
委員-陳彦升
中文關鍵字 熱控制  熱控塗層  微衛星 
英文關鍵字 thermal control  coating  Micro-satellite 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文是以設計TUUSAT-1A微衛星熱控子系統為目的,完成TUUSAT-1A微衛星熱控子系統的程式模擬分析。初步設計是28正立方公分微衛星幾何外形,搭配衛星任務需求,使用被動式磁棒的旋轉方式,並利用節點網格法的分析模式,以數值疊代方法來求解非線性能量方程式中的衛星溫度。且以被動式熱控技術,使衛星內元件能在安全溫度下正當運作。在假設衛星不同beta angle及衛星worse case的狀況下時,計算衛星的內外表面溫度變化情形,並且比較各元件操作溫度,將衛星內部溫度維持在各元件的操作溫度下,使衛星能完成其各項任務。最後根據TUUSAT-1A之熱控設計的方法及模擬的數據,可以作為日後不同任務需求,對衛星溫度的參考。
英文摘要 This paper employed the thermal Network Method to simulate satellite, TUUSAT-1A (28×28×28cm³) which employed the passive thermal control device and discussed the effects of various spin speed, altitude, beta angle and finish of the satellite on the thermal control system. When the TUUSAT-1A Micro-satellite under the different beta angles and different worse case conditions, we simulated and calculated the temperatures of inside and outside surface individually, and compared the component’s operating temperature. The final results show that, for each possible beta angle, the present thermal design is able to maintain each component’s temperature within their allowable ranges with an uncertainty margin of 5℃.
論文目次 目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
符號說明 VIII
名詞解釋 XI
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機與目的 6
第二章 衛星任務與熱控子系統 8
2-1 衛星任務目標與需求 8
2-2 TUUSAT-1A微衛星系統架構 9
2-3 衛星熱控系統設計流程 11
2-4 衛星熱控系統的需求 13
第三章 衛星熱控理論分析 15
3-1 衛星熱控制技術 15
3-1-1 主動式熱控制 16
3-1-2 被動式熱控制 17
3-2 熱平衡分析 18
3-3 節點網格法 20
3-4 衛星軌道陰影區 22
3-5 衛星軌道外熱源 24
3-5-1太陽直接輻射角係數 24
3-5-2 地球紅外輻射角係數 25
3-5-3 地球反射輻射角係數 26
3-6 衛星內外表面輻射形狀因子與輻射吸收因子 27
3-6-1輻射形狀因子 27
3-6-2輻射吸收因子 29
3-7衛星溫度場計算 30
3-7-1 衛星穩態溫度場 30
3-7-2 衛星暫態溫度場 32
第四章 TUUSAT-1A實例模擬分析 34
4-1結構配置 34
4-2熱控系統設計方法 36
4-3熱控設計參數 37
4-4熱控模型 37
4-3分析結果 38
第五章 結論與未來展望 42
附錄一、Simple Thermal Analytical Models 44
參考文獻 45
表目錄
表2-1 TUUSAT-1A熱控需求與限制 48
表2-2 TUUSAT-1A元件操作溫度與電源估算 48
表4-1熱控環境參數 49
表4-2材料參數 49
表4-3不同Beta之溫度比較(Cold environmental constants) 50
表4-4不同Beta之溫度比較(Hot environmental constants) 50
表4-5內部節點溫度範圍 50
表4-6 Tray1內部溫度與元件溫度比較 51
表4-7 Tray2內部溫度與元件溫度比較 51
表4-8 Tray3內部溫度與元件溫度比較 51
表4-9 Tray4內部溫度與元件溫度比較 51
表4-10絕熱螺栓材料熱性質 52
表4-11加入絕熱螺栓內部平均溫度比較 52
圖目錄
圖1-1熱控系統組成示意圖 53
圖2-1 TUUSTA-1A結構示意圖 53
圖2-2 微衛星系統架構圖 54
圖2-3 熱控設計流程圖 55
圖3-1 以太陽為觀點的衛星軌道平面圖 56
圖3-2 衛星的輻射-傳導系統 56
圖3-3 太陽光和i節點表面的夾角 57
圖3-4 角及 角示意圖 57
圖3-5 衛星-地球連線和陽光之夾角 及衛星表面法向量和地心之夾角 58
圖3-6 形狀因子的概念 58
圖3-7 形狀因子的等值性 59
圖3-8 形狀因子的等加性 59
圖3-9 封閉體形狀因子的完整性 60
圖3-10 類型A(相平行的兩長方形) 60
圖3-11 類型B(相鄰的兩長方形) 61
圖4-1 被動式磁棒控制示意圖 61
圖4-2第一層-電腦層 62
圖4-3第二層-電源層 62
圖4-4第三層-通訊層 63
圖4-5第四層-BCR層 63
圖4-6太陽能板貼附位置示意圖 64
圖4-7太陽角(Beta angle)示意圖 64
圖4-8 TUUSAT-1A太陽角示意圖 65
圖4-9 內節點圖 65
圖4-10外節點圖 66
圖4-11太陽能板節點圖 66
圖4-12理論分析流程圖 67
圖4-13熱控溫度計算流程圖 68
圖4-14 no thermal control內部平均溫度圖 69
圖4-15內部平均溫度圖(coating e=0.7) 69
圖4-16內部平均溫度圖(coating e=0.8) 69
圖4-17內部平均溫度圖(altitude 300km) 70
圖4-18內部平均溫度圖(altitude 700km) 71
圖4-19內部節點平均溫度分布圖(轉速0.3rpm) 71
圖4-20內部節點平均溫度分布圖(轉速0.2rpm) 72
圖4-21內部節點平均溫度分布圖(轉速0.1rpm) 72
圖4-22內部節點平均溫度分布圖(cold case) 73
圖4-23內部節點平均溫度分布圖(hot case) 73
圖4-24絕熱螺栓設計圖 74
圖4-25內部平均溫度圖(無螺栓) 74
圖4-26內部平均溫度圖(加入螺栓) 75
圖4-27簡易熱分析模式內部平均溫度圖 75

參考文獻 [1]John J. Chapter, Gary W. Johnsen, “Thermoelectric Device Application To Spacecraft Thermal Control”, J. of Spacecraft and Rockets, Vol. 11 NO.3 March 1974 p159-164.
[2]Salazar, S. W. Petrick, and L. C. Wen ,“System Test and Flight Results form Infrareed Astronomical Satellite External Thermal Subsystem”, J. of Spacecraft and Rockets, Vol. 22, Iss.2, 1985, pp.166~169.
[3]潘增富,“整星穩態溫度的熱網格分析方法”,中國空間科學術,1987年12月第六期,pp.37-44,1987.
[4]潘增富,馬式明,“衛星瞬態溫度場的計算分析”,中國空間科學技術,1988,第五期,pp.22~29
[5]閔桂榮,“微衛星熱控制技術”,大陸宇航出版社,1991.
[6]Chin, T. D. Panczak and L. Fried, “Spacecraft Thermal Modeling”, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol.35, 1992, pp.641~653.
[7]William J. Krotiuk, “Engineering testing of the capillary pumped loop thermal control system for the NASA EOS-AM spacecraft”, IEEE, 27 July-1 Aug. 1997 Page(s):1463 - 1469 vol.2
[8]Chia-Ray Chen, Jin-Run Tsai, and Lee H. Ting, “Thermal Control Analysis Of ROCSAT-2 Satellite External Units.” CIROC CSCA AASRC Joint Conference, CI-69, Taoyuan, March 17, 2001.
[9]CIC Richard Lyon, LtCol Jerry Sellers, Craig Underwood, “Small satellite thermal modeling and design at USAFA: FalconSat-2 applications”, IEEE, Volume 7, 9-16 March 2002 Page(s):7-3391 - 7-3399 vol.7
[10]Lee-Her Hu, Ming-Shong Chang, and Jih-Ruh Tsai, “Thermal Control Design and Analysis for a Picosatellite-YamSat,” Transactions of the Aeronautical and Astronautical Society of the Republic of China, Vol.35, No.3, pp.227-233, 2003
[11]Christopher M. Schuster, Matthew Beasley, Samara Firebaugh, Dawnielle Farrar, Robert Osiander, Ann Darrin, and Doug Mehoke, “Operational Characterization System and Communication Interface for Microelectromechanical (MEM) and Passive Thermal Switches for the MidSTAR Satellite Program”, IEEE Volume 3, 16-19 May 2005 Page(s):1652 – 1657
[12] K. Badari Narayana , V. Venkata Reddy “Thermal design and performance of HAMSAT” Acta Astronautica, v 60, n 1, January, 2007,p 7-16
[13] 呂立鑫,“微衛星熱控系統之分析與設計〈I〉-四方柱與六方柱型衛星的探討”,國立中央大學機械工程學研究所碩士論文,1996.
[14] 張玉宏,“微衛星熱控系統之分析與設計〈I〉-三角柱與圓柱型衛星的探討”,國立中央大學機械工程學研究所碩士論文,1996.
[15] 彭光代,“自旋穩定與重力梯度穩定對微衛星溫度分佈之分析”,國立中央大學機械工程學研究所碩士論文,1997.
[16] 洪裕民,“微微衛星之結構與熱控分析”,國立中央大學機械工 程學研究所碩士論文,2003.
[17] 李耀宗、鄭朝恩、李世維、洪祖昌,“TUUSAT-1微衛星熱控系統之分析與設計-被動式磁棒姿態控制系統” AASRC/CCAS Joint Conference pp 227 2006
[18]James R. Wertz. ,Wiley J. Larson, “Space Mission Analysis and Design. “Kluwer Academic Publisher, 1991
[19]D. G. Gilmore, “Satellite Thermal Control Handbook”, The Aerospace Corporation Press. EI EGUNDO, 1994, pp.2.3~5.86.
[20]P. W. Fortescus, John. P. W. Stark, “Spacecraft Systems Engineering”, John Wiley and Sons Inc., 1991, pp.275~301.
[21]Sparrow and R. D. Cess, “Radiation Heat Transfer”. State University of New York at Stankar, ”Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”
, Hemishphere Publishing, New York, 1972.
[22]London, “A Thermal Control of the NIMBUS Satellite System.” General Electric Msd, AIAA Unmanned Space meeting.
[23]Michael, “Radiative Heat Transfer”, McGraw-Hill Book Company, 1993.
[24]R. K. Mcmordie, “Thermal Control”, Wren Software Inc., 1992.
[25]Gilmore, “Satellite Thermal Control Handbook”, The Aerospace Corporation Press. EI EGUNDO, 1994.
[26]何旭川,蘇艾,張國揚和盧盈庄,“太空熱環境之結構分析”,中國航空太空學會第三十七屆學術研討會,台北,1995,pp.853~862.
[27]Feingold, “Radiative Interchange Configuration Factors between Various Selected Plane Surface”, Proc. R. Soc. London, Vol.292, No.1428, pp.51~60, 1996.
[28]S.V. Patankar, “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, Hemishphere Publishing, New York, 1972, pp.41~77.
[29]Jih-Ruh Tsai, “Overview of Satellite Thermal Analytical Model, ”Journal Of Spacecraft and Rockets, Vol.41, No.1,2004
[30]林宗憲, “被動式磁棒控制於微衛星TUU SAT-1姿態控制系統之應用與研究” ,國立中央大學機械工程研究所碩士論文, 1999.
[31]Ming-Shong Chang, Chia-Ray Chen, Jeng-Der Huang, Jin-Run Tsai “FORMOSAT-3 Satellite Thermal Control Design and Analysis”, Journal of Aeronautics, Astronautics and Aviation
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