Tài liệu Nghiên cứu đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ dụng của môi trường nhiệt vũ trụ

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 ix Hình 2.11. Tỷ số biên độ nhiệt của vệ tinh so với biên độ nhiệt tham chiếu (ứng với ae = 0.31) ..................................................................................................................52 Hình 2.12. Khảo sát nhiệt độ trung bình ứng với các giá trị khác nhau của hệ số hấp thụ bề mặt  s ............................................................................................................53 Hình 2.13. Khảo sát biên độ nhiệt của nút ứng với các giá trị khác nhau của hệ số hấp thụ bề mặt  s .....................................................................................................53 Hình 3.1. Mô hình nhiệt hai nút ..............................................................................56 Hình 3.2. Diễn tiến nhiệt độ không thứ nguyên của nút ngoài và nút trong theo thời gian không thứ nguyên ..............................................................................................68 Hình 3.3. Diễn tiến nhiệt độ của hai nút trong quan sát ba chiều ............................69 Hình 3.4. Một số các điểm đặc trưng trên vòng giới hạn .........................................69 Hình 3.5. Diễn tiến nhiệt độ của nút ngoài theo thời gian với các điều kiện đầu 10  1  0  khác nhau ...............................................................................................70 Hình 3.6. Diễn tiến nhiệt độ của nút trong theo thời gian với các điều kiện đầu 20  2  0  khác nhau ...............................................................................................71 Hình 3.7. Diễn tiến nhiệt độ không thứ nguyên của nút ngoài 1 theo các phương pháp khác nhau ..........................................................................................................72 Hình 3.8. Diễn tiến nhiệt độ không thứ nguyên của nút trong  2 theo các phương pháp khác nhau ..........................................................................................................72 Hình 3.9. So sánh sai số tuyệt đối của nghiệm giữa ba phương pháp giải tích với phương pháp RK cho nút ngoài ................................................................................73 Hình 3.10. So sánh sai số tuyệt đối của nghiệm giữa ba phương pháp giải tích với phương pháp RK cho nút trong .................................................................................73 Hình 3.11. So sánh thời gian nghiệm của các phương pháp thông qua số chu kỳ quỹ đạo .............................................................................................................................75 Hình 3.12. Nhiệt độ trung bình của nút ngoài theo giá trị C2 với các phương pháp khác nhau...................................................................................................................76 Hình 3.13. Biên độ nhiệt của nút ngoài theo giá trị C2 với các phương pháp khác nhau ...........................................................................................................................76 x Hình 3.14. Nhiệt độ trung bình của nút trong theo giá trị C2 với các phương pháp khác nhau...................................................................................................................77 Hình 3.15. Biên độ nhiệt của nút trong theo giá trị C2 với các phương pháp khác nhau ...........................................................................................................................77 Hình 4.1. Mô hình của cánh vệ tinh .........................................................................82 Hình 4.2. Quỹ đạo và tư thế của vệ tinh trong tính toán nhiệt cho cánh trong kịch bản 1 ..........................................................................................................................83 Hình 4.3. Quỹ đạo và tư thế của vệ tinh trong tính toán nhiệt cho cánh trong kịch bản 2 ..........................................................................................................................83 Hình 4.4. Dòng nhiệt mặt trời qsol ,1 mà mặt trước nhận được trong kịch bản 1, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 ...........................................................................85 Hình 4.5. Dòng nhiệt bức xạ hồng ngoại qIR ,1 và albedo qalb,1 mà mặt trước nhận được trong kịch bản 1, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 ................................87 Hình 4.6. Dòng nhiệt bức xạ hồng ngoại qIR ,2 và albedo qalb,2 mà mặt sau nhận được trong kịch bản 1, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 .........................................87 Hình 4.7. Dòng nhiệt mặt trời qsol ,1 mà mặt trước nhận được trong kịch bản 2, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 ...........................................................................88 Hình 4.8. Dòng nhiệt mặt trời qsol , 2 mà mặt sau nhận được trong kịch bản 2, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 ...........................................................................88 Hình 4.9. Dòng nhiệt bức xạ hồng ngoại qIR , 2 và albedo qalb, 2 mà mặt sau nhận được trong kịch bản 2, với các tham số hệ cho trong Bảng 4.1 ................................89 Hình 4.10. Đồ thị nhiệt độ của các mặt trước và mặt sau của cánh vệ tinh trong kịch bản 1 ..................................................................................................................91 Hình 4.11. Đồ thị nhiệt độ của các mặt trước và mặt sau của cánh vệ tinh trong kịch bản 2 ..................................................................................................................91 Hình 4.12. Một mô hình của vệ tinh hình hộp .........................................................92 Hình 4.13. Tư thế “hướng vào tâm Trái đất” của vệ tinh trong kịch bản CC .........93 Hình 4.14. Vị trí vệ tinh trong tính toán tải nhiệt trong kịch bản CC ......................93 xi Hình 4.15. Dòng nhiệt mặt trời trực tiếp qs , X tác động lên mặt +X với các tham số cho trong Bảng 4.3 ....................................................................................................95 Hình 4.16. Dòng nhiệt mặt trời trực tiếp qs , X tác động lên mặt -X với các tham số cho trong Bảng 4.3 ....................................................................................................96 Hình 4.17. Dòng nhiệt mặt trời qs , Z tác động lên mặt +Z với các tham số cho trong Bảng 4.3 ...........................................................................................................97 Hình 4.18. Các dòng nhiệt tác động lên mặt  Z với các tham số cho trong Bảng 4.3 ..............................................................................................................................98 Hình 4.19. Diễn tiến nhiệt độ của sáu nút của vệ tinh trong kịch bản CC .............101 Hình 4.20. Diễn tiến nhiệt độ của sáu nút theo thời gian trong kịch bản HC ........103 Hình 4.21. Một mô hình của vệ tinh hình hộp có gắn thêm cánh ..........................104 Hình 4.22. Tư thế của vệ tinh trong kịch bản CC (mô hình tám nút) ...................106 Hình 4.23. Dòng nhiệt mặt trời mà các mặt nhận được với tham số hệ cho trong Bảng 4.7 ..................................................................................................................106 Hình 4.24. Diễn tiến nhiệt độ của các nút theo thời gian trong kịch bản CC.........108 Hình 4.25. Diễn tiến nhiệt độ của nút 8 theo thời gian với các hệ số hấp thụ  F khác nhau.................................................................................................................110 Hình 4.26. Sai số giữa nhiệt độ lớn nhất của mặt trước ứng với các giá trị  F khác nhau khi so sánh với trường hợp  F  0.92 ..........................................................110 Hình 4.27. Diễn tiến nhiệt độ của nút 8 theo thời gian với các giá trị của hệ số phát xạ  F khác nhau ......................................................................................................111 Hình 4.28. Nhiệt độ của nút 8 như là hàm đối với nhiệt độ của nút 7 ...................111 Hình 4.29. Nhiệt độ của nút 7 như là hàm của nhiệt độ nút 1 với các giá trị  R khác nhau.................................................................................................................112 Hình 4.30. Diễn tiến nhiệt độ của các nút theo thời gian trong kịch bản HC1 ......113 Hình 4.31. Diễn tiến nhiệt độ của các nút theo thời gian trong kịch bản HC2 ......114 1 MỞ ĐẦU Nghiên cứu vũ trụ là một trong những hoạt động quan trọng trong quá trình chinh phục và sử dụng khoảng không vũ trụ phục vụ lợi ích của loài người. Khoa học và công nghệ vũ trụ ngày nay đã được ứng dụng hết sức rộng rãi và có hiệu quả trong phát triển kinh tế, văn hoá, giáo dục, y tế, an ninh, quốc phòng… của nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới, bao gồm cả các nước đang phát triển [1]. Với xu thế phát triển khoa học công nghệ hiện nay, công nghệ vũ trụ được xác định là một trong những công nghệ ưu tiên cần phát triển trong thế kỷ 21 [2]. Trong quá trình đó các nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ… đã đi đầu trong lĩnh vực chế tạo các loại vệ tinh để thực hiện nhiều nhiệm vụ khám phá không gian khác nhau (NASA 1740, [3]). Còn đối với các nước đang phát triển, công nghệ vũ trụ cũng là một trong những lĩnh vực đang được ưu tiên đầu tư nghiên cứu. Việt Nam cũng đang trong quá trình khám phá lĩnh vực đầy mới mẻ này. Với một số vệ tinh như Vinasat-1, Vinasat-2, VNREDSat-1, PicoDragon, Nano F-1 được đưa vào vũ trụ, Việt Nam dần chứng tỏ khả năng tiếp cận với công nghệ không gian, phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng. Việc nghiên cứu chế tạo vệ tinh có kích thước lớn là một quá trìn “dài hơi”, đầy tốn kém…Tuy nhiên “vệ tinh nhỏ” thì có một số ưu điểm hơn, đó là do nó có thời gian phát triển ngắn, chi phí thấp, hiệu quả kinh tế cao...[4, 5]. Cụm từ “vệ tinh nhỏ” chỉ cách phân loại vệ tinh dựa trên thang đo khối lượng với các nhóm sau: vệ tinh cỡ nano và pico (<10 kg), vệ tinh cỡ micro (10-100 kg) và vệ tinh cỡ mini (100-500 kg) [1, 6, 7]. Các vệ tinh này thường chuyển động trên quỹ đạo thấp của Trái đất, tức là ở độ cao khoảng từ 300 km đến 1000 km [3, 8]. Vệ tinh cỡ trung bình và cỡ lớn có khối lượng tương ứng lớn hơn 500 kg và 1000 kg. Trong hơn một thập kỷ qua, số lượng các vệ tinh nhỏ với các nhiệm vụ khác nhau được nghiên cứu và phát triển đã tăng lên đáng kể [9]. Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và phát triển một vệ tinh nhỏ là rất hữu ích và có ý nghĩa. Trong kỹ thuật không gian nói chung, trong công nghệ vệ tinh nói riêng sự hoạt động của một loại thiết bị nào đấy có thể không chính xác nếu nó chịu tác động của điều kiện môi trường không gian khắc nghiệt trong một thời gian dài. Để đảm 2 bảo các thiết bị đặt trong vệ tinh (như các thiết bị điện tử, thiết bị quang học…) có thể hoạt động ổn định và tin cậy trong một khoảng nhiệt độ thiết kế, người ta cần điều khiển nhiệt cho chúng dựa trên các kỹ thuật nhiệt khác nhau. Do đó, bài toán nghiên cứu, phân tích đáp ứng nhiệt là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong quá trình thiết kế, sản xuất và phóng một vệ tinh lên quỹ đạo của nó [4, 6, 10]. Để nghiên cứu đáp ứng nhiệt cho vệ tinh người ta có thể sử dụng mô hình “tham số phân bổ”, tức mô tả vệ tinh như là một mạng lưới rời rạc các nút, với mỗi nút có một phương trình cân bằng nhiệt tương ứng [11]. Vệ tinh có thể được mô hình bởi một nút, hai nút hoặc nhiều nút nhiệt. Trong một số bài toán với giả thiết phù hợp thì mô hình nhiệt một nút, hai nút có thể mô tả một cách tốt nhất đáp ứng nhiệt của vệ tinh với độ chính xác tin cậy, chẳng hạn các bài toán vệ tinh xoay quanh trục của nó và trục này vuông góc với tia sáng mặt trời. Mô hình nhiệt nhiều nút thường phù hợp cho vệ tinh có cấu trúc phức tạp mà ở đó mỗi nút thường gắn cho một thành phần thiết bị hoặc một bề mặt của vệ tinh có nhiệt độ thay đổi không đáng kể trong phạm vi bề mặt nút. Người ta có thể tiếp cận giải bài toán phân tích nhiệt vệ tinh thông qua các công cụ tính toán số được đóng gói trong các phần mềm chuyên biệt. Tuy nhiên nhược điểm của cách tiếp cận này là thời gian tính toán lớn và mất nhiều tài nguyên máy tính. Khi thay đổi các thông số thiết kế, quá trình tính có thể đòi hỏi phải thực hiện lại từ đầu, dẫn đến sự “đắt đỏ” về chi phí thời gian tính toán. Hệ quả là có thể giảm hiệu suất công việc ở mức độ nào đó. Trong nhiều tình huống, người ta chỉ ra rằng phương pháp giải tích có thể chiếm ưu thế về sự tiện lợi và thời gian tính toán, vì nó có thể ước lượng nhanh đáp ứng nhiệt của một thành phần vệ tinh nào đó với độ chính xác nhất định. Tuy nhiên, lĩnh vực phân tích nhiệt cho vệ tinh là lĩnh vực khá đặc thù, hiện nay có rất ít các công cụ giải tích hiệu quả để giải quyết bài toán này vì có sự xuất hiện của số hạng phi tuyến bậc bốn liên quan đến bức xạ nhiệt, vốn gây khó khăn trong các tính toán giải tích. Vì những lý do cơ bản ở trên mà tác giả đã chọn tên đề tài của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp chịu tác dụng của môi trường nhiệt vũ trụ” bằng việc đề xuất một công cụ giải tích hiệu quả là sử dụng phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo tiêu chuẩn đối ngẫu mới được phát triển gần đây cho các hệ động lực phi tuyến. 3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xây dựng các mô hình nhiệt một nút, hai nút và nhiều nút với các mô hình tải nhiệt khác nhau tác động lên vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp quanh Trái đất. - Tìm được nghiệm dưới dạng giải tích của các phương trình cân bằng nhiệt của vệ tinh bằng phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo tiêu chuẩn đối ngẫu. - Nghiên cứu và phân tích được một số ứng xử định tính của nhiệt độ vệ tinh trong các mô hình nhiệt. Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn trong phạm vi nghiên cứu các vệ tinh cỡ nhỏ hoạt động ở quỹ đạo thấp quanh Trái đất; mô hình nghiên cứu giới hạn ở một nút, hai nút, sáu nút và tám nút. Phương pháp nghiên cứu của luận án Luận án sử dụng các phương pháp giải tích kết hợp với các phương pháp số, cụ thể: - Sử dụng các phương pháp tuyến tính hóa tương đương, phương pháp xấp xỉ theo Grande để tìm đáp ứng của một số mô hình nhiệt; - Sử dụng phương pháp Runge-Kutta 4 giải số phương trình vi phân cân bằng nhiệt làm cơ sở để đánh giá độ chính xác của phương pháp giải tích. Sử dụng phương pháp Newton-Raphson giải hệ đại số phi tuyến thu được trong quá trình tuyến tính hóa phương trình cân bằng nhiệt. Bố cục của luận án Luận án gồm phần Mở đầu; các Chương 1, 2, 3 và 4; phần Kết luận; Danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến nội dung luận án, và Tài liệu tham khảo. Nội dung chính của các chương bao gồm: - Chương 1: “Tổng quan về bài toán phân tích nhiệt vệ tinh”. Trong chương này, tác giả trình bày những kiến thức chung nhất về vệ tinh và về bài toán phân tích nhiệt cho vệ tinh. - Chương 2: “Phân tích đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp dựa trên mô hình nhiệt một nút”. Chương này tác giả trình bày kết quả nghiên cứu ứng 4 xử nhiệt của vệ tinh theo mô hình một nút dựa trên phương pháp tuyến tính hóa tương đương. Tiêu chuẩn mà tác giả sử dụng là tiêu chuẩn đối ngẫu. Kết quả chỉ ra rằng, tiêu chuẩn đối ngẫu là có thể áp dụng tốt cho mô hình nhiệt một nút của vệ tinh. - Chương 3: “Phân tích nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp dựa trên mô hình hai nút”. Cách tiếp cận đối ngẫu cho bài toán phân tích nhiệt của vệ tinh nhỏ đã sử dụng cho mô hình một nút được mở rộng để tìm nghiệm xấp xỉ cho mô hình nhiệt hai nút của vệ tinh. Với mô hình này, tác giả nghiên cứu các đặc trưng của đáp ứng nhiệt xấp xỉ như diễn tiến nhiệt độ của các nút theo thời gian, vòng giới hạn và tính nhạy cảm của điều kiện đầu, phân tích sai số và thời gian nghiệm, sự phụ thuộc của nhiệt độ trung bình và biên độ nhiệt vào thời gian. Kết quả chỉ ra hiệu quả tốt của phương pháp tuyến tính hóa đối ngẫu trong phân tích ứng xử nhiệt của vệ tinh. - Chương 4: “Tính toán đáp ứng nhiệt cho vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp sử dụng mô hình nhiều nút”. Trong chương này tác giả xây dựng một số mô hình nhiệt nhiều nút cho vệ tinh, xây dựng các mô hình tải nhiệt dựa trên tư thế vệ tinh trong một số kịch bản quỹ đạo, thiết lập phương trình cân bằng nhiệt, tính toán tương tác nhiệt giữa các nút (dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt). Sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 để dự đoán nhiệt độ cho các nút. Kết quả cho thấy nhiệt độ ước lượng của các nút nằm trong khoảng nhiệt độ yêu cầu của các thành phần vệ tinh. Nội dung cụ thể của các chương sẽ được trình bày dưới đây. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NHIỆT VỆ TINH Chương 1 trình bày tổng quan về vệ tinh; những cơ sở liên quan đến việc xây dựng mô hình toán học về tính toán nhiệt cho vệ tinh gồm: nút nhiệt, tương tác nhiệt giữa các nút, tính toán tải nhiệt bên ngoài tác động lên các nút; và một số vấn đề trong bài toán phân tích nhiệt vệ tinh. 1.1. Tổng quan về vệ tinh 1.1.1. Khái niệm và phân loại vệ tinh 1.1.1.1. Khái niệm chung về vệ tinh Ngày nay, từ “vệ tinh” là khái niệm phổ biến trên thế giới, thường được hiểu là vệ tinh nhân tạo, tức vật thể được con người chế tạo và đưa vào hoạt động trong không gian, chuyển động quay quanh Trái đất hoặc quanh một hành tinh nào đó thuộc hệ mặt trời. Vệ tinh nhân tạo khác với các vệ tinh tự nhiên vốn là các thiên thể ngoài vũ trụ chuyển động xung quanh một hành tinh hoặc một thiên thể khác lớn hơn nó nhiều lần. Vệ tinh nhân tạo là một cấu trúc phức tạp được thiết kế, lắp ghép sao cho phù hợp, đáp ứng các nhiệm vụ không gian khác nhau. Các thành phần hoặc thiết bị vệ tinh là sản phẩm của các ngành công nghệ cao được tích hợp một cách tinh vi trong một cấu trúc không gian hẹp của hộp vệ tinh. 1.1.1.2. Phân loại vệ tinh Vệ tinh có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, như tiêu chí khối lượng, tiêu chí độ cao quỹ đạo, tiêu chí chức năng nhiệm vụ …[1, 6, 7, 10, 13] a. Theo tiêu chí khối lượng Người ta thường phân loại vệ tinh dựa trên tiêu chí về thang đo khối lượng của chúng như trình bày trong phần Mở đầu và ở đây được minh họa trong Hình 1.1. Với phân loại theo tiêu chí khối lượng thì vệ tinh cỡ nhỏ được xem là dưới 500 kg [nhóm trong khung hình được bao quanh bởi hình chữ nhật màu đỏ nét đứt]. Hình 1.1 cũng minh họa một số vệ tinh thực đã được chế tạo và phóng vào không gian (nguồn: dữ liệu từ các trang web) ứng với từng thang đo khối lượng cụ thể. Trong khuôn khổ luận án, cụm từ “vệ tinh nhỏ” giới hạn xét ở phạm vi dưới 100 kg bởi vì luận án tính toán nhiệt cho vệ tinh với số nút hạn chế. Tuy nhiên, cách 6 tiếp cận và phương pháp tính toán cho các vệ tinh phức tạp hơn là hoàn toàn có thể thực hiện được. Hình 1.1. Thang đo phân loại vệ tinh theo khối lượng b.Theo tiêu chí độ cao quỹ đạo Một vệ tinh có thể bay trên một quỹ đạo quanh Trái đất ở độ cao xác định, các vệ tinh thường được xếp theo độ cao của chúng. Theo tiêu chí này vệ tinh có thể được phân loại như sau: - Vệ tinh tầm thấp (LEO: 300 đến 1000 km bên trên bề mặt Trái Đất) - Vệ tinh tầm trung (MEO: 1000 đến 35786 km, quỹ đạo có dạng hình ellipse) - Quỹ đạo Trái Đất tầm cao (HEO: trên 35786 km, quỹ đạo có dạng hình ellipse khá dẹt) c.Theo tiêu chí chức năng, nhiệm vụ Theo tiêu chí chức năng, nhiệm vụ, vệ tinh được chia thành các loại sau : - Vệ tinh nghiên cứu khoa học: thực hiện các nhiệm vụ khoa học, viễn thám, nghiên cứu các hành tinh xa xôi, nghiên cứu hệ mặt trời… - Vệ tinh viễn thông: phục vụ thông tin liên lạc, phát thanh truyền hình… - Vệ tinh quan sát trái đất: gồm các vệ tinh khí tượng, vệ tinh tài nguyên, vệ tinh biển, vệ tinh giám sát môi trường và thiên tai. Các loại vệ tinh này cung cấp các thông tin có giá trị để dự báo thời tiết, điều tra tài nguyên rừng, đất đai, nước khoáng sản, giám sát thiên tai (lũ lụt, hạn hán…), vẽ bản đồ. 7 - Vệ tinh định vị: xác định nhanh và chính xác vị trí của mọi đối tượng và dẫn đường cho các phương tiện giao thông trên không, trên bộ và trên biển. - Vệ tinh quân sự: làm nhiệm vụ do thám, định vị và dẫn đường cho các vũ khí (bom, tên lửa…), cảnh báo sớm. 1.1.2. Các khối chức năng cơ bản của vệ tinh Vệ tinh gồm phân hệ kết cấu và các phân hệ chức năng do các khối thiết bị hoặc thành phần cụ thể của vệ tinh đảm nhiệm. Sau đây ta trình bày vắn tắt chức năng của một số phân hệ bên trong vệ tinh. Các phân hệ chính gồm: phân hệ điều khiển tư thế, phân hệ lực đẩy, phân hệ điều khiển nhiệt, phân hệ thông tin liên lạc, phân hệ xử lý dữ liệu, phân hệ năng lượng, phân hệ kết cấu. Chức năng của các phân hệ được thể hiện trên Hình 1.2 (xem [10, 13]). Hình 1.2. Các phân hệ vệ tinh và chức năng của nó 1.1.2.1. Phân hệ điều khiển tư thế Chức năng của phân hệ điều khiển tư thế của vệ tinh là xác định và điều khiển các góc quay nhằm định hướng vệ tinh theo một tư thế xác định trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo. Các tham số xác định tư thế vệ tinh gồm các góc tạo bởi hai hệ tọa độ, một hệ tọa độ gắn với vệ tinh gọi là hệ tọa độ địa phương, hệ tọa độ còn lại gắn với trái đất hay còn gọi là hệ tọa độ tham chiếu. Các tác vụ phải