基于相变传热技术的空间瞬时大热耗载荷级联散热设计

针对空间千瓦级瞬时大热耗载荷的散热问题,提出了一种"平板蒸汽腔(Vapor Chamber,VC)+相变装置(Phase Changed Material,PCM)+环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)"的一体化通用级联散热设计方法。以被动控温为主,采用当量导热系数大于2000W/(m·K)的VC强化传热,进而通过3D打印的导热蜂窝结构PCM强化热量的储存和释放。以某瞬时热耗达3000W的空间载荷为例进行散热设计,通过热分析和热试验验证,结果表明:热源45s和60s工作时间内最大温升分别为12.5℃和19.6℃,温度控制在10～40℃的范围内;修正后的热分析模型与热试验结果对比,绝对误差为1℃左右,相对误差为4.85%。验证了设计方法的正确性,可为同类空间千瓦级瞬时大热耗载荷的热设计提供参考。     

高分辨率三线阵相机精密热控设计及试验

以某遥感卫星三线阵立体测绘相机组合体为研究对象,通过对卫星顶部构架、相机支架以及相机进行一体化同步控温设计,并在国内首次采用“隔热/导热复合多层材料组件”结合精密控温回路设计、高精度控温仪等技术手段,满足了相机精密热控指标要求。在热平衡试验中,通过组合体不同状态的试验工况设置,验证了透镜最大径向温差<0.2℃、轨道周期内径向温差的稳定度<0.1℃的设计结果。     

航天器高稳定结构热变形分析与试验验证方法研究

航天器高稳定结构研制须探讨微米级结构热变形仿真分析与试验验证工作,以满足空间环境交变温度载荷下结构微变形要求。根据机热一体化设计的特点,提出机热一体化分析方法进行机、热载荷交互,机、热温度场交互过程由手动赋值的几天时间缩短至几分钟,且映射误差小于1℃。基于数字图像相关测量技术,采用高稳定结构微米级变形的非接触式测试方法进行试验验证。结果显示,文章中的高稳定结构在轨热变形为2~30μm。文章提出的分析与试验验证方法,可为航天器高稳定结构设计及验证提供参考。     

星载微波探测仪探测头部热设计及验证

星载微波探测仪采用主被动一体化探测方法,以提高探测精度和空间分辨率,是土壤水探测卫星的主载荷,探测仪的探测头部主要由主动单机和被动单机等组成,其中主动单机中的发送/接收(T/R)组件数量多、功耗大、阵面布局长达7 m,被动单机中的接收机对温度波动敏感,同时探测头部构型复杂且各散热面外热流环境恶劣。针对探测头部热控难点及要求,开展了包括轨道外热流分析、散热面和传热路径的设计、热管网络布局,关键单机的精细化控温等工作,并结合热平衡试验结果对热设计方案进行了有效验证。仿真及试验结果表明:探测头部的温度水平、关键单机的温度梯度及每轨温度波动均满足要求,其中T/R组件温度梯度控制在≤12℃,被动接收机温度波动控制在±1℃/轨。该设计解决了大功耗T/R组件短时开机导致单机之间温差大、瞬时温升速率快,接收机温度波动大等技术难点,突破了高功率密度T/R组件全阵面热设计关键技术和被动接收机的高稳定度控温关键技术,实现了探测头部在轨全周期高精度、高稳定度热控,可为星载微波探测仪类载荷的热设计提供借鉴。     

一种高性能柔性导热带设计

为了实现大功率活动焦面组件与散热器的高效热耦合及焦面组件与散热器的结构解耦,设计一种由主体段柔性带和刚性端子组成的高性能柔性导热带。主体段柔性导热带通过创新的回型双向传热路径方法完成高导热性及低刚度设计。刚性端子采用轻量化设计,使其具有轻质量及高效接触传热性能。柔性导热带能实现轻质量、高导热性、低刚度和良好的隔振效果。对柔性导热带的导热、隔振和刚度等性能进行测试,并将其应用到卫星的焦面电箱组件。结果表明:柔性导热带的质量较小(300g),导热性能为0.53W/℃,刚度小于15N/m,可满足活动焦面组件散热设计的高导热、低刚度等性能要求。     

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。     

微小卫星高分辨率相机CCD焦面组件热控制

为了保证微小卫星高分辨率遥感器相机的成像品质，需控制焦面组件的温度水平及温度稳定性，特别是焦面CCD光学探测器件的温度控制。首先提出以相变储能与超低刚度柔性导热索相结合的焦面组件精密热控方法，对相变储能装置与石墨柔性导热索的设计及参数选取进行详细介绍；然后，建立焦面组件的热仿真模型并进行温度计算；最后，在真空环境下进行了热试验。计算与试验结果表明，焦面CCD器件长期温度为15～18.5℃，工作温升速率为0.33℃/min，具有良好的温度水平与温度稳定性；热控补偿功率≤4.8 W，约为焦面组件发热功率的1/10，可节省卫星能源消耗，验证了焦面组件热控制方法的正确性。     

液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究

基于ANSYS数值计算软件,建立了液体火箭发动机涡轮泵用机械密封的二维稳态传热模型,依靠经验公式确定了模型的对流换热系数。计算了密封环的温度场和热载变形,分析了密封端面比压、回流流量以及不同材质对密封温度场的影响规律。结果表明:密封端面最高温度发生在靠近密封环内径处,且密封端面比压越大密封环温度梯度越大;密封环热载变形呈收敛间隙,最大变形发生在动环端面的外径处,其值约为2.2μm;密封环端面最高温度随回流流量增加而减小,当回流流量从0.1~0.6 kg/s变化时,密封环端面最高温度可降低18%(从100℃降至82℃);当回流流量增大到0.3 kg/s时,继续提高对密封环端面温升的控制不再显著;采用高导热系数的摩擦副材料能够显著降低端面温升和温度梯度,提高密封工作可靠性。     

高轨星载GNSS天线与平台结构一体化热耦合设计方法

为解决星外天线在轨较大温差所产生的热变形过大,以及热控为减小温差所产生的整星资源消耗等一系列问题,提出了一种高轨卫星星载全球导航卫星系统(GNSS)天线热设计方法。通过将天线"镶嵌"在卫星对地板里,使天线与整星机热一体化耦合,利用整星内部的辐射热环境减小天线高低温差,降低主动控温加热器占空比,从而为整星节省能源消耗。通过热仿真分析验证,与传统的隔热设计对比,寿命末期冬至最高温降低6.7℃,加热器占空比减小35.8%,每个轨道周期能源消耗减小928 kJ。通过在轨验证,该方法可供同类高轨卫星天线热设计借鉴。     

卫星高精度载荷安装平台热变形隔离技术研究

针对我国高分辨率卫星对结构在轨变形的控制要求,提出了一种基于柔性连接的卫星高精度载荷安装平台热变形隔离控制方法,从理论上对该方法进行了分析,并以型号应用为背景进行了验证方案设计及试验验证。验证结果表明,在同样的加载条件下,柔性连接载荷安装基板变形相对刚性连接降低了近1个数量级,表明通过对卫星平台与有效载荷安装基板之间连接结构刚度的柔性设计,能够有效避免卫星平台结构的热变形作用于有效载荷安装基板,使得高精度载荷安装基板不致产生明显的翘曲变形,从而保证安装基板上各敏感载荷的在轨指向相对变化满足指标要求。     

航天器多功能结构传热特性的实验研究

针对航天器结构高性能、轻质化和集成化的发展要求,设计了集电路控制,热管理功能和结构承载功能于一体的多功能结构。此种结构分别采用柔性电路板控制热仿真多芯片模块,作为多功能结构的热源;碳碳材料作为热倍增器;复合材料蒙皮和金属泡沫芯子的夹层结构作为承载结构,实现了结构和功能的集成。同时,为了研究多功能结构的传热特性,进行了热真空实验,实验测量了热流密度和温度梯度。结果表明这种新型的结构可以消散飞行器多芯片模块产生的热量,碳碳热倍增提供了一种减小温度梯度的新方法,同时这种多功能结构减少了结构的体积,降低了结构的质量。     

气动热作用下的充气式减速器性能研究

为了解高超声速再入时气动热载荷对充气式减速器柔性结构的影响,文章基于松散耦合方法开展了极端热载荷工况下的耦合数值研究。文章首先建立了流固耦合和热固耦合两种模型,分别对比研究了气动力和气动热两种气动载荷对蒙皮结构的影响。结果表明,气动热对结构的影响远大于气动力,在高超声速再入时应重点考虑。之后研究了气动热载荷下充气式减速器防热层各功能层温度分布,结果表明,绝热层隔热效果最为显著,绝热层导热系数增大一倍,内部最高温度升高21.7%,热变形最大值升高10.7%。上述成果为充气式减速器的设计提供了一定的理论依据。     

空间实验室490 N发动机热控设计

采用新型片式加热器实现对490 N发动机头部加热方法的改进,利用I-DEAS/TMG有限元热分析软件仿真了发动机头部温度场。分析了热控组件及发动机支架的耐温能力,提出了飞控过程中490 N发动机关机的温度判据。阐述了控温回路及其控温点设计,并介绍了控温策略。最后给出了在轨飞行试验的温度控制数据,验证了热控设计的有效性。     

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...     

某空间光谱成像仪热管理初析

某空间光谱成像仪光谱范围覆盖可见光、中短波红外、长波红外等多个谱段,配置多台视频处理器和脉冲管制冷机,在狭小空间内形成了复杂的内热源分布。由于上述内热源总热耗高达数百瓦,而制冷机更有低于10℃的控温要求,导致成像仪散热面面积需求很大,同时也造成成像仪功耗资源紧张。文章基于热管理理念,对成像仪内热源进行热设计,使排散废热和控温所用能量最大程度减小,在控制散热面面积的同时节省主动控温功耗,较为圆满地解决了成像仪内热源热设计难题。     

喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

大型空间结构热致动态响应研究综述

大型柔性空间结构在轨运行进出地球阴影区时,受突变热流的影响,结构内部会产生时变温度梯度,从而产生不均匀的热应变以及热应力,引发结构的热致结构响应,最终影响航天器的正常工作。本文首先对空间轨道热载荷进行了简要分析,随后以Boley 系数为牵引与基础,综述了当今国内外热致动态响应以及热颤振准则的研究进展,最后对热致动态响应的未来研究趋势进行了展望。     

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

高分多模卫星高分相机优化设计

针对敏捷卫星机动过程中,卫星平台的姿态实时变化及平台微振动对高分辨率相机成像质量的影响,文章提出了适用于敏捷遥感卫星高分相机的3项优化设计技术:一是通过相机与星敏感器一体化设计提高相机的光轴指向精度;二是增加柔性适配装置设计,减少卫星微振动及载荷适配结构的热变形到相机的传递;三是提出了积分时间同速/异速设置及插值/不插值设置策略。经高分多模卫星高分相机在轨多模式成像的验证,结果表明:提出的优化设计技术可以减小或消除卫星敏捷成像机动过程中卫星的微振动及姿态指向精度及积分时间设置精度对高分辨率相机像质的影响,能适应敏捷卫星成像,并获得高质量图像,可为后续敏捷卫星的高分辨率相机设计提供参考。     

星敏感器光学系统的热/结构/光分析

星敏感器是高精度的航天器姿态测量器件,其性能受太空温度环境的影响。运用有限元法和光线追迹法,建立星敏感器光学系统的热/结构/光分析模型,研究光学系统温度分布与星敏感器测量误差的关系,得到了算例光学系统在温度均匀分布条件下的温度变化以及轴向温度梯度变化、侧向温度梯度变化与星敏感器测量误差的关系曲线;给出了算例光学系统热误差小于角秒量级的温度条件:均匀温度分布条件下温度变化量≤10℃、轴向温度梯度≤0.1310℃/mm、侧向温度梯度≤0.0325℃/mm,为高精度星敏感器光学系统热控制提供科学的依据。