Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM NGỌC CHUNG NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG NHIỆT CỦA VỆ TINH NHỎ TRÊN QUỸ ĐẠO THẤP CHỊU TÁC DỤNG CỦA MÔI TRƯỜNG NHIỆT VŨ TRỤ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM NGỌC CHUNG NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG NHIỆT CỦA VỆ TINH NHỎ TRÊN QUỸ ĐẠO THẤP CHỊU TÁC DỤNG CỦA MÔI TRƯỜNG NHIỆT VŨ TRỤ Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh 2. PGS. TS. Đinh Văn Mạnh Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN DANHTôi MỤC TỪ VIẾT xinCÁC cam đoan đây làTẮT công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là n, N số nguyên dương trung thực. số bất kỳ p, q, r, ,  , Q Tác giả luận án f  n t  đạo hàm cấp n của hàm f Dap f  t  đạo hàm và tích phân cấp phân số p của hàm f G Dap f  t  Phạm Ngọc Chung đạo hàm và tích phân cấp phân số theo Grünwald - Letnikov R Dap f  t  đạo hàm và tích phân cấp phân số theo Riemann – Liouville C Dap f  t  đạo hàm cấp phân số theo Caputo W p D f t  tích phân cấp phân số theo Weyl D_E D0p f  t  đạo hàm cấp phân số theo Davision – Essex   . hàm Gamma   . hàm Beta  . hàm Mittag – Leffler một tham số E ,  . hàm Mittag – Leffler hai tham số . Trung bình theo thời gian x Đạo hàm theo thời gian của x MPS Mô phỏng số ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Đông Anh và PGS.TS Đinh Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi và thường xuyên động viên để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cảm ơn tập thể các thầy cô giáo, các cán bộ Khoa Cơ học và Tự động hóa, Học viện Khoa học và Công nghệ đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ nghiên cứu sinh trưởng thành trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Phòng Cơ học công trình, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu tại Phòng. Tác giả xin cảm ơn các nhà khoa học, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp trong seminar Cơ học kỹ thuật đã có những góp ý quý báu trong quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cám ơn các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học lý thuyết, Khoa Khoa học cơ bản, Trường Đại học Mỏ-Địa chất đã luôn quan tâm, giúp đỡ và động viên để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Như Hiếu đã có nhiều thảo luận và trao đổi hữu ích trong quá trình nghiên cứu của tác giả luận án. 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 án này. iii MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................... i Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục các thuật ngữ và chữ viết tắt ........................................................... vi Danh mục các bảng.......................................................................................... vii Danh mục các hình vẽ ..................................................................................... viii Mở đầu .............................................................................................................. 1 Chương 1. Tổng quan về bài toán phân tích nhiệt vệ tinh ................................. 5 1.1. Tổng quan về vệ tinh ............................................................................................ 5 1.1.1. Khái niệm và phân loại vệ tinh .................................................................5 1.1.2. Các khối chức năng cơ bản của vệ tinh ....................................................7 1.1.3. Quá trình điều khiển nhiệt ........................................................................9 1.2. Mô hình toán học cho bài toán phân tích nhiệt vệ tinh ...................................... 10 1.2.1. Nút nhiệt ................................................................................................. 11 1.2.2. Sự truyền nhiệt giữa các nút ................................................................... 13 1.2.3. Qũy đạo thấp và các tải nhiệt môi trường vũ trụ tác động lên vệ tinh ... 16 1.3. Phương trình cân bằng nhiệt của vệ tinh dạng tổng quát .................................. 21 1.4. Vấn đề giải bài toán phân tích nhiệt vệ tinh ....................................................... 22 1.5. Tóm tắt các bước phân tích nhiệt cho vệ tinh .................................................... 22 1.6. Tổng quan về một số vấn đề trong bài toán phân tích nhiệt vệ tinh .................. 23 1.7. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 32 Chương 2. Phân tích đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp dựa trên mô hình nhiệt một nút ..................................................................................... 33 2.1. Mô hình nhiệt một nút ........................................................................................ 33 2.2. Các nguồn nhiệt tác động lên vệ tinh trong mô hình một nút ............................ 33 2.2.1. Bức xạ mặt trời .......................................................................................33 2.2.2. Bức xạ albedo của Trái đất .....................................................................34 2.2.3. Bức xạ hồng ngoại ..................................................................................35 iv 2.3. Phương trình cân bằng nhiệt một nút ................................................................. 35 2.4. Phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo tiêu chuẩn đối ngẫu ............... 36 2.5. Nghiệm xấp xỉ cho phương trình cân bằng nhiệt một nút................................. 39 2.6. Cách tiếp cận dựa trên giả thiết của Grande cho mô hình nhiệt một nút .......... 41 2.7. Phân tích nhiệt cho mô hình một nút ................................................................. 43 2.7.1. Phương pháp Newton-Raphson giải hệ của hệ đại số phi tuyến của các hệ số tuyến tính hóa ..........................................................................................43 2.7.2. Đáp ứng nhiệt trong mô hình nhiệt một nút ..........................................46 2.8. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 54 Chương 3. Phân tích đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp dựa trên mô hình nhiệt hai nút ..................................................................................................... 55 3.1. Mô hình nhiệt hai nút ......................................................................................... 55 3.2. Các tải nhiệt tác động lên vệ tinh trong mô hình nhiệt hai nút .......................... 55 3.3. Phương trình cân bằng nhiệt hai nút .................................................................. 56 3.4. Cách tiếp cận giải tích dựa trên giả thiết của Grande cho mô hình nhiệt hai nút 58 3.4.1. Nhiệt độ cân bằng trung bình .................................................................58 3.4.2. Dao động nhiệt quanh nhiệt độ trung bình .............................................58 3.5. Tiêu chuẩn đối ngẫu của phương pháp tuyến tính hóa cho mô hình nhiệt hai nút .............................................................................................................................. 60 3.6. Phân tích nhiệt cho mô hình hai nút ................................................................. 66 3.6.1. Diễn tiến nhiệt độ của các nút theo thời gian ........................................67 3.6.2. Vòng giới hạn và tính nhạy cảm của điều kiện đầu ..............................68 3.6.3. Phân tích sai số và thời gian nghiệm .....................................................71 3.6.4. Sự phụ thuộc của nhiệt độ trung bình và biên độ nhiệt vào nhiệt dung 75 3.7. Đặc điểm của phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo tiêu chuẩn đối ngẫu khi áp dụng cho bài toán nhiệt vệ tinh ............................................................. 79 3.8. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 80 Chương 4. Tính toán đáp ứng nhiệt cho vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp sử dụng mô hình nhiệt nhiều nút................................................................................... 82 4.1. Nghiên cứu đáp ứng nhiệt cho cánh vệ tinh ....................................................... 82 v 4.1.1. Mô hình nhiệt hai nút cho cánh vệ tinh ..................................................82 4.1.2. Quỹ đạo và tư thế vệ tinh trong tính toán nhiệt cho cánh .....................82 4.1.3. Các nguồn nhiệt tác động lên cánh ........................................................84 4.1.4. Phương trình cân bằng nhiệt hai nút của cánh ......................................89 4.1.5. Đáp ứng nhiệt của cánh .........................................................................90 4.2. Nghiên cứu đáp ứng nhiệt cho một vệ tinh dạng hình hộp chữ nhật ............... 92 4.2.1. Mô hình nhiệt sáu nút cho vệ tinh và các kịch bản quỹ đạo của nó ......92 4.2.2. Kịch bản Cold Case cho mô hình nhiệt sáu nút (CC) ...........................93 4.2.3. Kịch bản Hot Case (HC) cho mô hình nhiệt sáu nút ...........................102 4.3. Nghiên cứu đáp ứng nhiệt cho vệ tinh hình hộp khi gắn thêm cánh.............. 103 4.3.1. Mô hình nhiệt tám nút cho vệ tinh.......................................................103 4.3.2. Kịch bản Cold Case (CC) ....................................................................104 4.3.3. Kịch bản Hot Case đối với thân vệ tinh (HC1) ...................................113 4.3.4. Kịch bản Hot Case đối với cánh vệ tinh (HC2)...................................113 4.4. Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 114 Kết luận chung............................................................................................... 116 Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của tác giả ....... 118 Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 119 vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT alb Viết tắt của từ tiếng Anh (alb: albedo) sol Viết tắt của từ tiếng Anh (sol: solar) dis Viết tắt của từ tiếng Anh (dis: dissipation) AU Đơn vị vũ trụ (khoảng cách trung bình giữa Mặt trời và Trái đất, khoảng 150 triệu km) CC Cold Case: Một kịch bản dùng trong tính toán nhiệt vệ tinh HC Hot Case: Một kịch bản dùng trong tính toán nhiệt vệ tinh IR Bức xạ hồng ngoại (IR: Infared Radiation) LEO Viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Low Earth Orbit”: quỹ đạo thấp quanh Trái đất MEO Viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Medium Earth Orbit”: quỹ đạo tầm trung quanh Trái đất HEO Viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Highly Elliptical Orbit”: quỹ đạo tầm cao dạng elip RK   G DC Runge-Kutta Giá trị trung bình thu được từ phương pháp Grande Giá trị trung bình thu được từ phương pháp tuyến tính hóa theo tiêu chuẩn đối ngẫu (DC: Dual Criterion)  CL Giá trị trung bình của đáp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa thông thường (CL: Conventional Linearization) G Biên độ đáp ứng thu được từ phương pháp Grande  DC Biên độ áp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa theo tiêu chuẩn đối ngẫu  CL Biên độ áp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa theo tiêu chuẩn thông thường vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Ngưỡng nhiệt độ của các thiết bị vệ tinh ...................................................9 Bảng 2.1. Tham số hệ dùng để tính toán đáp ứng nhiệt của vệ tinh trong mô hình một nút.......................................................................................................................46 Bảng 2.2. Nhiệt độ trung bình không thứ nguyên với các giá trị nhiệt dung C khác nhau ...........................................................................................................................50 Bảng 2.3. Biên độ nhiệt không thứ nguyên với các giá trị nhiệt dung C khác nhau ...50 Bảng 3.1. Các tham số hệ dùng để tính toán đáp ứng nhiệt của vệ tinh cho mô hình nhiệt hai nút ...............................................................................................................67 Bảng 3.2. Nhiệt độ trung bình không thứ nguyên của nút ngoài với các giá trị nhiệt dung C2 khác nhau ...................................................................................................78 Bảng 3.3. Biên độ nhiệt không thứ nguyên của nút ngoài  với các giá trị nhiệt dung C2 khác nhau ...................................................................................................78 Bảng 4.1. Các tham số hệ dùng trong tính toán nhiệt cho cánh vệ tinh ...................84 Bảng 4.2. Thứ tự các nút trong tính toán nhiệt của mô hình sáu nút ........................94 Bảng 4.3. Các tham số vật liệu trong tính toán nhiệt của mô hình sáu nút ..............94 Bảng 4.4. Giá trị của Ci và Qdis ,i trong tính toán nhiệt của mô hình sáu nút ...........99 Bảng 4.5. Nhiệt độ ước lượng lớn nhất và nhỏ nhất của các nút trong mô hình sáu nút trong kịch bản CC .............................................................................................102 Bảng 4.6. Thứ tự các nút trong tính toán nhiệt trong mô hình tám nút ..................105 Bảng 4.7. Các tham số vật liệu trong tính toán nhiệt mô hình tám nút ..................105 Bảng 4.8. Giá trị của Ci và Qdis ,i cho tính toán nhiệt trong mô hình tám nút ........108 Bảng 4.9. Nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất của các nút trong mô hình tám nút ........109 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Thang đo phân loại vệ tinh theo khối lượng...............................................6 Hình 1.2. Các phân hệ vệ tinh và chức năng của nó ..................................................7 Hình 1.3. Minh họa rời rạc hóa một miền thành các nút với nhiệt độ và nhiệt dung tương ứng ..................................................................................................................11 Hình 1.4. Dẫn nhiệt giữa hai nút ..............................................................................13 Hình 1.5. Truyền nhiệt bằng đối lưu ........................................................................13 Hình 1.6. Mô hình trao đổi bức xạ giữa hai bề mặt..................................................15 Hình 1.7. Minh họa hình học khi tính hệ số quan sát giữa hai bề mặt .....................16 Hình 1.8. Định hướng mặt phẳng quỹ đạo với mặt trời ...........................................17 Hình 1.9. Sự trao đổi nhiệt của vệ tinh trên quỹ đạo thấp của Trái đất ....................18 Hình 2.1. Dáng điệu bức xạ mặt trời và bức xạ albedo trong một chu kỳ quỹ đạo..35 Hình 2.2. Sơ đồ giải lặp cho phương trình (2.45) bằng phương pháp NewtonRaphson .....................................................................................................................44 Hình 2.3. Miền hút của phương pháp Newton-Raphson cho hệ phi tuyến của các hệ số tuyến tính hóa a và b .........................................................................................45 Hình 2.4. Diễn tiến nhiệt độ không thứ nguyên với các điều kiện đầu 0    0  khác nhau...................................................................................................................47 Hình 2.5. Quỹ đạo pha của nhiệt độ không thứ nguyên    trong ba chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh ..........................................................................................................47 Hình 2.6. Diễn tiến của nhiệt độ không thứ nguyên    với các phương pháp khác nhau...................................................................................................................48 Hình 2.7. Đồ thị của P và H của tải nhiệt đầu vào ...................................................48 Hình 2.8. Nhiệt độ trung bình không thứ nguyên đối với nhiệt dung C theo các phương pháp khác nhau ............................................................................................49 Hình 2.9. Biên độ nhiệt không thứ nguyên đối với nhiệt dung C theo các phương pháp khác nhau ..........................................................................................................49 Hình 2.10. Tỷ số nhiệt độ trung bình của vệ tinh so với nhiệt độ trung bình tham chiếu (ứng với ae = 0.31) .........................................................................................51