临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法

对临近空间飞行器所处空间独特的热环境及其热控过程的特殊性进行 分析讨论。针对临近空间飞行器热设计过程的关键环节、有效载荷的散热方式和散热效果, 进行实例分析及计算比较,结合飞行器内部有效载荷和能源系统的功耗情况与热控要求,提 出一套飞行器的热设计流程,建立相应的临近空间飞行器热设计模型。本文旨在建立临近空 间飞行器的热设计方法,提升临近空间飞行器的热管理水平。
     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

飞行器复杂外结构的环境热流计算方法

提出了一种通用的、适合飞行器复杂外结构环境热流的计算方法。采用由环境映射面组成的封闭结构对空间飞行器进行包覆,根据飞行器的轨道特征及瞬时位置,确定映射面上环境热流的大小及方向。在映射封闭结构与飞行器表面组成的辐射换热系统中,通过蒙特卡罗法结合设备表面的镜、漫反射特性,计算环境映射面到各设备表面的辐射传递因子,进而获得在轨飞行器不同位置的瞬时环境热流。计算中考虑了结构表面间的遮挡及多次反射问题,解决了空间飞行器因设备众多、尺寸差异大、表面辐射特性不同等给热流计算带来的困难,并为后期的热分析计算提供精确数据。
     

某航空相机载荷舱热分析与热设计

航空相机的热控设计需要解决流动与传热的耦合问题。文章提出某航空相机载荷舱在复杂飞行环境中上升、巡航、下降全过程的热分析及热设计方法：确定载荷舱热分析数据流,采用专业热分析软件、流体计算软件计算辐射外热流、气动外热流,以及等效对流换热系数沿壁面分布情况及与马赫数的变化关系。将热环境赋予载荷舱热分析模型,通过热分析软件与自开发程序迭代对载荷舱两个极端工况进行了仿真分析。结果表明,据此设计的光学窗口内表面温度高于露点温度10℃以上,得到的载荷舱热分析结果满足热控指标要求,热设计方案合理可行。     

无载荷舱航空相机的热控设计与试验验证

为保证航空相机在平流层空间热环境下稳定运行,对无载荷舱的航空相机进行热设计和验证.基于20 km海拔高度下相机外部的对流及辐射环境特点,采用一维对称平板测试法确定选取多层隔热组件作为相机蒙皮材料,选取聚氨酯泡沫作为隔热填充材料.对载荷相机进行热控系统设计,并利用有限元软件分析极端工况下相机的温度场分布,最终设计热控总功...     

火星表面大气环境下热球风速仪的对流换热模型及试验验证

火星表面大气环境与一般轨道航天器所处的空间环境存在差异。为了实现极端环境下热模型修正、早期故障筛除、性能测试等目的,一般需要在模拟的低气压有风环境下对火星巡视器进行热试验,试验涉及在1400 Pa左右压力的环境下对0～15 m/s风速进行模拟和测量。文章针对极低气压下的风速测量问题,使用无量纲数分析方法建立恒热流式热球风速传感器表面的换热模型,对其在低气压下的输出、自然对流影响等进行分析,并与低气压下的测试结果进行对比。试验结果显示,在1400 Pa低气压下,热球风速探头表面仍以强制对流换热为主,探头灵敏度约为10.1～0.2 mV/(m·s~(-1)),可以用于极低压力下的风速测量。     

高超声速飞行器热防护结构参数优化及对比分析

高超声速飞行器对结构性能、热防护性能以及结构重量有很高的要求。为了获得最小的结构重量,文章从热防护的角度进行了优化分析:分别选择铝合金和先进复合材料作为蒙皮,在不同的热载荷条件下,对多种热防护结构（TPS）建立一维传热模型,并进行了结构尺寸优化,得到了单位面积TPS的最小重量;分析飞行器再入过程中的温度载荷、再入时间以及蒙皮材料可承受的最高温度对热防护结构最小重量的影响。ANSYS仿真分析结果表明:温度对TPS的单位面积最小重量有显著影响,LI900刚性陶瓷隔热瓦和先进金属蜂窝夹层防热结构有重量优势;采用复合材料蒙皮的TPS可使重量大幅减轻;飞行器再入时间和再入初始温度对刚性陶瓷隔热瓦重量的影响大于对金属盖板式隔热结构。     

星载平板有源SAR天线热设计与验证

合成孔径雷达天线是微波遥感卫星的重要载荷之一,一般具有尺寸大、收发单元多、热耗大、工作模式多等特点。载荷热耗峰值可达7000W,同时为减小热变形对指向精度的影响,设备温度一致性需优于10℃。因此大功率组件散热和温度一致性保持是合成孔径雷达天线热控的主要难题。采用被动和主动相结合的热控手段,合理设计散热通道,解决设备的散热难题;采用等温化设计,布置热管网络,降低设备间温差;采用新型智能随动控温方法,解决不同工作模式切换、空间外热流变化、辐射耦合带来的温度梯度保持难题。采用Thermal Desktop软件对天线进行了热仿真分析,并进行了热平衡试验。分析、试验结果和在轨测试结果表明温度和温差均满足要求。该设计方法可为大功率有源合成孔径雷达天线热设计提供借鉴。     

临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究

综合考虑太阳辐射、长波辐射、对流换热等热环境因素对临近空间飞艇热特性的影响,建立飞艇热特性的数学模型,编写程序并计算得到蒙皮表面温度分布。以此作为热边界条件,采用Fluent软件模拟其内部自然对流的流动状态和温度分布,对不同季节不同时刻飞艇内部自然对流换热系数进行了计算分析,并对四个自然对流经验公式进行了评价分析。结果表明,Eckert-Jackson和Bayley公式更适用于计算浮空器内部自然对流换热,与数值模拟结果相比,平均绝对误差（MAD）分别为22.6%和24.1%。     

空间大功率热排放系统设计

根据空间大功率热排放系统的要求,参考美国航天局提出的双翼热管式辐射散热器,提出了在结构上改进的热管式辐射散热器.总体设计为四翼对称式辐射散热器,四翼均为相同独立工作.散热器由主回路管道、泡沫碳换热器、热管和散热板四部分组成,主回路管道选取钠钾合金为工质,换热管选取水为流体工质.系统废热通过钠钾合金冷却回路传递到泡沫碳换热器,泡沫碳换热器再传递给水热管辐射板,通过辐射换热释放到太空.对热管散热器进行了结构设计以及初步热设计,为大功率深空探测器热排放系统提供了最优的设计结构及参数.