气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究

由外部高温合金壳板及内部多层隔热结构组成的金属热防护系统被认为将在未来重复使用运载器上大面积采用。分析了多层隔热结构内导热与辐射的复合换热问题。采用二热流近似方法分析了纤维席内的辐射热流。分析了多孔介质纤维席内气体、固体有效导热系数。并应用有限差分法建立了多层隔热结构瞬态传热数值分析模型。反射屏层数、发射率及纤维席厚度、密度是多层隔热结构重要的设计参数。详细的分析了这些参数对多层隔热结构隔热性能的影响，总结了提高多层隔热结构隔热性能的方法。     

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。     

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。
     

具有复杂围护结构光学窗口的传热特性分析

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。     

封闭腔内复杂条件对辐射传递系数影响的数学模型与数值模拟

文章基于蒙特卡罗-射线踪迹方法,建立某航天器部件封闭腔内表面间辐射传递系数的数学模型,数值模拟求解理想表面间的辐射传递系数-角系数和在不同表面反射率和镜漫反射比例系数条件下的辐射传递系数,分析表面反射特性和空间几何条件对其影响.计算结果表明:辐射传递系数的计算方法和结果是可靠的,各表面之间的辐射传递完全符合能量守恒定律;辐射传递系数能够考虑表面之间的空间几何位置、多次反射和辐射界面特性等综合影响因素,真实地反映了理想和非理想表面间的辐射能量传递.     

卫星系统热特性分析

考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响,建立卫星温度场计算模型,在采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)法求解卫星复杂辐射边界条件的基础上,利用有限容积法对卫星在轨飞行阶段的瞬态温度场进行数值模拟,计算得到卫星瞬态温度场,并考虑其表面自身辐射及空间轨道外热流等因素,建立卫星红外辐射通量计算模型,计算得到不同时刻、不同热载荷情况下的卫星红外辐射通量分布,并简要分析了在轨卫星热控涂层衰减所带来的表面太阳吸收比的变化对卫星温度场的影响。     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

月球坑的温度分布与瞬态热响应特性研究

建立了球状月坑表面热辐射与月壤内一维非稳态导热的耦合传热模型,采用蒙特卡罗法结合控制容积法数值研究了月坑的温度分布与瞬态响应特性。考察了月坑表面与平面月表的热响应差别以及月坑形状因子、月坑所处纬度对月坑表面温度分布的影响。研究结果表明,月坑表面与平面月表的热响应有明显差别,月昼期间坑内的最高温度总是高于同时刻、同纬度的平面月表温度;低纬度、深度较大的月坑内温度分布存在很大的瞬态不均匀性。     

蜂窝夹层结构抛物面天线型面精度仿真分析

星载抛物面天线在绕地球工作时会产生较大的热变形。为了获得在近地服役环境下全尺寸反射器型面精度模拟的工程方法,采用ABAQUS有限元和最小二乘法,对口径1.2 m的小尺寸蜂窝夹层结构天线进行热变形和均方根(RMS)值计算,对热膨胀系数、蜂窝高度和蒙皮铺层数量等因素进行分析。结果表明:蜂窝高度方向的热膨胀系数是影响RMS值的最主要因素。当蜂窝高度为65 mm,上、下蒙皮铺层数量为12层时,型面精度RMS值满足设计要求。最后基于实际装配条件计算全尺寸反射器在-80～120℃下的热变形,发现紧固件和预埋件可以有效减小工作面热变形,并且得到全尺寸反射器RMS值为40.45μm。该研究结果可为星载固面蜂窝夹层结构反射面天线结构的设计提供依据。