航天器热控材料的应用和发展

介绍了航天器热控系统对材料的要求以及应用的情况，并根据航天器总体和热控技术的需求，对热控材料的发展提出初步的建议。     

基于铜蓄热的Ka频段相控阵天线热控技术研究

针对搭载于长征七号上面级的Ka频段相控阵天线尺寸小、热功耗大、工作模式不确定,需热控系统兼具天线工作期间的散热和长时间不工作期间的保温,需要采用相变材料或高热容材料进行蓄热的问题,考虑该上面级对重量相对不敏感但对经济性敏感的特点,通过对比铜和相变材料、电加热和增加热控开机,设计了一种"铜蓄热+新增热控开机"的热控方案。开展了全箭热分析计算和相控阵天线热平衡试验,验证了方案的正确性,飞行遥测数据证实了数值计算和试验的有效性。     

中国航天器新型热控系统构建进展评述

热控是由工程热物理与航天技术相互促进发展而形成的一门交叉学科,直接影响着航天器的总体设计水平。随着中国航天事业的飞速发展,对热控设计提出了越来越高的要求,并已成为制约中国航天器设计水平的关键瓶颈技术之一。本文综合评述了中国航天器新型热控系统构建的最新研究成果和进展,具体包括：针对载人航天、探月工程等不同任务需求,构建出了相应的新型热控系统,开发出了以泵驱单相流体回路、重力驱动两相流体回路、环路热管与水升华器等为代表的一批新型热控产品。在此基础上,结合中国航天工程实际需求,指出了今后的主要研究方向。     

微重力下复合相变材料的热控性能数值仿真

针对航天器电子设备的热控问题,选择石蜡作为相变材料,以Al_2O_3粉末作为导热增强剂,基于焓-多孔模型与相变储能结构的被动热控技术,通过数值仿真求解了不同组分下复合相变材料的熔化过程,得到了温度分布、固液界面等数据,分析了热控效果,同时还分析了重力与微重力对熔化过程的影响。结果显示,在重力条件下,可将加热面温度控制在50～58℃,而掺混Al_2O_3粉末在增强导热系数的同时抑制了自然对流,整体传热效率降低,因此不同Al_2O_3质量分数下的复合相变材料2%的热控效果优于5%;在微重力条件下,因为没有自然对流的影响,随着Al_2O_3的增加,熔化效率提高,Al_2O_3质量分数为5%的复合相变材料相比于2%的质量分数具有更佳的热控效果。     

载人航天器热控应用材料

载人航天要求绝对保证航天员的身体健康和生命安全,并使其能舒适地生活和高效地工作。本文从安全性和可靠性两方面论述了载人航天飞行对所用热控材料的基本要求,并简要介绍了载人航天器应用的热控材料(包括涂层、隔热材料、导热填充料、相变材料、毛细多孔材料、热管、电热材料以及热双金属材料、热电致冷材料等)。     

航天领域蒸汽压缩热泵技术研究进展

蒸汽压缩热泵是未来大型航天器热控系统和制冷设备的新方案。介绍了国际上的研究情况,阐明了此技术的优越性和可行性。分析了航天用蒸汽压缩热泵的关键技术,包括微重力相变换热器及其研究方法、无润滑高转速压缩机等。在此基础上给出了中国开展航天领域蒸汽压缩热泵的研究方案。     

热致变色涂层技术研究进展

热致变色涂层技术是航天器热控分系统的一项重要技术,对于未来航天器执行多任务、适应空间复杂多变的热环境具有重要意义。文中分析了航天器热控对热致变色涂层技术的需求,介绍了热致变色涂层的技术原理和国内外研究情况。在此基础上,总结了热致变色涂层技术的发展规律及趋势,并对我国热致变色涂层技术的后续发展提出了建议。     

发射率可调型智能热控涂层的发展现状

介绍了用于航天器热防护的电致变色和热致相变2种智能热控涂层的基本原理、制备方法及目前的研究现状，对我国智能热控涂层的发展进行了展望。     

航天器人控交会对接系统工效学要求与评价技术研究及实践

从人-系统整合的角度分析提出了工效学要求指标体系,通过试验研究确定了工效学要求,基于小样本理论和可靠性试验方法建立了复杂人控回路工效学评价方法。对人控交会对接系统工程设计开展了系统级评价试验,重点评估了航天器显控系统与人的能力匹配性;结合神舟八号与天空一号自动对接过程中下传的电视图像分析确定了人控交会对接适宜的光照环境;通过神舟九号和神舟十号载人航天飞行任务中人控交会对接试验,验证了工效学要求的合理性和工效学评价结果的正确性。最后提出了我国空间站任务阶段航天器人控交会对接系统工效学研究的重点。     

空间推力器用铠装热控器件技术研究发展述评

空间推力器是调整航天器运行轨道和姿态的推进系统中的关键部件,为保证推力器启动温度和可靠运行,必须采用专门的热控设施。本文介绍了各类空间推力器的不同热控需求,重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件关键技术以及种类、性能和应用,总结了铠装热控器件的考核试验及判定指标,并提出了铠装热控器件技术的发展方向。     

振动环境对相变组件热控性能影响的实验

为了研究振动环境对相变组件热控性能的影响,制备了基于纯硬脂酸和硬脂酸/泡沫铜复合相变材料的两种相变热控实验件,并进行了静止和振动环境中的热控实验。实验结果表明:泡沫铜的存在能够有效地强化相变组件的热控性能,在5000W/m2时,添加泡沫铜后平衡温度降低了19℃,有效热控时间延长了19.4%;在振动环境下,纯硬脂酸实验件的平衡温度降低了9.5℃,有效热控时间延长了13.2%;硬脂酸/泡沫铜实验件的有效热控时间延长了10.5%,振动带来的强迫对流能够有效强化相变组件的热控性能;并且相对于振动频率,振幅变化对影响结果的扰动较小,在一定的频率范围内,振动的影响随着频率的增加而变大。该研究可以为机载电子设备相变热控技术的应用提供参考。      

相变材料热控系统内部接触热阻的辨识方法研究

在相变材料热控系统的吸热融化过程中,由于材料与容器壁面之间的空穴效应形成的接触热阻,将对熔化传热形成阻尼效应。采用反演热传导反问题的方法,将参数辨识中的灵敏度法和共轭梯度法应用到实验,建立了一种可用于材料熔化过程界面稳态和瞬态接触热阻的辨识方法。模拟辨识与初步应用表明：辨识方法计算精度高、稳定性好,为精细化分析相变材料热控系统中的熔化吸热过程奠定基础。     

相变热图试验技术研究与应用

相变热图试验技术是通过在飞行器表面喷涂具有一定相变温度的相变涂料来进行大面积热测绘的风洞试验技术，在FL-31高超声速风洞中，采用半球-圆柱体绝热模型进行试验的结果表明，相变热图试验技术的假设成立，测量可靠，特别是与之相配套的相变热图图谱分析软件系统的开发，使测热试验更加可视化和自动化。     

高超声速飞机电子设备舱热模型构建与仿真计算

高超声速飞机电子设备舱的温度场分析需要考虑外部气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热,这三者之间相互影响,热耦合性强。目前对飞机电子设备舱的热分析研究尚没有针对这种热耦合的有效解耦算法。文中针对隔热型热防护系统和以液氮为热沉的相变热控系统为研究对象,建立了电子设备舱隔热层、电子设备、舱内温度场、液氮相变等热力学模型,实现热的解耦计算。完成了高超声速飞机电子设备舱温度计算,并开展了数值模拟方法与该方法的对比分析,表明该方法有效解决了气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热三者间的热耦合计算问题,而且计算速度快、计算精度较高,可以满足概念设计阶段需要。     

基于蜡式自驱动温控阀的在轨卫星热控方法分析

为了提高航天器热控系统的控温适应能力,介绍了一种基于蜡式自驱动温控阀的卫星单相流体回路热控方法,提出了蜡式自驱动温控阀控温和机械泵、蜡式自驱动温控阀联合控温两种控制策略.利用集总参数法建立蜡式自驱动温控阀、热源载荷以及辐射器等部件的数学模型,运用数值仿真方法计算了某卫星在轨飞行中外热流周期性扰动和电气设备热耗阶跃扰动下该热控系统的温度动态特性,分析了两种控制策略的控温效果.结果表明:机械泵、蜡式自驱动温控阀联合控温既能利用蜡式自驱动温控阀的优势,达到系统的可靠性要求以及减少能源消耗,又能够克服蜡式自驱动温控阀的温度限制以及稳态误差等不足,实现回路系统的精确控温.      

嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线设计及实现

针对嫦娥五号着陆上升组合体月面无人自动采样任务中面临的热控难题,提出一种轻量化泵驱单相流体回路热总线及设计方法,通过热总线将结构板式固定辐射散热面、消耗型散热装置高温水升华器构建为一套组合式热沉,实现了探测器组合体能量的一体化调度管理与在轨分离重构,热总线系统干重15 kg,占热控系统重量的比例在20%以下。在轨飞行结果表明：轻量化泵驱单相流体回路热总线工作正常,管路沿程温差小于7℃,热排散能力达30 W/kg。上升器月面起飞前热总线分离重构过程中工质排放压力变化曲线与地面实验结果一致。流体回路热总线在轨各项性能指标均符合设计预期,验证了轻量化泵驱单相流体回路热总线技术的合理性与可行性,亦可为其他类型航天器热控设计提供参考。     

空间环境分子污染对航天器的影响

空间环境分子污染对航天器的影响,是目前高可靠性、长寿命航天器在设计时非常重要的问题之一。通过对国外航天器在轨飞行过程中所发生的分子污染现象的总结,从分子污染的来源、形成过程、与原子氧和紫外辐射等其他空间环境因素间的反应、对航天器敏感表面特性的影响等方面,对分子污染效应做了详细的介绍。并指出,材料的真空放气产物和原子氧剥蚀产物在航天器表面的沉积,是分子污染的主要来源。而在原子氧和紫外辐射的作用下,污染层会发生氧化、固结、暗化等现象,使其外观和成分发生了不同程度的变化,从而对航天器敏感表面的光、电、热控等性能带来了很大程度的影响。     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.     

民用飞机环境控制系统研究

研究了大型民用客机所采用的环控系统,描述了环控系统的组成、工作原理和技术参数等。对目前环控技术进行了展望,详细介绍了多电环控系统,分析了多电环控系统为当代民用客带来的影响。为未来民用飞机环控系统设计指出了一条发展方向,可以作为未来环控系统设计的参考。     

航天器非火工连接分离技术研究综述

针对工程上对低冲击非火工连接分离技术的需求,以载人航天及未来深空探测任务需求为牵引,梳理了国内外航天器非火工连接分离技术的研究进展,从电磁作动、形状记忆合金、热致动等分类角度,分别对其技术实现途径、作动机理、性能指标、参数情况等进行了评述。对国内外研究差距进行了对比分析,总结了我国航天器非火工连接分离技术领域亟需攻关的关键技术,包括航天器大承载连接分离的系统方案设计、分离解锁冲击载荷的减缓与防护技术、连接与分离过程动力学建模与仿真技术和非火工连接分离装置地面试验验证技术等。