载人航天器主动热控系统热负荷布局优化

针对典型的含有低温内回路、中温内回路和外回路的载人航天器主动热控单相流体回路系统,研究了给定温度的热负荷布置在低温或中温内回路对系统总质量的影响,给出了根据热负荷温度和功率进行布置的原则。根据系统质量的数学模型和能量平衡关系,采用Lagrange乘子法对热控系统进行了轻量化建模和求解。结果表明,存在一个热负荷的临界温度使两种布置方案系统的总质量相等：热负荷温度低于该临界温度时,布置在低温内回路可使系统总质量更小,反之应当布置在中温内回路。热负荷布置在低温内回路还是中温内回路需要根据其温度和功率来选择。最后,对热负荷布置原则从换热温差分配的角度进行了定性上的分析。     

航天器自主热控功率波动抑制方法

在现有智能化卫星综合电子系统的基础上,针对自主热控功率波动问题,文章提出了一种航天器自主热控功率波动抑制方法。该方法将自主热控划分为温度采集、占空比控制、功率波动控制、回路开关控制共4个步骤。通过智能功率驱动芯片实现了短时间内批量切换加热回路通断状态。在此基础上,以控温周期为单位实现了对各加热回路的矩阵式占空比控温。通过调整控温周期内加热器开关矩阵分布,抑制自主热控过程中的功率波动。经地面试验验证,本文设计的方法在满足热控需求的基础上,降低了自主热控过程中出现的峰值功率,并对各控温周期间和控温周期内的功率波动起到了良好的抑制作用,已在多颗智能卫星上得到应用并取得预期效果,可为后续航天器软件设计提供参考。     

回路热管工作温度的控制方式

对比传统直热管,回路热管具有启动迅速、传输距离远、热量大、温差小等优势,但在实际应用中,如在航天器热控、电子元器件散热等场合,又会对回路热管工作温度的精确控制能力又提出新要求。对此要求,文章主要介绍几种目前已经使用以及研发中的回路热管工作温度的主动控制方式,并且比较了它们各自的优缺点。     

载人航天器的可重构式控温回路系统设计

文章提出了载人航天器的可重构式控温回路系统,它由独立的中低温内外回路系统组成,可改善低温内回路由于控温点温度较低而对辐射器散热能力带来的影响,还可在某个外回路辐射器故障时进行系统重构,维持回路功能。建立了控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式下和某外回路故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和载人航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,双外回路系统比单外回路系统散热能力高27%。当双外回路中某回路故障时,通过系统重构,外回路系统可维持1850W散热能力,能保障载人航天器平台安全,表明可重构式控温回路系统能提高系统可靠性。     

与流体回路耦合的空间辐射器流动/传热分析

流体回路作为一种主动热控技术,在载人航天器及空间站上发挥着重要的作用。作为航天器的对外散热界面,辐射器与流体回路之间往往存在直接热耦合关系。在进行简单理论分析的基础上,针对载人飞船的圆筒形辐射器,实现了流体回路与辐射器流动/传热及外热流计算的集成分析,反映了典型工况条件下辐射器的温度水平及外热流对流体回路流量分配和控温过程的影响。     

一种并网式载人航天器控温回路系统设计

提出了一种单舱辐射器并网和组合体舱间并网相结合的载人航天器控温回路系统,能够实现单舱层次功能备份和舱间层次功能备份。建立了单舱和组合体控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式和几种不同故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,对于单舱辐射器并网回路,在单条辐射器支路故障情况下,系统总散热能力损失不超过28.5%,单舱外回路完全故障时启动舱间并网回路,故障舱段可维持的热负荷水平占标准工作模式热负荷水平的63.5%,表明双层次并网控温回路系统可将设备温度有效控制在指标要求范围内,并能显著提高载人航天器所能承受的热负荷水平,提高系统的可靠性。     

载人航天器单相流体回路分析

对载人航天器热控分系统单相流体回路进行了简化,建立了氨工质单相流体回路的软件仿真模型,对仿真模型添加瞬态外热流,施加比例、积分和微分（PID）控制器。仿真结果给出了单相流体回路在典型工况下控温点温度波动、辐射器出口温度波动、温控阀主旁路流量分配的响应情况。据此分析了单相流体回路在典型工况下的动态响应性能、控温性能及低温防冻性能。总结评价了氨工质单相流体回路的低温防冻能力,确定了影响单相流体回路控温性能的因素,可用于指导我国单相流体回路进行优化设计及防冻设计。     

辐射器构型对载人航天器主动控温回路热负荷性能的影响分析

文章针对载人航天器主动控温回路系统中采用的分布式和集中式两类辐射器构型,分别建立了仿真分析模型,对它们在正常工作模式和辐射器支路故障工作模式下的工作性能进行了对比分析。结果表明,采用集中式辐射器的主动控温回路系统所能承受的热负荷水平要优于分布式辐射器对应的主动控温回路系统,且随着故障辐射器支路数目的增加,这两类流体回路所能承受的热负荷水平差异愈加明显。对于文章所设定的模型,正常工作情况下二者差异达到7.4%,单条支路故障时差异达到11%,2条支路故障时差异达到31.5%。     

环路热管在低温真空环境下的控温性能试验研究

针对某航天遥感器CCD器件在轨全寿命周期±2℃的控温要求,文章设计了一种采用陶瓷毛细芯的控温型环路热管。相比常用的金属毛细芯,陶瓷毛细芯具有更广的工质/壳体相容性、更高的开孔孔隙率、更低的导热系数和更小的孔径。上述优点使陶瓷毛细芯环路热管具有更高的运行效率和可靠性。文章通过低温真空试验验证了这种环路热管模拟空间环境下的启动和控温性能。该环路热管在储液器21.4℃、冷凝器–50.7℃的低温大温差条件下成功启动,在恒定驱动功率80W/70W/60W和交变功率30W/60W加载下,蒸发器九个冷板控温精度分别可以达到±0.4℃和±0.5℃。控温型陶瓷毛细芯环路热管可以满足分布式间歇工作多热源系统的精确控温,具有非常广阔的在轨应用前景。文章结论可为控温型环路热管在轨应用提供参考。     

载人航天器液体回路主动热控技术

液体回路主动热控技术是发展载人航天器必须解决的关键技术之一。和被动热控技术相比,其传热能力强,控温范围宽,控制精度高。本文系统地阐述了液体回路的组成、热控机理和调温方法,介绍了泵、阀门、热交换器等主要部件的作用、性能特点及国外的发展、应用状况等,并对一些关键技术进行了分析。     

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。     

航天器热传输技术研究进展

文章对航天器用热传输技术近期的发展进行了汇总,主要包括：导热材料、微小型热管、槽道热管、泵驱动两相流体回路、深冷环路热管、喷雾冷却系统以及基于MEMS技术的微型热传输技术。这些新技术是航天器高热流密度散热、大功率热传输、分散点热源散热及深低温热传输未来主要的解决途径,可供航天器热控研究及设计者参考。     

微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。     

Study of multilayer thermal insulation by inverse problems method

The purpose of this paper is to introduce a new method in the research of radiative and thermal properties of materials with further applications in the design of thermal control systems (TCS) of spacecrafts. In this paper the radiative and thermal properties (emissivity and thermal conductance) of a multilayered thermal-insulating blanket (MLI), which is a screen-vacuum thermal insulation as a part of the TCS for perspective spacecrafts, are estimated. Properties of the materials under study are determined in the result of temperature and heat flux measurement data processing based on the solution of the inverse heat transfer problem (IHTP) technique. Given are physical and mathematical models of heat transfer processes in a specimen of the multilayered thermal-insulating blanket located in the experimental facility. A mathematical formulation of the inverse heat conduction problem is presented as well. The practical approves were made for specimen of the real MLI.     

载人航天器主动热控制系统流体回路的优化设计

载人航天器一般采用主动热控制技术为主的热控制系统,废热的排散主要通过泵驱动单相流体回路。分析了主动热控制系统的主要设计任务,如系统方案、工质的选择、回路部件的选型、系统参数的确定、控制算法等;提出了主动热控制系统方案及参数选择应满足适应性要求、安全性要求、可靠性要求以及经济性要求,指出主动热控制系统的设计是一个以系统总体质量最小为目标的约束优化问题,并讨论了优化设计的思路与实现流程。最后基于一个具体的设计案例对设计方法进行了验证。     

载人飞船密封舱漏热问题研究

密封舱漏热是载人飞船热控系统设计中必须考虑的一个关键因素,是影响飞船热平衡和舱内温度的一项重要参数。建立了求解密封舱漏热的热物理模型,分析了各种参数对密封舱漏热的影响。结果表明：（1） 在一定温度范围内,密封舱漏热与舱内空气温度近似呈线性关系;（2） 返回舱漏热高于轨道舱,主要原因是导热热阻的基数偏小;（3） 漏热随外热流增大而减小,返回舱漏热波动较大,调节其热控涂层的α_S和ε_h值将导致返回舱漏热和漏热波动出现相反变化,为同时减小漏热和漏热波动,推荐采用较低α_S和ε_h 值的热控涂层;（4） 返回舱漏热受舱内壁对流换热系数影响较大,特别在2W/(m^2·K)附近。
     

基于机械泵控制的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统仿真分析

文章分析用于空间环境下的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统原理,通过节点网络法建立该热控系统4节点热网络模型;运用数值仿真方法,以机械泵为控制对象,对该系统分别采用PID控制和模糊增量控制方案的热控效果进行对比。结果表明,模糊增量控制与PID控制相比,超调量较小且达到稳态时间短,具有良好的控制鲁棒性。     

某高码率通信终端处理机热设计与仿真分析*

处理机是飞行器高码率通信终端核心电子设备,处理机稳定性与可靠性的高低直接关系到整个终端系统设备的可靠性工作。介绍高码率通信终端处理机热设计的特点与方法,针对不同的功率器件和组件,与结构设计相结合,探索合理的散热途径,特别是许多热耗较大的功率器件的热设计。通过热仿真分析,优化热设计方案,控制每个器件的温升满足设计要求,并进行了热真空、热平衡试验验证。     

一种微波功率放大器的热设计与验证方法

大功率、高热流密度微波功率放大器是环境监测有效载荷中的关键设备,对整星的热设计影响很大.功率放大器的热设计的目的是满足温度需要,从而确保功率放大器的安全可靠工作.文章在完成热设计的基础上,确定热控设计方案,对功率放大器进行了热试验.试验结果表明,热设计可以满足要求.     

重力梯度仪mK级温度稳定度控制设计及验证

针对某卫星有效载荷之重力梯度仪提出的温度稳定度优于±10 mK/200 s的超高指标要求，提出了构建部件级阻容滤波网络、进行系统级隔热强化设计、高精度多级主动测控温设计以及电缆漏热控制的热控方案。热仿真分析和热平衡试验结果表明，梯度仪组件的温度稳定度优于±8 mK/200 s，满足设计指标要求，验证了该热控设计方法的可行性及有效性，可为其他有高精度高稳定度控温需求的航天器部件热控设计提供参考。