热泵强化大型航天器排热的概念研究及其理论分析

本文在分析总结前人的研究工作基础上,从基本理论出发,针对热泵强化大型航天器散热、减小辐射器散热面积和重量问题进行了系统分析,从理论上阐明了热泵强化航天器散热概念和作用及其热泵应用的潜在优点,并且还针对电驱动和热驱动两种不同工作模式的热泵进行对比分析。分析表明,电驱动和热驱动热泵都具有强化辐射器排热、减小辐射器散热面积和重量的能力,减轻系统重量,然而电驱动热泵需要消耗系统电能;热驱动热泵需要消耗系统高温废热,增加辐射器的排热负担。至于热驱动、电驱动和热电耦合驱动热泵,哪一种工作模式最佳,还待于进一步研究。     

液体火箭发动机“热泵”起动研究

多次起动泵压式液体火箭发动机存在"热泵"起动故障,主要原因是发动机再次起动时,泵部件的温度过高引起推进剂气化,导致推进剂增压泵不能够正常建压。因此提出一种"热泵"起动故障的解决方案:在发动机系统上增设排空系统和排放系统,降低泵部件的温度及泵腔的含气率;在涡轮和泵之间增加隔热结构,减少它们之间的热量传递;对发动机再次起动的时序进行调整。该方案结合某型多次起动泵压式上面级发动机试验验证,"热泵"起动故障圆满解决。最后通过对不同试验结果和高空环境仿真结果的对比,验证了该方法的正确性,能够提高发动机再次起动的可靠性。     

倾角对涡旋压缩机运行特性影响的实验研究

针对空间蒸汽压缩热泵系统中压缩机的润滑问题,对不依赖重力回油的汽车涡旋压缩机进行改变倾角的实验,研究重力方向对涡旋压缩机及热泵系统运行的影响。结果表明压缩机在0°~360°范围内改变角度时,热泵系统均能正常工作;当吸热量为2500~3500W时,蒸发温度最大变化量为1.3℃,蒸发冷凝温差以及热泵系统性能系数（COP）的最大变化量分别为3.2%和6.3%,重力无关性较好。压缩机的性能与循环油量有关,本实验中压缩机在倒置的角度下,沉积的润滑油与冷却剂一起进入热泵系统参与循环,使其性能略有提高。     

热泵技术在旅游船废热回收上的应用研究

旅游船上的废热水以往都是通过直接排放的方式排入周围的环境中,造成较大的热污染和能源浪费;分析了热泵系统余热利用的工艺特点。利用热泵技术可以较好地回收这部分余热,降低生产的能耗。实验研究和现场应用表明利用热泵回收余热水具有比较大的节能潜力和广阔的应用前景。     

未来战术导弹的动力装置

本文论述了战术导弹的特点,展望了战术导弹动力装置的发展,提出战术导弹动力装置未来的发展重点应是:高性能,即高装填系数、高比冲、高质量比;部件模式化;组合应用;简化动力装置结构;提高性能预示精度,减少试验数量;降低成本及提高综合性能等.     

载人航天器热排散方式分析

为优选载人航天器热排散方式,对比分析了空间深冷环境、月面赤道附近清晨和月面赤道附近月午3种热环境下,使用水升华器、辐射器和辐射器+热泵3种热排散方案的效果与系统代价。结果表明：短期任务使用水升华器质量代价较小;热泵可以显著提高辐射器散热能力,且提升效果随太阳高度角上升而增加;但使用热泵能耗较大。因此,需根据任务规模、周期和航天器供电能力对热排散方案的选用进行综合评估。     

倾角对含油工质冷凝换热影响的实验研究

随着航天器热控制的发展,蒸气压缩热泵排热系统等热控方式逐渐受到人们的重视,其中冷凝换热对热泵的性能好坏有重要的影响。为了研究重力场对冷凝换热的影响,将紫铜直管冷凝器置于蒸气压缩热泵系统中,通过改变重力场与流动方向的夹角,测量得到了不同倾角下的冷凝换热系数和压降。实验结果表明,倾角对直管内冷凝换热系数的影响较大,不同倾角下的换热系数差别达30%,远大于不同倾角对直管内蒸发换热的影响;压缩机润滑油对冷凝换热的影响也很大,相比较无润滑油冷凝换热系数低30%以上。随着质量流量的增加,压缩机润滑油的影响逐渐减弱。
     

新型空间电源——热离子核电源

概述了空间电源的发展过程,以及空间电源系统在空间飞行器设计中的重要作用;大功率、低重量、小体积、抗辐照是对空间电源的基本要求。概述了空间核电源的优点、缺点、使用的范围、发展的必然趋势、回避缺点的方法。     

电磁驱动液态金属热控系统分析

对电磁驱动液态金属热控系统进行了分析,与水工质回路的传热特性比较表明：在进行高功率密度器件散热方面,液态金属换热性能明显优于水等常规工质,在较小的流速下,可以保持较低的器件表面温度;更为重要的是,它可以采用无运动部件电磁泵驱动,具有可靠性高、振动噪声小、结构简单紧凑、功耗小、可控性强等优点。该系统不仅可解决空间高热流密度器件散热难题,而且在微小卫星、月球／行星表面探测器等主动热控制方面也有重要的应用前景。     

一种耐高温的轻型喷管材料

纤维材料公司(FMI)已验证了加工轻型、抗氧化的用于卫星姿控系统的复合材料推力室的可行性。此部件的优点是减轻了系统重量、提高了有效载荷;由于较高的温度容限及较低的加工成本,使之成为一个更加简单、可靠且性能优良的系统。增强材料采用高强度、高弹性模量的碳纤维,基体材料为碳化硅。借助于轴向编织型坯的致密化过程加工碳纤维增强碳化硅基推力室。由化学气相渗透法(CVI)对编织部件进行致密化处理,最终密度约为2.1g/cc 及开口孔隙率为14%。致密的部件周向抗拉强度超过100MPa(15KSI)     

Radioisotope-powered free-piston Stirling engine for space applications

The paper presents a preliminary conceptual design of a 2kW(e) autonomous power system consisting of a radioisotopic heat source, free-piston Stirling engine, reciprocating induction generator and a space radiator. The proposed design features a direct thermal interfacing of the Pu-238 heat source with the Stirling engine head, low heat losses during normal operation, and provides an auxiliary/emergency cooling system in the case of the engine failure of stopping. The Stirling engine is of the free-displacer, free-piston type invented by Beale and uses helium as the working fluid. The engine piston is integrated with the armature of a simple linear alternator which is used for electric generation. Waste heat is rejected by a four-finned space radiator sized for a geosynchronous orbit. Specific power and efficiency of the Stirling isotope power system are compared with the present and predicted performance of other power conversion systems suitable for the same power range.     

Heat storage and electricity generation in the Moon during the lunar night

One of the biggest challenges of the exploration of the Moon is the survival of the crew and the lunar assets during the lunar night. The environmental conditions on the lunar surface and its cycle, with long periods of darkness, make any long mission in need of specific amounts of heat and electricity to be successful. We have analyzed two different systems to produce heat and electricity on the Moon's surface. The first system consists of Thermal Wadis, sources of thermal power that can be used to supply heat to protect the exploration systems from the extreme cold during periods of darkness. Previous results showed that Wadis can supply enough heat to keep lunar devices such as rovers above their minimum operating temperature (approximately 243 K). The second system studied here is the Thermal Energy Storage (TES), which is able to run a heat engine during the lunar night to produce electricity. When the Sun is shining on the Moon's surface, the system can run the engine directly using the solar power and simultaneously heat a thermal mass. This thermal mass is used as a high temperature source to run the heat engine during the night. We present analytical and numerical calculations for the determination of an appropriate thermal mass for the TES system.     

先进太阳能热动力系统单元热管吸热器仿真分析

研究的目的是验证热管吸热器有良好的热性能。通过对先进太阳能热动力系统单元热管吸热器进行数值仿真,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,并把仿真结果同NASA计算结果进行了对比。分析结果表明,热管吸热器由于热管良好的导热性和理想的等温性,热管在轴向的温差很小,这就使得热管在不同位置上的容器内的PCM都能同步、均匀的熔化;另外热管吸液芯的正常工作使得热管周向温度分布均匀,从而避免热斑现象;热管吸热器由于热管在轴向和周向上良好的等温性,在阴影期末,各蓄热容器内的PCM能够同时凝固,并最终达到完全凝固,从而避免热松脱现象。因此,热管吸热器提高了系统的效率,能避免热斑和热松脱现象。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

金属氢化物冷源传热传质分析

为了验证冷源系统是否能满足出舱航天服的需要，本文针对一套开放式金属氢化物冷源系统，建立数学模型，对其制冷和再生阶段的传热传质过程进行了分析。研究结果表明，金属氢化物热泵能够满足宇航员出舱活动中的散热要求，其体积与水升化器相当，质量损失小，并且能够通过控制反应床的压力调节出口水温，可控性良好，而在返回舱内后，调节冷却水流量，反应压比，可以使氢化物在30min内再生。     

航天器多功能结构传热特性的实验研究

针对航天器结构高性能、轻质化和集成化的发展要求,设计了集电路控制,热管理功能和结构承载功能于一体的多功能结构。此种结构分别采用柔性电路板控制热仿真多芯片模块,作为多功能结构的热源;碳碳材料作为热倍增器;复合材料蒙皮和金属泡沫芯子的夹层结构作为承载结构,实现了结构和功能的集成。同时,为了研究多功能结构的传热特性,进行了热真空实验,实验测量了热流密度和温度梯度。结果表明这种新型的结构可以消散飞行器多芯片模块产生的热量,碳碳热倍增提供了一种减小温度梯度的新方法,同时这种多功能结构减少了结构的体积,降低了结构的质量。     

高精度长寿命固体润滑滚动轴承弹性加载方式

文中讨论了空间飞行器高精度、长寿命、高可靠性活动部件——固体润滑滚动轴承的一种预加轴向载荷的方式。实验证明经过良好的设计和装调,采用转移膜润滑工艺,加以准确合适的均匀的轴向预载,可以使轴承保持低且较稳定的摩擦力矩、高的旋转精度和较长的寿命。     

燕尾形轴向微槽热管的流动和传热特性

建立了燕尾形轴向微槽热管传热和液体流动模型并进行了数值求解,计算了其最大传 热能力。模型考虑了气液界面剪切力的作用,分析了热管内气、液相流体压力和流速及弯月 面毛细半径沿轴向的变化特性,并讨论了热负荷对蒸发段端口毛细半径的影响,以及工作温 度和吸液芯结构对最大传热能力的影响。研究表明：弯月面毛细半径沿轴向非线性增加,在 蒸发段和绝热段变化较小,而从冷凝段开始急剧上升;热管内蒸气沿程压差远小于液相压差 ;液体的平均速度远小于蒸气的平均速度;沟槽热管的最大传热能力受工作温度和毛细芯结 构尺寸的影响较大;燕尾形底宽的增大或微槽高度的增加有利于提高热管的最大传热能力, 而蒸气腔半径对最大传热能力的影响不明显。同时,还通过实验验证了本模型的正确性。
     

航天器密封舱微重力对流传热与传质地面试验模拟方法理论分析

针对航天器密封舱内气体对流传热传质地面模拟试验问题，依据传热传质相似试验理论方法，进行了初步的理论分析，包括热缩比模型法和降压法，给出了它们相似试验的相似律及它们应用的约束条件，并从理论上定性分析了不同试验方法的优缺点。分析表明，在重力条件下，热缩比模型法在保持Reynolds数不变的前提下可明显抑制传热传质过程的温差和密度差对流动与传热传质的影响，而且抑制效果与缩比比例的三次方成正比；而降压法在保持Reynolds数不变的前提下同样可明显抑制自然对流的影响和密度差对流动与传热传质的影响，但对自然对流和传质过程的密度流的抑制效果有所不同。