一、研究背景与意义

宇航光纤的重要性：

宇航光纤基于光全反射原理设计，具有能量传输密度大、光波传输速度快、抗电磁干扰性强、能量传输损耗低等特点，非常适合太空作业中的光能量传输。

宇航光纤材料选择：

石英材料因储量丰富、开采成本低、纯度高、熔点高、折射率特性优异等优点，成为宇航光纤的首选材料。宇航用大芯径多模石英光纤表现出优异的机械强度、弯曲性能、抗辐照性能等。

研究动机：

尽管宇航石英光纤具有高热稳定性，但其涂覆层通常仅适用于温度不超过150℃的环境。在太空工作环境中，存在因聚光能量密度超过光纤材料烧蚀阈值而导致烧蚀的风险，影响能量传输效率和系统正常运行。因此，研究宇航光纤在太空工作环境中的温度变化至关重要。

二、研究方法

有限元法：

采用有限元法设计宇航光纤热仿真模型，分析不同初始温度、多工作循环状态及各运行阶段的宇航石英光纤温度变化。

仿真模型设计：

设计了宇航光纤温度评估预测模型，基于有限元仿真软件构建，通过输入光纤的物理属性和工作条件参数，模拟光纤在光能量传输过程中的温度变化情况。

三、实验设计与结果分析

环境条件与热学分析：

太空环境具有微重力、高真空、大温差、强辐射等复杂条件，热辐射是热能交换的主要方式。通过理论分析热辐射传热过程，推导出热量传递公式。

验证试验：

设计了一系列验证实验，评估热发射率和热吸收率对光纤温度变化的影响。通过对比理论计算与仿真模拟结果，验证了仿真模型的准确性。

仿真试验：

在正常工作条件下，光纤温度逐渐升高至热平衡状态；在极端工作条件下，由于热辐射发射率降低和热量吸收率增加，光纤温度显著升高。为避免连续高温工作导致的失效风险，提出了“运行-冷却”交替工作模式。

连续工作状况评估：

设计了宇航光纤温度评估预测模型，对一般和特殊连续工况下的温度变化进行了分析与评估。结果表明，在一般工况下光纤可连续稳定工作；在特殊工况下需采用“运行-冷却”交替工作模式以降低热平衡温度。

四、研究结论与展望

研究结论：

基于有限元法的宇航光纤温度仿真研究表明，在太空工作环境中，“运行-冷却”交替工作模式可有效降低宇航光纤的热平衡温度，显著提升其稳定性和可靠性。

未来展望：

进一步研究最优的“运行-冷却”交替工作模式时间比例，以更精确地控制宇航光纤的热平衡温度。同时，探索其他可能影响光纤温度的因素及相应的解决方案。