卫星推进系统温度均衡性控制方法研究

卫星推进系统在轨需要进行温度控制,尤其需要对推进系统的贮箱、管路温度进行合理的控制。针对小卫星、微小卫星热控资源紧张的情况,以及当前的热控设计方法在不同温度环境分布的推进系统应用中存在的温度分布不均的情况,提出了一种优化的推进系统热控设计方法。在常规热控设计方法中考虑测温点最小值的同时,考虑了测温点的最大值因素,并根据最小值、最大值与控温区间的关系确定加热回路的开/关关系。采用本方法在整星热平衡试验中对推进系统进行了温度控制验证。试验结果验证了同时考虑控温区间上限和下限的热控设计方法的可行性和合理性。卫星在轨飞行阶段的推进系统参数验证了该温度控制方法能获得更好的推进系统温度分布均匀性,并保证了工作温度区间上限的裕度。     

基于泵式流体回路的小卫星姿控/热控一体化执行机构设计

 主要研究了小卫星姿控/热控一体化执行机构的设计问题.首先,根据流体回路中液体流速变化对小卫星产生力矩实现姿态控制、液体流动吸/散废热实现热控制的原理,提出一种姿控/热控一体化执行机构设计方案.然后针对该设计方案,利用以电机转速为变量的流体回路内压强和电磁力矩方程,推导了一体化执行机构姿控力矩模型;利用散热量随流体回路流速的变化,建立了一体化执行机构热控模型.最后,针对某小卫星设计了基于姿控/热控一体化执行机构的闭环控制系统,并针对该一体化执行机构设计了一种姿控/热控解耦算法,对其姿控/热控能力进行数学仿真验证,仿真结果证明了该一体化执行机构的有效性.     

基于TEC的空间站末端回路温控系统建模及其热力学性能分析

针对空间站中间回路温度波动过大,高温时导致科学载荷工作温度超出允许范围的问题,设计了一种基于热电制冷器(TEC)的末端单向流体回路温控系统。该系统包含一个TEC温控模块,当中间回路温度过高,末端回路冷却功率不足时,该模块可提供额外的制冷量,降低流入冷板的工质温度,形成针对科学载荷的相对低温区域,恢复回路的冷却能力。分别建立了温控系统数学模型与数值仿真模型,并完成了热负载扰动、中间回路温度扰动、末端回路流量扰动和并联支路热扰动等4种扰动对系统热力学特性影响的仿真分析,验证了TEC模块的温控性能。结果表明:在科学载荷发热功率增加30%、中间回路的温度升高5K、末端回路流量减小至0.0015kg/s等多种工况下,所设计的温控系统能够将载荷温度控制在1K以内,实现科学载荷精确温控。      

卫星MEMS热控系统的动态特性及自主控制策略

在卫星热控系统中将高效冷却技术与系统层次的智能控制策略相结合是完成航天热控任务的理想候选方案。针对一种基于微机电系统(MEMS)的微槽道换热器和微百叶窗在卫星主动热控系统中应用的方案,应用集总参数法建立了受控对象的系统动态响应模型;提出了一种引入外热流协调因子和专家智能整定比例-积分-微分(PID)控制相结合的自主温度控制策略;完成了其在纳卫星上应用效果的仿真研究。仿真结果表明:自主温度控制策略能够根据当前的控制局势及变化趋势对多个被控量进行自主协调,不但能够有效满足星载电子设备的苛刻温控要求,同时也是实现卫星高度自主飞行的关键技术之一;该温度控制策略同样适用于其他控制场合。     

卫星光机载荷热模型参数高效修正方法研究进展

卫星光机载荷的光学效能与热设计密切相关,热控系统的模型修正是热设计必不可少的环节。近年国内外涌现出许多基于深度学习和寻优算法的提高热模型修正效率和精确度的方法可供参考,但没有进行系统的归纳。本文针对新出现的修正方法进行了总结,重点分析了在卫星光机载荷热控模型修正这一特殊问题中提高修正效率的几种手段——合适的寻优算法、构建代理模型和开发自动修正工具等。具体分析了这3种手段各自的研究进展及其适用条件和局限性,并提出了对于修正工具开发的思考。最后,对卫星光机载荷热控模型修正领域进行了展望,为后续提高热模型精确度和修正效率提供了方向。     

载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计

建立载人航天器热控系统内各组成部分传热和质量的数学物理模型,对热控流体回路进行轻量化设计,并讨论相关参数对优化结果的影响。研究发现,在回路散热任务给定时,回路各组成部分的结构参数和辐射器内的散热管道数都存在最佳值,在该值下回路系统质量达到最轻。随着辐射器散热面积的增加,最优的辐射器内散热管道数减少;在给定辐射器散热面积时,当回路散热任务增加时,回路最优设计质量和辐射器内的最优管道数均增加。     

一种新的小型无人机飞行控制策略研究

针对传统控制策略对小型无人机系统计算能力要求高、结构要求复杂的特点,提出了一种新的控制策略,即只采用角速率陀螺和GPS传感器配置,控制器结构采用两层回路实现(即角速率回路和轨迹控制回路)。利用输出反馈二次调节器设计方法得到了相应的控制器结构参数。最后,通过仿真比较了新控制策略和传统控制策略在轨迹控制过程中的控制效果。仿真结果表明,所提出的控制策略具有与传统控制策略相似的控制效果,但新策略下的控制器结构和系统复杂程度都更简单。     

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。     

两种直升机多舱油箱惰化系统代偿损失比较

针对某型直升机多舱油箱,设计了冷却空气控温和燃油热沉控温的 2种多舱油箱惰化系统。基于 AMESim平台搭建了这 2种系统模型,研究了这 2种系统的控温效果和各舱油箱参数变化规律,并且引入代偿损失指标对这 2种系统性能进行评估。仿真结果表明:2种惰化系统均能控制膜前温度维持在 90℃;燃油热沉控温的多舱油箱惰化系统在整个飞行过程中,各舱油箱中最高燃油温度小于 32℃,没有超过许用限制;对于直升机而言,由于油箱相比大型客机而言体积较小,通过计算可得,冷却空气控温的多舱油箱惰化系统的燃油代偿损失小于燃油热沉控温的多舱油箱惰化系统的燃油代偿损失。仿真结果为多舱油箱惰化系统的设计和优化提供了参考依据。     

双组元150N发动机头部热控组件温度适应性研究

为获得双组元150N发动机头部热控组件在低温工况下的加热能力以及发动机长程点火期间头部热控组件各处的温度分布、性能变化，应用有限元分析软件I-DEAS/TMG在给定的温度边界条件下进行了仿真分析，分别获得了低温工况下头部稳态平衡温度以及发动机长程点火期间头部瞬态温度。搭建了试验装置，通过电热炉对头部烘烤，设定控温点为400℃，恒定时间45min，获得了头部热控组件各处的温度分布及加热器阻值的变化。通过仿真计算和地面试验，得出以下结论：（1）热控组件能保证发动机在最恶劣低温工况下温度高于0℃；（2）在地面试验工况包络发动机在轨最长工作时间2500s的情况下，包含加热器、热敏电阻、导线等在内的热控组件均处于有效工作状态，为热控组件的高温耐受能力提供了有力支撑。     

神舟载人飞船流体回路动态仿真研究

以神舟载人飞船流体回路为物理模型,分析了各个部件的工作原理、流动和传热特性,建立起辐射器、泵、阀门、补偿器、冷板和换热器的部件模型。在此基础上建立了流体回路模型,并引入实际控制策略。模型的仿真数据与航天器热平衡试验数据进行对比,结果表明,模型对流体回路各点的温度、压力、系统的流量分配和液体体积变化的补偿都能较好的进行动态模拟,并能够模拟系统控制策略的动态执行情况,可用于流体回路系统控制算法和策略的优化分析。     

用于发动机羽流试验研究的液氦热沉设计

超低温大型卧式热沉采用液氦制冷,将在国内实现热沉表面温度低于10K,主要用于航天发动机羽流效应试验,同时兼顾卫星等热真空试验.热沉主体结构为卧式圆筒型,为减小热损失,液氦热沉去掉了骨架,外部装有液氮热沉,两者采用一体化设计,液氮热沉既做液氦热沉的防辐射屏,又做液氦热沉的支撑.为增大抽速,舱体封头端设计了可拆卸的羽流吸附泵.羽流试验时液氦热沉、羽流吸附泵通液氦制冷,液氮热沉通液氮制冷,各部分热沉单独供液.对此大型热沉进行了方案设计、参数计算,对热沉预冷及稳态工况时的液氮、液氦消耗量进行了估算,分析了羽流试验时热沉抽气速率随试验工质温度的变化关系,得出液氦热沉对氮气的抽气速率可以达到107L/s量级.      

三轴稳定式卫星的热特性研究

热特性研究是卫星热控制系统、红外辐射特性研究、红外隐身设计的基础和重要组成部分。建立卫星运行轨道计算模型,获得不同时刻卫星三维坐标及轨道高度。根据太阳、卫星、地球三者位置关系,建立三轴稳定式卫星空间热流计算模型。综合考虑空间热流、向外辐射、内部热载荷等因素,对卫星进行传热分析计算,获得各时刻卫星各面温度分布。分析了太阳吸收系数和卫星内部热载荷对表面温度分布的影响。研究结果表明:卫星在地球阴影区各面温度明显降低;除了散热面,太阳吸收系数对卫星表面温度影响显著;可以根据散热面大致地判断卫星运行状况。     

An equivalent ground thermal test method for single-phase fluid loop space radiator

Thermal vacuum test is widely used for the ground validation of spacecraft thermal control system. However, the conduction and convection can be simulated in normal ground pressure environment completely. By the employment of pumped fluid loops’ thermal control technology on spacecraft, conduction and convection become the main heat transfer behavior between radiator and inside cabin. As long as the heat transfer behavior between radiator and outer space can be equivalently simulated in normal pressure, the thermal vacuum test can be substituted by the normal ground pressure thermal test. In this paper, an equivalent normal pressure thermal test method for the spacecraft single-phase fluid loop radiator is proposed. The heat radiation between radiator and outer space has been equivalently simulated by combination of a group of refrigerators and thermal electrical cooler(TEC) array. By adjusting the heat rejection of each device, the relationship between heat flux and surface temperature of the radiator can be maintained. To verify this method,a validating system has been built up and the experiments have been carried out. The results indicate that the proposed equivalent ground thermal test method can simulate the heat rejection performance of radiator correctly and the temperature error between in-orbit theory value and experiment result of the radiator is less than 0.5 C, except for the equipment startup period. This provides a potential method for the thermal test of space systems especially for extra-large spacecraft which employs single-phase fluid loop radiator as thermal control approach.     

Transient performance and intelligent combination control of a novel spray cooling loop system

Effective thermal control systems are essential for the reliable working of insulated gate bipolar transistors （IGBTs） in many applications. A novel spray cooling loop system with integrated sintered porous copper wick （SCLS-SPC） is proposed to meet the requirements of higher device level heat fluxes and the harsh environments in some applications such as hybrid, fuel cell vehicles and aerospace. Fuzzy logic and proportional-integral-derivative （PID） policies are applied to adjust the electronic temperature within a safe working range. To evaluate the thermal control effect, a mathematical model of a 4-node thermal network and pump are established for predicting the dynamics of the SCLS-SPC. Moreover, the transient response of the 4 nodes and vapor mass flowrate under no control, PID and Fuzzy-PID are numerically investigated and discussed in detail.     

船用柴油机多孔喷嘴的喷雾不一致性及其对发动机性能影响的分析

由于柴油机多孔喷嘴加工偏差、针阀抬起过程产生的抖动以及喷嘴内部的空穴现象等原因,各孔燃油喷射存在不一致的情况。为了探究多孔喷嘴各孔燃油喷射差异对大缸径船用柴油机喷雾、燃烧及缸内热负荷的影响,本文以某高压共轨船用柴油机为研究对象,通过定容弹喷雾试验研究了高压共轨喷油器多孔喷嘴各孔喷雾发展的不一致性,并基于喷雾试验结果,通过CFD仿真研究了各孔喷雾不一致性对柴油机燃烧、性能及缸内热状态的影响。结果表明,在针阀抬起过程,各孔喷雾贯穿距存在明显差异,各孔喷雾贯穿距离散系数在3%~40%之间,且随着针阀抬起离散系数逐渐减小,在针阀完全抬起后,各孔喷雾贯穿距基本一致,各孔喷雾贯穿距离散系数在5%以下;各孔喷雾不一致会导致各雾束的早期燃烧存在明显差异,对缸压、油耗、放热率、缸内平均温度、NOx和Soot排放影响很小;各孔喷雾不一致会加剧活塞、缸盖、缸套的局部热负荷,同时会导致高温燃气向缸套的总体散热量增加9.1%,而活塞、缸盖总散热量不变。