太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

飞机红外辐射及大气透过率计算方法

研究了飞机目标的红外辐射特性,以及红外辐射在大气中的辐射衰减特性.根据现有的理论基础以及飞机自身结构特性,将飞机的红外辐射源分为蒙皮、尾喷口和羽流3部分,并提出了3个辐射源在不同波段、不同角度下的红外辐射特性计算方法.根据红外辐射的大气传输特性,采用了不同波长、不同弹目距离下的大气透过率简易计算方法,并将其与Lowtran7进行比较.计算了飞机在不同波段下,经大气衰减后,最终到达红外探测器的辐射强度.     

巡航导弹红外辐射及大气衰减计算模型

对巡航导弹3个主要辐射源:蒙皮、尾喷管及羽流进行了深入分析,建立了巡航导弹红外辐射计算模型.此外,在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑高度、倾斜及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响,建立了大气透过率的理论模型与计算方法.最后,以某型号巡航导弹为例,利用此模型计算了3~5μm和8~12μm两个波段的红外辐射强度、大气光谱透过率和平均透过率,以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析.结果表明,这是一种计算巡航导弹红外辐射的简单方法.      

直流磁控溅射ZnO:Al薄膜的光电和红外发射特性

以锌、铝合金(ω(Al)=3%)为靶材,利用直流反应磁控溅射法制备了系列掺铝氧化锌ZnO:Al(ZAO)薄膜样品,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、分光光度计、霍耳效应及红外发射率测量仪等测试仪器或方法表征了样品的结构、形貌、光学、电学及红外发射特性.测得样品最低电阻率达到1.8×10^-6(Ω·m),最大禁带宽度为3.47?eV,可见光区平均透过率达到90%,8~14?μm波段平均红外发射率在0.26~0.9之间.上述特性均随衬底温度和溅射功率的变化有着规律的变化.当方块电阻小于45?Ω时,薄膜在8~14?μm波段平均红外发射率与方块电阻遵循二阶函数变化规律.     

玫瑰扫描光学系统头罩气动热建模与仿真

在导弹高速飞行过程中，光学头罩的温度受气动热效应作用而急剧升高，会产生严重的气动热辐射效应。为研究头罩气动热对玫瑰扫描光学系统的影响，建立了基于CFD流体仿真软件的头罩温度场模型。在仿真软件对光学系统结构进行三维建模后，通过光学软件对头罩热辐射对探测器的影响进行了仿真和计算。仿真结果表明：玫瑰扫描光学系统对头罩的温度梯度较为敏感，当头罩温度非均匀分布时，探测器会接收到气动热辐射干扰信号，对弱小目标的正常探测和提取产生干扰，气动热辐射效应不容忽视。     

隐匿红外辐射的绝招

科学研究早已证明:世界上的任何物体,只要它的温度高于绝对零度(-273摄氏度),便无时不刻地向外发出红外辐射;而且随着温度的增加,其红外辐射值也就越强。试验得出,物体的热辐射能量与温度成4次方关系。显而易见,减少红外辐射的最有效的途径便是降低温度。另外,也可以通过改变其     

金属蜂窝板高温环境下的隔热性能试验与计算

采用红外辐射加热式气动热模拟试验系统,进行了高温环境下的金属蜂窝板隔热性能试验研究,试验温度最高达到800℃;采用有限元的方法进行了金属蜂窝板传热特性数值模拟,计算中考虑了蜂窝板内部金属蜂窝芯结构的导热,蜂窝腔内壁面间的辐射换热和蜂窝腔内空气的传热.研究结果显示,金属蜂窝板后表面的试验测试数据与数值模拟结果吻合的很好.金属蜂窝板在高达800℃高温热环境下的隔热性能数值计算和试验结果将为航天航空器的防热结构研究提供参考依据.     

发动机燃气喷流红外辐射场的数值模拟

在高温流动中热辐射与流场是耦合的,但在发动机燃气喷流流场的温度范围内可以在流场计算中忽略热辐射的影响,于是流场与辐射场的模型方程可解耦.为此提出了模拟飞行器绕流流场红外辐射的解耦模型以及相应的算法.该算法首先采用总变差减小TVD(Total Variation Diminishing)格式对流场进行模拟,再引入有限体积概念,应用所取得的流场参数,在同一组网格上计算流场中的红外辐射特征.以轴对称喷管内N₂,O₂,CO₂,H₂O,CO,HCl,H₂等7组分高度欠膨胀冻结流与均匀绕流干扰流场为算例进行了验证性的模拟计算,并与已有试验和计算数据进行了对比,表明该算法是可靠的,可在较大幅度地降低计算量的情况下给出满足工程需要的结果.     

OpenGL在红外辐射计算中的应用

提出一种将OpenGL应用在目标红外辐射特性计算中,从而实现目标红外辐射特性可视化计算的方法.由于OpenGL可用于构造三维模型,进行三维图形交互软件的开发;因而将其引入红外辐射特性计算中可解决复杂目标计算问题,而且图形硬件的消隐能力避免了遮挡计算并使计算以所见即所得的方式实现可视化.针对目标红外辐射特性中的自身辐射和目标对太阳光的反射部分,分别运用光照模型中发射光和漫反射的特性,以像素的颜色获取温度参数和法矢从而实现可视化计算.用一个简单标准体模型进行验证,计算结果表明了该方法的有效性和可行性.     

基于多光谱测温优化的材料光谱发射率测量

针对高温材料红外光谱发射率测量中样品表面温度难以准确测量的问题,提出了直接使用光谱仪测量得出样品表面的光谱辐射能量信息,选取其中合适的光谱波段利用多光谱测温方法得到样品表面温度,进而计算出材料的光谱发射率.分析了多光谱测温中发射率模型的阶次和测量波段选取对测温准确度的影响,给出了温度计算的稳健算法,并对其主要不确定度的来源进行了评定.在1 100 K左右温度下以不锈钢材料进行实验验证,得出温度引起的光谱发射率相对不确定度在2～20 μm范围内低于2%,满足红外隐身和辐射测温等领域的要求,适合于导热性能差的材料或涂层材料的高温光谱发射率测量.     

米级高性能氧氟红外玻璃

氧氟玻璃具有良好的透红外性能，且可实现低成本、短周期和大尺寸制备，是高端红外窗口的优质候选材料。随着红外技术的不断革新和光学系统技术的不断进步，对超大尺寸、高性能的红外窗口玻璃提出了更高的要求。基于此，中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队经过十余年技术积累，通过精密温场控制技术和脱羟除铂技术，首次突破了国内米级高性能镓酸盐氧氟红外玻璃及大尺寸半球整流罩的制备，此材料可作为红外窗口应用于新一代红外探测等多个领域。     

磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究

作为新型航天器姿态机动执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)长时间工作在高真空环境下且高速转子完全悬浮,散热条件差,系统温度过高,导致陀螺组件产生较大的热应力,降低了陀螺结构部件的强度。为减小温度场对陀螺结构部件强度的影响,提高陀螺结构的可靠性,采用有限元法计算出磁悬浮控制力矩陀螺工作状态下的温度场,并基于温度场分析陀螺结构部件的应力分布情况,明确温度场对陀螺结构部件力学性能产生的影响。建立了陀螺热网络模型,根据热网络模型与热网络方程分析热量传递路径及温度影响因素,并提出相应的优化措施。经优化,定子组件最高温度从66.5℃降至49℃,转子组件最高温度从91.7℃降至76.9℃。陀螺定子组件的强度安全系数由1.52提升为1.73,提高了13.8%,陀螺转子组件的强度安全系数由1.32提升为1.56,提高了18.2%。      

火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用，同时还将与火星表面航天器发生对流换热。热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响，从而确定主要的控温途径。在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上，从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响。器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围为0.3～1.4W/(m2·℃)，对流传热系数随风速变化为0.2～1.5W/(m2·℃)，器内导热传热系数可控制在0.25W/(m2·℃)以下。结果表明，太阳辐射较火星表面和天空辐射而言是主要外热源，航天器表面的辐射和对流换热为两条并联换热途径，两者均可成为主要换热途径，器内导热传热是控制航天器内外隔热的主要可控因素。     

FY-3D卫星高光谱温室气体监测仪热控设计及在轨验证

FY-3D卫星高光谱温室气体监测结构布局紧凑，在较小尺寸空间内布置有8个镜头组件、12台电子设备和3台电机。内热源数量众多，光学镜头控温精度要求高，热控功耗及散热面资源紧张，使热控系统设计难度较大。基于热管理、辐射间接热控、辐射冷却及结构热控协同优化设计等多种思路对监测仪热控系统进行设计，有效解决热控难题。入轨后监测仪历经了多个工况模式切换，在轨温度数据表明，所有工况模式下各部组件温度都满足指标要求，且光学镜头温度稳定度较高，在正常工作模式下，干涉仪关键件最大温度波动在±0.15℃以内，其他光学镜头组件最大温度波动在±0.45℃以内，且无论整轨待机模式还是正常工作模式，基于热管理的2组电子设备散热系统都无需消耗热控功耗，实现了多热源复杂机制下高精度控温及节能热设计。      

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件（CCD）,采用基于环路热管（LHP）的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。     

密封材料空间环境失效分析

对空间环境造成载人航天器密封材料的各种失效机理进行了分析。材料低温脆化,高温时表面脆化;真空时材料内挥发成份的溢出,使材料渗透性增大;辐照使密封件失去弹性：这些是空间环境中温度、真空和辐照使密封失效的主要原因。真空条件下,密封件挥发成份中的可凝物在光学元件表面的凝聚从而破坏表面光学特性,是密封设计中一个值得重视的现象。     

环路热管地面实验平台的热设计

文章旨在建立环路热管的地面实验平台,模拟环路热管在太空轨道运行的热环境。首先建立了地面实验舱的物理模型,对其如何实现在地面模拟太空中该环路热管的热环境进行了热分析计算,其次确定了满足环路热管轨道运行最冷工况和最热工况下的实验舱的壁面温度,最后对实现该轨道环境所需要的壁面绝热材料、制冷剂、制冷设备进行了选择,初步完成了实验平台的热设计。计算结果表明,在同时考虑舱内对流和辐射换热的条件下,要实现空间热边界条件,实验舱内舱的壁温要保证在-62.1~-10.9℃之间变化。     

基于蛇形通道的电池组液冷方案设计与优化

相较于传统汽车，电动汽车在大力发展新能源的背景下具有良好的应用前景。电池作为电动汽车的动力源之一，其输出性能极易受到温度的影响，电池热管理系统对控制电池工作温度、延长电池组寿命、保障电动汽车安全稳定行驶等都具有重要意义。针对动力电池在工作过程中因自身温度过高而产生不利影响的现象，先分析了电池的生热特性。然后，提出了一套基于蛇形通道的液体冷却热管理方案并进行优化。最后，温度场仿真结果表明:优化后的液冷结构对电池组的工作环境有显著影响，高温工况下能够使电池工作在最佳温度范围20 35℃之内，同时满足电池组内温差小于10℃的要求。      

航天器用低温多层隔热性能计算方程

航天器常用有效发射率表征多层的隔热性能,其经验值范围为0.02~0.04,经验值仅与多层单元数有关,不随温度变化。有效发射率经验值的适用条件是多层的热面温度约-10℃~50℃,多层的冷面不照太阳。使用条件偏离得越多,有效发射率的经验值导致的计算偏差就越大。针对该问题,提出采用辐射项加导热项的混合传热模型,取代传统的纯辐射模型,并给出了方程中导热项系数和辐射项系数的计算方法。以国产10单元多层为例,给出了方程系数的详细计算过程,该系数已用于工程实际。用多种工况验证了该方程的准确性,并阐述了纯辐射模型导致较大偏差的问题根源。采用混合传热模型使高温/低温区的计算偏差从20℃降低至5℃。混合传热模型比纯辐射模型更适于描述多层的传热过程。最后,研究了选取多层隔热性能热平衡试验工况的原则。