Nghiên cứu đáp ứng nhiệt của vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo thấp chịu tác 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
CÁCđoan
TỪ VIẾT
xin cam
đây là TẮT
công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được
công
công
trình dương
nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án
n,
N bố trong bất cứ số

nguyên
là trung thực.
số bất kỳ
p q r, , , ,  , Q
n

f

đạo hàm cấp n của hàm f

t 

Da f  t 
p

Tác giả luận án

đạo hàm và tích phân cấp phân số p của hàm f

G

Dap f t



đạo hàm và tích phân cấp phânPhạm
số theo
Grünwald
Ngọc
Chung - 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 

D_E

D0 f  t 
p

tích phân cấp phân số theo Weyl
đạo hàm cấp phân số theo Davision – Essex

  .

hàm Gamma

  .

hàm Beta



 .

E

,

.

hàm Mittag – Leffler một tham số

.

hàm Mittag – Leffler hai tham số
Trung bình theo thời gian
Đạo hàm theo thời gian của x

MPS
x

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.


3

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 tnh ......................................
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 tnh ...
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 tnh.......................................................
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 tnh ..................
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


4

2.1. Mô hình nhiệt một nút ........................................................................................
33
2.2. Các nguồn nhiệt tác động lên vệ tnh 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


5

2.3. Phương trình cân bằng nhiệt một nút .................................................................
35
2.4. Phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo têu 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 tến 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


6

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 têu chuẩn

đối ngẫu khi áp dụng cho bài toán nhiệt vệ tnh
............................................................. 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 tnh....................................................... 82


7

4.1.1. Mô hình nhiệt hai nút cho cánh vệ tinh
..................................................82
4.1.2. Quỹ đạo và tư thế vệ tnh 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 tnh dạng hình hộp chữ nhật ...............
92
4.2.1. Mô hình nhiệt sáu nút cho vệ tnh 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 tnh hình hộp khi gắn thêm
cánh..............103
4.3.1. Mô hình nhiệt tám nút cho vệ tnh.......................................................103
4.3.2. Kịch bản Cold Case (CC) ....................................................................104
4.3.3. Kịch bản Hot Case đối với thân vệ tnh (HC1) ...................................113
4.3.4. Kịch bản Hot Case đối với cánh vệ tnh (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


8

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
alb

Viết tắt của từ tếng Anh (alb: albedo)

sol

Viết tắt của từ tếng Anh (sol: solar)

dis

Viết tắt của từ tếng Anh (dis: dissipaton)

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 tnh

IR

Bức xạ hồng ngoại (IR: Infared Radiaton)

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 Elliptcal Orbit”: quỹ đạo tầm
cao dạng elip

RK



Runge-Kutta

G
DC

Giá trị trung bình thu được từ phương pháp Grande
Giá trị trung bình thu được từ phương pháp tuyến tính hóa theo têu
chuẩn đối ngẫu (DC: Dual Criterion)



CL

Giá trị trung bình của đáp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa


9

t

L

ứng thu được từ phương pháp

h

i

Grande



ô

n

D
C

n

e

Biên độ áp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa
theo têu chuẩn

g

a


G


C
L

đối ngẫu

r

Biên độ áp ứng thu được từ phương pháp tuyến tính hóa
theo têu chuẩn

t

i

thông thường

h

z

ư

a

ờ

t

n

i

g

o

(
C

n

)

L

B

:

i

C
o

ê
n

n

đ

v

ộ

e
n

đ

t

á

i

p

o
n
a
l


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Ngưỡng nhiệt độ của các thiết bị vệ tnh ...................................................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 tnh 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


vii

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


8

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 tnh 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


9

Hình 2.4. Diễn tến 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 tến 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 tnh so với nhiệt độ trung bình tham
chiếu (ứng với ae = 0.31) .........................................................................................51


Hình 2.11. Tỷ số biên độ nhiệt của vệ tnh 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  .....................................................................................................53
s

Hình 3.1. Mô hình nhiệt hai nút ..............................................................................56
Hình 3.2. Diễn tến 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 tến nhiệt độ của nút ngoài theo thời gian với các điều kiện đầu

10  1  0  khác nhau ...............................................................................................70
Hình 3.6. Diễn tến 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 tến 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 .............................................................................................................................7
5
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 ...........................................................................................................................7
6



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 ...........................................................................................................................7
7
Hình 4.1. Mô hình của cánh vệ tnh .........................................................................82
Hình 4.2. Quỹ đạo và tư thế của vệ tnh trong tính toán nhiệt cho cánh trong kịch
bản 1
..........................................................................................................................83
Hình 4.3. Quỹ đạo và tư thế của vệ tnh 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 tnh trong
kịch bản 1 ..................................................................................................................91
Hình 4.11. Đồ thị nhiệt độ của các mặt trước và mặt sau của cánh vệ tnh trong
kịch bản 2 ..................................................................................................................91
Hình 4.12. Một mô hình của vệ tnh hình hộp .........................................................92
Hình 4.13. Tư thế “hướng vào tâm Trái đất” của vệ tnh trong kịch bản CC .........93
Hình 4.14. Vị trí vệ tnh trong tính toán tải nhiệt trong kịch bản CC ......................93



Hình 4.15. Dòng nhiệt mặt trời trực tếp 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 tếp qs , tác động lên mặt -X với các tham số

X

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 ..............................................................................................................................9
8
Hình 4.19. Diễn tến nhiệt độ của sáu nút của vệ tnh trong kịch bản CC .............101
Hình 4.20. Diễn tến nhiệt độ của sáu nút theo thời gian trong kịch bản HC ........103
Hình 4.21. Một mô hình của vệ tnh hình hộp có gắn thêm cánh ..........................104
Hình 4.22. Tư thế của vệ tnh 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 tến nhiệt độ của các nút theo thời gian trong kịch bản CC.........108
Hình 4.25. Diễn tến 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 tến 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 tến nhiệt độ của các nút theo thời gian trong kịch bản HC1 ......113
Hình 4.31. Diễn tến 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 tên 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 tên 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 tên đầu tư nghiên cứu.
Việt Nam cũng đang trong quá trình khám phá lĩnh vực đầy mới mẻ này. Với một
số vệ tnh như Vinasat-1, Vinasat-2, VNREDSat-1, PicoDragon, Nano F-1 được đưa
vào vũ trụ, Việt Nam dần chứng tỏ khả năng tếp 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 tnh 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 tnh dựa trên thang đo khối lượng với các nhóm
sau: vệ tnh cỡ nano và pico (<10 kg), vệ tnh cỡ micro (10-100 kg) và vệ tnh
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 tnh
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 tnh 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 tnh 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 tn 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 tnh lên quỹ đạo của nó [4, 6,
10].
Để nghiên cứu đáp ứng nhiệt cho vệ tnh 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 tnh 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 tn cậy, chẳng hạn các bài toán vệ
tnh 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 tnh 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 tếp cận giải bài toán phân tích nhiệt vệ tnh 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


3

tuyến tính hóa tương đương theo tiêu chuẩn đối ngẫu mới được phát triển gần đây
cho các hệ động lực phi tuyến.


4

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 tnh nhỏ trên quỹ đạo thấp quanh Trái đất.
- Tìm được nghiệm dưới dạng giải tích của các phương trình cân bằng nhiệt
của vệ tnh bằng phương pháp tuyến tính hóa tương đương theo têu chuẩn
đối
ngẫu.
- Nghiên cứu và phân tích được một số ứng xử định tính của nhiệt độ vệ tnh
trong các mô hình nhiệt.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án giới hạn trong phạm vi nghiên cứu các vệ tnh 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,