空间相机外遮光罩的非稳态温度场计算

外遮光罩的非稳态温度场,对空间相机的第一光学表面—光学窗口产生直接影响,进而影响空间相机的分辨率和成象质量。本文采用Monte—Carlo法和Brain ADI法,通过热模型的建立、空间外热流计算和合成、角系数的求解、离散热平衡方程的建立、交替方向隐式求解(Brain ADI)等步骤,对空间相机外遮光罩的非稳态温度场进行了计算,自编的通用程序软件,可以计算任一轨道位置、任一时间的外遮光罩的非稳态温度场。本文采用的理论、方法和程序,对于空间外露物体的热计算,具有一定的通用性。     

一种圆轨道航天器外热流通用计算方法

文章提出了一种圆轨道航天器外热流通用计算方法,采用解析法计算太阳直射热流,采用数值积分法求解行星红外和反照,无需求解行星中心到太阳矢量与航天器表面法线在局部球坐标系的经度差,能有效简化计算过程。在此基础上选取一种特殊圆轨道,对常用姿态(+Z对地,-Z对日,偏航)六面体卫星的瞬态外热流进行分析,并将偏航姿态瞬态外热流分析结果与热分析软件计算结果进行了对比,对比结果充分说明了此方法的准确性,它能快速准确地计算圆轨道航天器常用姿态外热流,可为各领域航天器热控设计和热分析提供重要参考。     

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.     

航天员出舱牵引构型设计与结构响应性能评估

针对航天员出舱过程所用安全绳锁挂频繁的问题，进行了安全高效的航天员出舱牵引系统构型设计，可作为太空行走的辅助导向装置。基于材料结构弹塑性力学方程与含应变耦合项的热传导方程，推导结构热力响应可计算数学模型，利用Newmark方法以及Crank-Nicolson数值格式分别对热弹性方程和热传导方程进行时间域上的离散，构造金属结构响应无条件稳定隐式有限元格式，搭建了温度场与位移场相互影响热力耦合有限元算法(FEM)性能评估软件系统，以此对牵引系统的导轨进行热力耦合数值计算，得到在太阳辐射外热流载荷作用下具有较强抗变形能力的结论。计算了航天员采用牵引系统出舱时对导轨产生的拉力，并借助ANSYS Workbench对导轨进行静力学求解，验证了该牵引系统具备结构强度可靠性，可为空间站建设舱外作业平台提供重要理论分析依据与设计参考。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

倾斜轨道六面体卫星极端外热流解析模型

卫星设计中,外热流分析是温度场计算的基础,也是极端工况选择的依据。非太阳同步倾斜轨道卫星外热流变化非常复杂,一般需要采用组合散热面的设计方法,这些都使得卫星极端外热流工况难于判断,给整星热分析以及热设计造成很大困难。通过合理的分析与简化,推导出倾斜轨道六面体卫星空间外热流的解析模型,提出一种新的地球反照周期平均值的简化计算方法,利用Nevada软件对数学模型进行了验证。最后以某倾斜轨道卫星为例对其空间外热流进行了详细的分析研究,结果表明：轨道空间外热流模型与专业软件计算结果之间误差很小,应用这一模型可以方便地分析倾斜轨道六面体卫星外热流的变化规律,进而得出卫星极端吸收外热流工况,为卫星高低温工况确定提供相关的设计依据。     

高温热冲击下固体火箭发动机层合结构温度场解析解

对高温热冲击下固体火箭发动机的温度场分布进行了研究.基于固体火箭发动机在高温热冲击下的简化分析模型和控制方程,提出了一种求解连续层合结构热传导的分离变量法,获得了高温热冲击下固体火箭发动机层合结构温度场的解析解.     

基于消隐算法的空间结构有效辐射面判断方法研究

空间环境中若投入能量是均匀的,则到达空间结构表面的外热流只与空间结构在投入能量方向上的有效投影面积有关.据此,对空间结构外热流的求解问题将转化为空间结构有效投影面积的求解问题.文章参考图形学的相关算法,提出了一种快速的、具备较高精度的重叠投影区域判断方法,用于辅助空间结构有效投影面积计算.以大型复杂卫星为例,采用该算法...     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

碳化材料三维烧蚀热响应有限元计算研究

针对碳化烧蚀热防护材料三维温度场计算问题进行了研究。采用弹簧松弛法模拟防热层表面后退运动,应用化学反应动力学模型描述材料内部热解过程,内部温度场计算模型考虑了防热材料的热传导、热解吸热、热解气体在碳化层内的流动以及热解气体与碳化层之间的热交换。对控制方程采用有限元方法进行离散,时间方向采用Newton-GMRES隐式迭代推进求解。将计算结果与经典程序的计算结果及实验数据进行了比对,初步验证了计算方法的可靠性,并通过球头算例展示了程序对三维问题的良好处理能力。