作为高功率惯性执行器，控制力矩陀螺仪（CMG）是大规模、长时间轨道运行中航天器姿态控制系统的关键组件。它们无需推进剂且能效极高，因此在航空航天工程中是不可或缺的解决方案。CMG的运行可靠性和持久耐用性是任务成功的关键因素，尤其是在深空探索、空间站维护和下一代商业太空应用中。这项关键技术是现代航空航天架构的基础元素[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。
CMG由一个高速内框架动量轮系统和一个低速外框架系统组成[7]。内轴系统是主要的热源[8,9]，这对运行稳定性和使用寿命至关重要。CMG的热故障曾导致航天器运行中断，典型案例包括Skylab[10]、国际空间站[11]和商业卫星WorldView-4[12]。因此，控制力矩陀螺仪的在轨热管理和故障预警是任务的关键要求。
轴承组件是高速轴系统的核心部分，摩擦发生在滚珠与滚道界面。温度变化会改变润滑膜的厚度和润滑油的损失速率（包括润滑剂分解、蒸发和表面迁移[13]），从而导致完全流体润滑和混合润滑状态之间的切换。这种润滑性能的退化会增加摩擦功率损耗和润滑油的损失，并可能引发润滑膜破裂[14,15]。动量轮的风阻损失也会增加热负荷[16]。在真空条件下运行时，CMG的散热能力受到限制。热量积累可能引发多种故障机制：润滑恶化、界面间隙、系统参数不确定性以及动态不稳定[[17], [18], [19]]。
已经进行了大量关于旋转机械热分析的研究。例如，有限元方法（FEM）被用来模拟反应轮在稳态条件下的温度场[20,21]，而计算流体动力学（CFD）被用来分析高速转子在大气环境中的风阻损失特性[22,23]。然而，这些研究存在两个关键局限性。首先，大多数现有模型仅关注单一热源分析或稳态热行为，忽略了CMG在动态运行条件下的多源热耦合效应。其次，基于FEM和CFD的方法计算量较大，不适合实时在轨热监测和故障预警[24]。
CMG在真空环境中具有多源热耦合特性和复杂的热传递路径，在显著的温度波动下运行。高度集成的结构限制了直接热源的测量，影响了测量精度。虽然数值方法如FEM和CFD可以提供详细的热分析，但它们的高计算强度与实时在轨自主预警系统的要求相冲突。相比之下，热网络方法（TNM）具有两个关键优势：计算效率高和系统兼容性好。TNM基于基尔霍夫定律和热传递原理建立了节点热平衡方程[25,26]，这些方法已在旋转部件（轴承、电动机和飞轮）中得到验证[27,28,[28], [28], [29], [30], [31]]，特别是在低计算负荷下的真空飞轮热监测中非常有效。TNM还通过系统验证实现了复杂CMG场景的耦合物理场建模。
基于此背景，本研究提出了一个针对CMG的热分析框架，具有三个独特的创新点：（1）建立了一个多源耦合热网络模型，整合了轴承摩擦损失、风阻损失、电机铁损和感应同步器损失以确保准确性。（2）研究了CMG在稳态条件下的热响应，填补了真空环境中CMG动态热分析的研究空白。所提出的模型通过实验测试得到了验证，证明了其高计算效率和实时在轨热预警系统的适用性，为CMG的热设计优化提供了理论基础。
本研究分为五章进行。第一章是引言。第二章量化了功率分布并为每个热源建立了热模型。第三章基于CMG的机械结构和热传递关系，建立了热网络模型和热平衡方程，以预测不同环境下的温度分布。第四章将实验结果与仿真结果进行比较，验证了热网络模型的准确性和效率。第五章总结了研究结果。
