● 摘要
卫星所工作的空间环境复杂多变，有着诸如空间碎片撞击、多变的热环境等外界条件，这对星载设备的设计提出了更多的要求。而要满足这些要求，首先得分析卫星设备所受约束的外界条件，这些外界条件通常是多个物理场耦合作用形成的。因此本文通过星载设备多场耦合问题的分析，目的是为星载设备设计约束条件的求解提供具有一定工程意义的方法。
首先从总的思路出发，在分析特定星载设备多场耦合问题之前，对多场耦合问题进行了研究。通过调研多场耦合分析的国内外研究现状，总结了基本场和耦合场的数学模型以及常用的6种基本场（结构场、电场、磁场、浓度场、流场和温度场），并通过列表的方式描述了各场之间的耦合关系，发现温度场是影响最广的场，结构场是受影响范围最大的场。之后对各种耦合关系从计算的角度进行了分类，并在最后归纳总结了多场耦合问题求解的思路方法。该思路方法将应用于后文两种特定星载设备的多场耦合问题分析。
其次根据本文对多场耦合问题设定的求解思路，研究了管路固液耦合分析所需的算法，并从选出的Lagrange、Euler、SPH和ALE算法中，依据各自特点选取了合适的算法组合对管路超高速撞击及后续研究进行了仿真。之后根据管路损伤情况的不同，分三种情况（热管被撞穿，热管未撞穿且管芯没有明显变形和热管未撞穿但管芯内壁鼓包）研究了不同的损伤状况对热管路导热性能的影响，特别研究了适用于热管未撞穿但管芯内壁有鼓包时，对热管导热性能进行定量计算的方法。另外对于管路固液耦合分析，本文还研究了不同结构下（无工质和有工质），超高速撞击产生的应力波在管壁的传播情况，总结了撞击应力波的传播规律和不同结构特征（曲率和加压工质）对应力波传播的影响。发现曲率的存在使得传播环境变得复杂，应力波经过处加速度变化的规律性变弱，同时减少高频应力波在总应力波中所占比例，此时不论近区和远区，对设备起影响的都主要是低频波。而加压工质的存在使得管路各点的X向加速度变大，故此时在撞击近区处也得充分考虑横波的作用。此外加压工质的存在还使得撞击近区的高频应力波在总应力波中所占比例略有增加，但相较于低频波而言，仍可忽略。
最后根据本文对多场耦合问题设定的求解思路，研究了星载设备结构热分析问题, 确定了适用于结构热耦合分析的算法和软件。考虑到星载设备在轨热环境的特点，提出了适用于本文研究对象的空间外热流算法。利用Matlab编制了具有一定通用性的外热流计算程序，并验证了该算法的可靠性。之后利用确定的结构热耦合算法和Workbench软件对特定卫星进行了在轨结构热分析，以外热流为边界条件，内部发热设备为热载荷，求解了特定卫星的在轨温度场及其相应的热应变。通过计算结果分析知，对低轨道工作的小型卫星而言，被动式热控是首选方案。同时考虑到结构中不同材料间的热传导性差异，合适的选择材料的布局，能有效地调整温度场的分布，节省热控方案的需求。最后总结了进行星载设备在轨结构热分析的具体技术方法。
以上研究为相关工程应用提供了一定的参考。