用气氮调温系统实现火星表面昼夜温度模拟

为了实现修正火星探测器热模型,验证探测器在火星昼夜极端温度环境下的工作性能,需要在地面实现对火星温度变化的模拟。文章提出了通过气氮调温系统进行火星表面瞬态热环境模拟和温度控制的方法,目前已经实现150 Pa和1400 Pa低气压下-105～5℃的气体温度瞬态模拟,试验过程中与目标温度的最大温差不超过10℃,而且多个周期的重复性良好。     

火星车有风热平衡试验环境模拟技术

为了保证火星车在火星表面能够正常工作,需要在地面模拟火星表面的有风热环境,包括风速、风向、气体温度、气体成分和压力等,完成火星车在火星表面有风热环境下的热平衡试验。针对火星表面有风热环境特点,开展低压风速模拟、低压风速测量、压力控制、温度控制等研究,利用现有的KM3E真空容器,在其内部增加特殊设计的风扇、导流装置、压力控制系统、气体温度控制系统、火星车姿态调整系统等,使KM3E具备火星表面有风热环境模拟条件。该模拟技术成功应用于火星车有风热平衡试验,充分验证了火星车热控系统设计,为火星车热分析模型提供了重要参考。     

火星车低气压无风热环境模拟试验技术

为模拟火星车工作时所处大温差、低气压环境,文章以自主研制的调温热沉系统和压力控制系统为依托,实现试验容器热沉系统温度在-135~27℃间任意快速调节,均匀性优于±5℃;试验容器内气体压力控制值与目标压力值之差在±10 Pa之内。在国内首次完成无风环境下的火星车温控模拟舱验证试验,为火星车热分析模型修正以及后续火星车有风热环境试验提供了参考。     

低气压温控设备的舱内环境温度影响因素分析

低气压温控设备用于模拟临近空间低气压和高低温环境,低气压环境的温度场控制是低气压温控设备的关键指标,也是设计难点。文章首先通过Fluent软件对无风扇扰动的低气压舱中的环境温度进行数值仿真,研究热沉开孔对舱内环境温度的影响;在低气压舱模型中增加风扇模型,分析强制换热对低气压舱内环境温度的影响。通过在低气压温控设备中进行的无强制对流的温度控制试验,研究此时空间温度的降温速率、试验舱压力和舱内试件工装对舱内环境温度的影响。数值计算和试验研究结果表明,热沉开孔、扰动风扇、试验舱压力和试件工装均对低气压舱内环境温度有影响,在低气压温控设备的研制中,需综合考虑上述因素。     

不同压力条件下水平平板的表面换热实验研究

为了解不同压力下水平平板的气体对流换热变化情况,搭建了一个提供不同气压和环境温度的实验舱,开展了在不同压力(0.1 Pa、0.1 k Pa、0.2 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和常压)与几种加热量(75、150、300 W/m~2)组合条件下的水平平板换热实验研究。通过对辐射换热和自然对流换热的比较,得到不同压力下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在环境气体压力小于1 k Pa时非常小,而在1 k Pa以上时才较大;在大于1 k Pa时,对流换热系数随压力的升高呈二次方增加。     

面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型及试验验证

基于火星表面土壤温度的昼夜周期性变化特性,建立了一种面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型,可根据表层不同深度的热电偶测温数据计算被测区域的热惯量,实现表面巡视探测过程中的热惯量在线反演。为验证模型正确性,在地面建立了火星表面热特性试验测试系统,通过对比被测模拟火星土壤的热惯量实际值与模型计算值,验证热惯量反演模型的精度。结果表明,与试验模拟火星土壤的热惯量数值相比,该模型对热惯量的反演误差小于6%,为在线反演火星表面不同土壤地形的热惯量,辅助识别地形可通过性提供了一种可行方法。     

火星探测器热环境模拟与试验技术探讨

为保证火星探测器的可靠运行,需要对其进行真空热试验和火星表面热环境模拟试验。文章通过对国外火星探测器热试验的调研,梳理出热试验所涉及的关键技术。并通过对行星际空间热环境和火星表面热环境特点的分析,结合国外相关热环境模拟设备的研制使用情况,探讨不同热环境的地面模拟方法,可为我国火星探测器热环境试验设备的研制及开展相关热试验提供技术参考。     

高温燃气流超声速风洞扩压器热防护设计

为实现高热流环境下高温燃气流超声速风洞系统的重复使用,采用数值方法对扩压器热环境进行了分析,采用沸腾换热方法对扩压器进行了热防护设计,并通过试验验证了沸腾换热理论应用的可行性。结果表明,沸腾换热在水流速2m/s的情况下可实现热流2MW/m 2的热防护,应用沸腾换热可以有效降低设计难度,在较低的速度和压力损失下达到更好的换热效果。     

航天器密封舱流动和传热的数值研究

在有强迫流动的航天器密封舱内，与固壁存在热交换的三维气体流动使得舱内传热相当复杂。本文用数值分析模拟航天器在轨状态下的流动和传热。结果表明，辐射和流动在密封舱热分析中都不可忽略。对多种风速的计算结果表明，平均对流换热系数与风扇布局基本无关而仅与平均风速有关，最后由计算结果得出了平均对流换热系数和平均风速的经验关系式。     

重力对载人航天器密封舱内空气对流换热影响的数值分析

地面重力环境中进行航天器密封舱内空气通风换热试验时,由于自然对流的存在导致换热量和温度分布与空间微重力环境中的情况存在偏差。文章针对航天器密封舱,建立了舱内空气对流换热的数值模型,利用数值模拟软件对有无重力时典型工况下的对流换热进行了数值模拟及模拟结果的对比分析。分析表明重力对壁面换热量的影响较大,而对空气温度及分布的影响较小;且重力的影响随空气与壁面温差的增大而增大,随通风流量的增大而减小,舱间通风也会减小重力的影响。因此在重力环境中进行试验时需要对壁面换热量进行修正。     

小尺寸高温透波盖板双温区边界隔热性能试验研究

针对小尺寸高温透波盖板迎风面和上表面需同时满足不同热环境的要求,研究使用一组红外辐射加热试验设备,同时进行双温区边界条件下的非线性气动加热环境等效模拟试验。在辐射换热条件下,考虑试件结构导热及周围介质换热影响,采用数值模拟方法对试验方案进行可行性分析。参照计算结果,使用石英灯高温辐射加热设备,对试件进行隔热性能考核试验,完成了双温区边界条件下的热环境加载试验。试验数据与数值模拟结果吻合度较好,验证了数值模拟方法的可信性和有效性。     

稳压CO2气体氛围火星环境模拟试验系统设计

火星表面低压和低温的大气条件意味着传统的热真空试验设备不能满足火星探测任务型号的地面模拟试验需求。为此,设计研制了以CO_2为气体氛围的火星环境模拟系统。采用气氮调温解决了罐体结露的问题,并采用移动压力控制系统保持在试验温度范围内CO_2气体状态和压力稳定。该系统已成功用于多个火星探测器型号部件产品的地面模拟试验,为火星探测任务开展提供了支持。     

PWS软件应用于探月着陆器羽流效应 数值模拟研究

文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件,其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对独立性,使用“与”、“或”逻辑法则的二级构造法来实现边界条件的通用性。软件的计算值与国外CUBRC实验测量值符合得很好。使用PWS软件对着陆器主发动机羽流进行数值模拟计算表明着陆缓冲机构所受的羽流气动压强最大达到2.4 Pa;缓冲机构底盘侧面的对流换热热流密度最大达到2 000 W/m2;当缓冲机构壁面温度从300 K增加到500 K时,其表面对流换热流密度值有所下降,其最大下降值不到5%。     

密封舱流动换热的地面降压模拟研究

地面降压模拟技术是研究裁人航天器舱内流动换热的有效手段,该技术的关键在于选取一个合适的舱内压力,使得地面条件下自然对流的影响得以消除。对应着某一个舱内压力,自然对流对流动换热的影响刚好得以消除,该舱内压力可定义为临界压力。文章利用数值模拟软件I—DEAS,针对处在独立飞行状态下的某一载人航天器,选取不同的舱内压力,分别对空间条件和地面条件下密封舱内的流动换热进行稳态数值模拟,得到了舱内温度分布和对流换热系数。在不同舱内压力下,通过比较空间条件和地面条件的计算结果,分析地面条件下自然对流对流动换热的影响是否得以消除。根据分析结果,给出了该载人航天器在使用地面降压模拟技术中的临界压力。     

高超声速绕钝舵层流干扰流场特性研究

研究高超声速层流状态下的钝舵与平板干扰流场特性.通过实验模拟与数值模拟描述了干扰流场的主要特征.模型由平板与钝舵组成,舵后掠角可变.实验在高超声速炮风洞内完成,来流马赫数为7.97,单位雷诺数为5.06～5.89×106(1/m).通过纹影照像、模型表面压力测量来进行流场结构分析和分布规律研究.数值模拟结果不仅与实验结果进行了比较,还提供了空间流场的细节.研究结果说明了层流状态下干扰流场流动特性及后掠角对流场特性的影响,随着舵前缘后掠角减小,干扰流场尺度、压力峰值载荷增大.     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境，阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性；并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述，指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑，CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

中国新一代载人飞船返回舱热控设计优化研究

文章针对新一代载人飞船返回舱再入过程气动热环境和返回舱传热特性,建立了气动热环境下返回舱动态耦合传热集总参数模型,能够描述返回舱防热层内侧蜂窝板、舱体、设备和舱内空气间的导热、对流及辐射动态耦合换热过程。文章应用该模型对典型新一代载人飞船返回舱气动热环境下的传热特性进行了分析,提出了防热烧蚀层内侧铝蜂窝板表面包覆多层隔热材料、增强舱外设备与返回舱壁热耦合、降低设备表面红外发射率等返回舱热控优化设计措施。热控优化措施应用于中国新一代载人飞船试验船,并通过首次在轨飞行验证,在近第二宇宙速度返回气动热环境下,返回舱结构、空气、设备等各项温度指标均满足指标要求,验证了返回舱热控设计的合理性。研究结果可为返回式航天器热控系统设计提供参考。     

目标飞行器舱内流场设计验证与评价

目标飞行器密封舱内流场设计是实现舱内温湿度控制、污染物扩散的基本途径,是保证长期在轨驻留航天员热舒适性的重要手段。文章分析确定了目标飞行器流场设计地面验证的等温化试验准则,通过保证流场温差不大于1 ℃,降低地面自然对流的影响,使微重力环境下工作的流场设计在地面环境得到有效验证。结果表明,航天员活动区88.3%区域风速在0.08～0.5 m/s之间,睡眠区风速均在0.08～0.2 m/s之间,均满足指标要求。目标飞行器流场最佳风速范围（0.076～0.203 m/s）所占比例为82.8%,优于国际空间站各舱段最佳风速范围所占比例。     

火星稀薄大气环境下的四旋翼无人机动力系统初步研究

火星的低气压环境为飞机可能应用于火星探测创造了条件。四旋翼飞机具有结构简单、可靠性高、可空中悬停、可重复起降等众多优势,成为火星探测应用的研究方向之一。文章针对火星四旋翼无人机关键的动力系统,用二维CFD仿真软件建立了螺旋桨模型,仿真分析了桨叶倾角、转速和半径等因素对桨叶升力的影响,并进行了螺旋桨初步方案设计。针对方案还开展了稀薄大气环境下的试验,测试了螺旋桨的升力,获得了与仿真分析一致的结果。文章研究可为火星四旋翼无人机动力系统进一步细化设计提供参考。