空间太阳能热动力发电系统吸热蓄热器热性能研究

空间太阳能热动力发电系统是一种新型空间电力系统。吸热蓄热器是太阳能热动力发电系统关键部件之一。吸热蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。本文以NASA 2kW太阳能热动力发电系统地面试验采用的吸热蓄热器为研究对象，建立了吸热蓄热器的三维传热数值模型，可以模拟轨道周期内、各种工作参数下吸热蓄热器的热损失、工质温度、容器单元温度、PCM熔化率以及PCM潜热利用率等主要参数的变化。通过与蓄热换热管地面蓄放热试验结果比较，验证了方法的可靠性。在对传统吸热蓄热器结果进行分析的基础上提出了吸热蓄热器的改进方案——组合PCM热换管概念，并与传统吸热蓄热器性能进行了对比分析。     

一种可主动控制工作温度的低温回路热管

低温回路热管是一种应用前景广阔的航天器热控设备。为了利用低温回路热管实现航天器低温部件的主动控温,进行了低温回路热管传热性能试验,并对试验中发现的低温回路热管控温性能进行了理论分析,进而对现有低温回路热管的结构进行了改进。改进后的低温回路热管能够在全功率范围内保持系统温差（主蒸发器与冷凝器温差）恒定,并能通过调节储液器上的加热功率,实现一定温度范围内的主动温度控制,使低温回路热管具有了毛细泵回路的控温功能。     

一种微型槽道热管的性能分析与试验研究

槽道热管是航天器较为常用的一种热控产品,其中截面特征尺寸小于5mm的微型槽道热管主要用于空间光学遥感器CCD器件的散热,在设计、加工等环节均具有较高的技术难度。文章设计了一种5mm×4mm矩形截面、内部槽道为梯形的微型热管,对热管传热性能进行了理论计算和试验验证,最终确定了较为理想的槽道几何参数。研究结果表明：该种微型热管的极限传热能力为4．77W·m,极限负载下的轴向温度均匀性优于±0．5℃。     

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。
     

储液器在被动式热交换下环路热管的热性能研究

环路热管是应用于航天器、航空器、舰船等设备的新型换热器件,热性能是评价环路热管的主要性能参数。通过试验和系统级数值模拟研究了当储液器处于自然对流的被动式热交换时,环路热管在不同冷源温度下的温度分布特性和换热性能,说明环路热管总热阻和冷凝器利用率受冷源温度的影响规律。环路热管存在可变热导和固定热导区:在可变热导区,环路热管总热阻随热负荷的增大迅速减小,而升高冷源温度有助于降低总热阻;进入固定热导区后,总热阻则趋于稳定。蒸发器换热系数随着热负荷的增大先增大后减小,但其变化幅度在冷源温度较高时明显减弱。     

空间碎片撞击气瓶穿孔孔径预测公式研究

星上压力容器中储存有高压气体或液体,在受到空间碎片和微流星体超高速撞击时可能发生灾难性事故。文章采用均匀实验设计方法对星上常用高压气瓶的超高速撞击仿真方案进行了试验设计,并通过LS-DYNA仿真软件对其进行了超高速撞击数值仿真,获取了不同参数的弹丸撞击气瓶时气瓶器壁穿孔孔径。通过对器壁穿孔孔径的数据拟合,建立了无防护情况下气瓶器壁的穿孔孔径预测公式。与试验结果对比表明,建立的穿孔孔径预测公式具有一定的预测精度。     

相变材料辅助环路热管启动的实验研究

在对蒸发器卜辅助加热和热电制冷器对储液器制冷这两种主动辅助启动措施进行实验研究的基础上,首次提出了一种新的完全被动的辅助启动措施,即采用相变材料控制储液器温度在相变点附近,以便形成启动所需的液体过热度.通过实验验证了相变材料辅助启动的可行性,研究了不同热载荷埘相变材料辅助启动的效果以及该辅助措施对启动后环路热管稳态运行的影响.实验结果表明:相同热载荷下,储液器上外贴相变材料容器后.相变材料的热容明显有利于形成启动时引起蒸气槽道内核态沸腾所需要的蒸发器和储液器间温差,降低了启动时蒸发器的温度升高,减少了启动所需时间.但启动热载荷越小,启动经历的时间将越长,当热载荷小到一定程度,蒸发器和储液器的温度差形成也会存在困难.此时相变材料只能延缓蒸发器温度升高.启动后储液器外的相变材料容器町实现一段时间内的控温.     

大尺寸离轴反射式相机的仿真集成分析方法

离轴三反相机光学元件的不对称性,给相机的温控设计带来较大难度,因此有必要研究各种温度场对离轴三反相机性能的影响,特别是大型离轴三反相机,由于其外形尺寸大、焦距长、构型复杂,增大了研究难度。文章针对某大型离轴三反相机,通过光机热集成分析的方法,研究了其性能受不同温度影响的变化规律,从而为设计合理的热控措施提供依据。通过计算相机真实在轨温度场,得到温度边界条件;利用集成分析软件仿真了10种温度工况下相机光机结构的变形规律;最后利用光学仿真软件计算出光机系统的成像品质。仿真结果表明:若干温度工况下,相机的反射镜更容易产生离焦现象,而不容易产生离轴和倾斜现象;相机对整机径向的温度差最敏感,对轴向的温度差最迟滞;均匀温度变化和单个反射镜的温度差变化对相机的成像品质不产生影响。     

空间遥感器的热／结构／光学分析研究

作为一个空间遥感器整机热光学（热／结构／光学）集成分析过程，对空间遥感器主要光机结构简化，进行导热特性分析和等效热阻计算；利用软件计算在轨道上典型工况的空间外流热和内热源分布；建立有限元温度场分析模型和结构热弹性分析模型，计算全机稳、瞬态温度场分布，均匀温度和特定温度场下的位移场，得到各光学元件的位移；利用光学分析程度计算的公差计算结果插值计算遥感器光学系统由于光学元件的热致刚体位移（离轴、轴向位移和倾斜）而产生的光学性能变化。     

环路热管启动性能实验与分析

通过一系列环路热管的启动地面实验测试,发现了环路热管蒸汽槽道和液体干道中不同气液分布情况下的启动现象,揭示了环路热管的启动过程,研究了蒸发器内气液分布、储液器和蒸发器的相对位置以及不同的启动功率对环路热管启动特性的影响。为环路热管在空间应用提供了重要依据。     

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。     

放置倾角对轴向槽道热管传热特性影响的实验研究

对常温梯形轴向槽道热管在不同放置倾角下的传热特性进行了实验研究，着重分析了热管的放置倾角对轴向温度分布、最大轴向温差、总热阻、当量换热系数、最大传热量的影响，旨在为航空热管的地面性能测试提供参考。实验结果表明：热源在下垂直放置热管的蒸发段和冷凝段的当量换热系数分别是水平放置热管的1．5倍和2．5倍。热源在上倾斜放置的热管，水平放置的热管、热源在下倾斜放置的热管的平均总热阻成一个数量级递减，蒸发段的最大输入热流量依次递增一个数量级。     

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。     

固-液相变装置传热性能数值计算研究

卫星内安装的某些设备在轨长期工作时要求维持较恒定的温度,特别是热容较小的设备受外热流影响温度波动会比较大,文章在传统热控设计的基础上增加了相变装置,利用焓法建立了设备、蜂窝板、相变装置统一的控制方程,研究了空间环境下相变装置的热性能。结果表明:采用相变装置有助于提高散热面的等温性,同时能够有效降低设备的温度波动范围,为航天器内设备的热控设计提供了一定依据。     

嫦娥一号卫星热控设计中热管的应用及验证

为克服由于月球热环境的特殊性给热控设计带来的困难,尤其是卫星度过月食的极端状态条件,首次采用了舱外两舱热耦合热管、相变材料热管技术,为最终嫦娥一号卫星热控状态满足总体的技术要求发挥了关键作用。由于两舱热耦合技术的采用,两舱的热能量得到了相互补偿,因此减少了整星散热面,减少了热补偿功率需求,提高了月食结束时蓄电池的温度,使热控技术方案成为相对优化的方案。文章对热管技术在嫦娥一号卫星热控设计中的应用进行了总结,并给出了热分析及热平衡。     

平板蒸发器环路热管的性能研究

作为一种新型的热控元件,环路热管依靠其可靠性高、传热能力强和等温性好等特性,能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,因而被广泛地应用于卫星、飞船及电子产品等的热控。特别是具有平板蒸发器的微型环路热管具有很广阔的应用潜能。文章建立了环路热管运行的热力学和动力学模型,在此基础上用C++程序语言设计了相应程序,对某给定环路热管进行了热力特性计算。研究表明,蒸发器内部的压力降在环路总压降中占主导地位。     

紫外成像光谱仪焦面CCD散热设计及验证

为保证空间紫外成像光谱仪焦面电荷耦合器件（CCD）在低温环境下的工作性能，需对焦面CCD进行散热设计。首先，根据焦面CCD的热耗、工作模式及温度要求，提出以高性能柔性石墨导热索为主要措施的散热设计方案，建立热仿真模型并进行热分析。然后，在真空环境下进行焦面CCD热平衡试验，结果显示:柔性导热索的CCD连接端与热管连接端温差仅为2.3 ℃，以此推算出导热索自身热阻为0.65 ℃/W，满足热阻小于1 ℃/W的指标要求，具有良好的导热性能；焦面CCD在长期工作模式下的温度为-21.4 ℃，满足低于-20 ℃的工作温度要求。仿真分析和试验结果基本一致，表明采用柔性石墨导热索结合热管的焦面CCD散热设计方案合理可行。     

高热流CCD器件散热与精密控温技术

为保证空间相机 CCD 器件处于较小的温度波动范围,根据焦面组件的结构特点,通过仿真分析的方法,对空间相机大功率 CCD 器件的散热方法和精密温度控制策略作了初步研究。首先介绍了大功率CCD器件的热设计要求,分析了大功率CCD器件热控设计特点,提出了采用微型热管的技术途径解决小空间、高热流密度器件的热量收集与排散方案,采用了基于积分分离式PI控制的电加热主动控温策略。热分析结果表明,热控方案可以满足CCD器件的散热需求以及＆#177;0.2℃的高精度、高稳定度温度控制要求。     

热管技术在航天器热控制中的应用

热管技术在航天器等温化、热传递、散热和仪器设备热控制等方面具有广泛应用。文章介绍了热管的工作原理、分类及热控制应用考虑的因素;评述了热管技术在国内外航天器热控制中的应用进展;指出了热管技术进一步发展的方向。发展新型热管和提高热管传热能力将是今后热管技术的研究重点。