舱外航天服热试验外热流模拟方法研究

出舱行走所必需的舱外航天服具有复杂外表面形状,其空间外热流极其复杂。文章对舱外航天服在热试验中所采用的外热流模拟方法进行了对比分析研究,结合航天服的特点对热试验中外热流模拟的方式进行了探讨, 论证了用接触式电加热片及红外加热笼两种外热流施加方式的可行性,并通过分析的手段对不同热试验方法中施加的热流和太空中的热流大小及分布进行了对比。     

真空低温太阳辐照环境下的天线热变形测量技术

航天器结构在轨受到空间外热流影响而产生巨大温度梯度,将导致结构热致变形,为了保证有关地面模拟考核验证的有效性,必须对在轨外热流进行尽可能真实的模拟,同时采用高精度的热变形测量手段获取航天器的结构变形数据。文章介绍了一种热变形测试试验方法,系国内首次将太阳模拟器外热流模拟法和非接触摄影测量法结合应用在某天线的地面模拟热变形测试试验中,在真实模拟天线在轨温度分布的同时精确获取了天线上大量的点云变形数据。经数据比较分析,天线变形实测数据与在轨仿真分析一致,在1.5 m口径范围内的变形测量精度优于15 μm,验证了该测试试验方法的有效性,为航天器结构的在轨热效应模拟和测试评估提供了新的试验手段。     

提高红外灯阵热流模拟均匀性的优化设计方法

真空热试验中通常使用红外灯阵作为整星试验和太阳电池板试验的外热流模拟装置。文章从平面灯阵的研究出发,建立了使用红外灯阵作为外热流模拟装置时到达被加热面热流密度的计算模型,对影响热流密度均匀性的因素进行了分析,提出了红外灯阵优化设计方法,以提高热流模拟时卫星表面的热流密度均匀性。研究结论可以用于指导真空热试验所用红外灯阵的工装设计。     

吸波热沉在微波雷达成像卫星真空热试验中的应用

在微波雷达成像卫星的整星真空热试验中,需采取特殊措施吸收SAR天线T/R组件发射出的大功率微波,以保护组件不被损伤。文章介绍了一种新型外热流模拟装置——吸波热沉,兼具吸波和外热流模拟2方面的功能。为验证吸波热沉在真空热试验时的有效性,设计了一套验证试验方案,试验结果表明:吸波热沉可以满足真空热试验的外热流模拟精度需求,偏差在4%以内。该装置已在某微波雷达成像卫星的真空热试验中成功应用。     

石英灯加热器热流场计算方法比较

石英灯辐射加热是航天飞行器结构热试验中使用最广泛的气动热模拟方式,获取石英灯加热器辐射流场对提升航天器结构热试验精度、评估试验结果和验证结构设计具有重要意义。文章结合石英灯加热器辐射热流场预示的特点,讨论几种辐射热流场计算模型的适用性,并通过理论、试验与仿真算例相结合的方法,对比分析几种辐射计算软件的计算精度和应用性,给出各计算软件的应用策略,可为试验热环境的准确快速获取提供参考。     

飞船红外加热笼热设计方法研究

以飞船热平衡试验为工程应用背景，研究了红外加热笼热设计的方法，介绍了主角系数、最佳电阻、标称利用率、实际利用率等的定义和计算方法。在此基础上，讨论了利用红外加热笼作为热流模拟装置，飞船真空热试验中外热流的模拟情况。     

相机真空热试验的红外笼模拟方法研究

空间相机的热平衡／热真空试验中,一般采用红外笼-热流计的闭环控制系统来模拟相机进光口处的外热流。由于对相机光路的遮挡,通用的平板式红外笼难以满足热真空试验中相机的成像要求。文章在分析的基础上设计了一种圆筒式红外笼,同时满足了热平衡试验的外热流模拟要求和热真空试验相机的成像要求;对同一台相机采用两种红外笼的试验结果进行了对比分析。     

航天器真空热试验中附加热流的分析及对策

航天器在空间环境模拟器内进行真空热试验时,各种非热沉结构均会产生附加热流。附加热流会造成热平衡试验中背景热流偏大,影响对整器热设计的验证;也会造成无法满足真空热试验所需的低温维持和降温速率要求,影响对航天器环境适应性的有效考核。文章分析总结了空间环境模拟器内造成附加热流的主要因素,提出了相应的改进措施,其中部分措施在试验中已成功应用。     

圆台形红外加热笼仿真优化研究

在真空热试验中,圆台形航天器通常选用圆台形的红外加热笼作为外热流模拟装置。文章对圆台形红外加热笼模拟热流进行仿真计算,分别就红外加热笼与被加热面的平行距离对边缘效应的影响和红外笼的锥角对边缘效应的影响进行分析,得到红外加热笼优化设计方法,以提高航天器表面热流密度模拟的均匀性。该方法可用于指导圆台形航天器进行真空热试验时的工装设计。     

圆柱形红外加热笼优化设计研究

真空热试验中,圆柱形卫星通常选用圆柱形的红外加热笼作为外热流模拟装置。文章对卫星表面采用圆柱形红外笼进行热流模拟时的到达热流进行仿真计算,分别选用不同的红外笼覆盖系数、红外笼与卫星表面的距离以及红外笼边缘区域大小等参数进行分析,得到了对圆柱形红外笼优化设计的方法以提高卫星表面的热流模拟均匀性,可以用于指导圆柱形卫星进行真空热试验时的工装设计。     

计算外壁热响应的非线性瞬态导热反问题方法

研究组合结构外壁热响应特性,采用Beck’s序列函数法,优化算法各个环节,建立应用多个温度测点、多个未来时间步的计算模型。文章通过假设热流变化呈三角波形,计算结构内部温度场,并取其中数点温度信息作为反问题输入条件迭代反演得到外壁热流响应,得到热流误差不超过0.5%、温度误差不超过0.01%的理想结果,并得到测点数量、位置等因素对计算误差的影响。该计算方法可应用于包装结构在模拟火灾等特殊环境中的外壁热响应研究。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

航天飞行器中舷窗温度场及换热的研究：外部界面处于第三类非线性边界条件

本文采用控制容积法,光线踪迹法结合谱带模型,研究航天飞机返回大气层时舷窗硅玻璃的非稳态复合换热。文章给出了界面S_2处于第三类非线性边界条件下,舷窗硅玻璃内部的温度场和进入机舱内部的热流密度。计算结果表明,如不考虑硅玻璃内部的辐射作用,对温度场影响不太大,但对进入机舱内的热流密度将会产生很大的误差。     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律，针对某特定模拟参数试验状态，采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现，在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下，采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低，同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下，试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近，但相较飞行状态存在明显差异；不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显，喷管出口尺寸越大，其与飞行状态越接近。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题，设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计，采用空气隔热设计方式降低其侧向传热，实现了有效一维传热，延长了测试时间；并通过热流传感器标定试验，实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能，开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12)，量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明，本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶，量热计响应时间较慢，但对于较大热流，由于极大减轻了侧向传热的影响，测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好，信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

On radiative and conductive heat transfer in spacecraft

The “radiative” boundary condition in a heat conduction problem relates the heat flux in a point of the wall to the temperatures in all the other points of the surface system.That is, this condition is of a “functional” type. This “functional” can be solved in discrete terms by using the conventional technique of dividing the body in small discrete elements or “nodes”. This paper instead presents an approach on a continuous scheme, by which the functional is solved in terms of “spacewise harmonics” of the temperature inside the body; the heat conduction problem is thus reduced to an ordinary form differential system whose unknowns are these “harmonics”. An interative linearized procedure to solve this system is also suggested, by which “exact” solutions are obtained. The merits of these solutions, with respect to practical discrete element computations, are in the better spacewise resolution and in the consequent more accurate treatment of both radiation and conduction. The application of the procedure is, however, limited to particular geometries. It is relevant to note that among these possible geometries many are included of practical interest, like hollow cylinders and polygons, cubic boxes etc. A numerical example completes the work.     

复合相变热沉在电子设备热管理中的应用

某些特殊电子设备的短时高功耗运行往往会引起急剧温升,进而导致设备失效。文章采用膨胀石墨/高碳醇复合相变材料(PCM)作为热沉,针对某高功耗模块进行了散热仿真,并与传统铝热沉进行了对比,结果表明无主动散热平台下PCM热沉显著优于铝热沉。同工况温箱实验进一步验证相变热沉散热特性,并与仿真结果进行对比,结果表明实验结果与仿真结果具有一致的温度变化趋势,但由于相变温度范围的差异导致不同时间段温升速率不同。分析了二者的差异及原因,为严酷条件下应用相变材料进行热设计和热管理提供参考。     

基于有限元法的大气层外弹道式目标表面温度场分析

获取目标表面温度场是进行红外特征分析的重要前提。为确定大气层外弹道式目标的表面温度场分布,建立了有限元模型。根据目标温度场的轴对称分布特点,在柱坐标系内建立了二维瞬态热传递模型,从而降低了计算量。与当前大部分的有限元软件和文献不同,严格分析了温度非均匀性有限单元的辐射热损失,并推导出轴对称三结点三角形单元的辐射热损失公式。为了能够使用Galerkin法求解时间微分方程组,将辐射热损失视为与时间相关的热载荷项,并用Newton\|Raphson法迭代求解处理后得到的非线性方程组。一个简单的数值实验表明了所提出方法的有效性,最后应用该法求解了目标飞行全程的表面温度场分布。
     

固体火箭发动机热流测量方法及试验研究

将一套创新设计的热流测量装置嵌入到可改变条件参数的固体火箭试验发动机中,进行了含铝复合推进剂试验.通过改变推进剂含铝量、燃烧产物冲刷速度和冲刷角度,测量了不同工况下两相燃烧产物的总传热热流密度.总传热规律与理论分析结果相吻合.试验证明,该装置能经受发动机内的高温强冲刷的苛刻务件.试验得到的总热流密度可为绝热层烧蚀研究中...