一种复合相变热沉设计与散热性能分析

为解决弹载电子设备短时高功耗运行可能引起的元器件急剧温升进而导致失效问题,文章首先研究了几种相变热沉的设计方法和工艺路径,通过仿真对比证明碳基骨架-特种石蜡复合相变热沉质轻且散热性能优越。然后,针对新研高热耗模块,对膨胀石墨-特种石蜡复合相变热沉进行精细化设计,制作样件,并通过仿真对比验证其散热性能满足要求,同时分析了实验测试结果和仿真结果的差异及原因,研究结果可为严酷条件下应用相变材料进行热设计和热管理提供参考。     

含金属相变材料温控组件的研究

研究使用一种含有金属相变材料（Phase Change material,PCM）的温控组件（Thermal Control Component,TCC）对航天器上的有效载荷进行温度控制。通过对载荷的温控需求分析,设计并制备了以Ga-Sn合金为PCM的TCC,并通过地面模拟实验对TCC的温控性能进行测试。实验结果表明这种含有Ga-Sn合金的TCC满足载荷的温控需求。最后在仿真软件中建立了TCC的相变传热仿真模型用于预测TCC的温控性能。结果表明：仿真模型计算所得结果与实验结果基本一致,可用于预测TCC的温控性能。     

空间太阳能热动力发电系统吸热蓄热器热性能研究

空间太阳能热动力发电系统是一种新型空间电力系统。吸热蓄热器是太阳能热动力发电系统关键部件之一。吸热蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。本文以NASA 2kW太阳能热动力发电系统地面试验采用的吸热蓄热器为研究对象，建立了吸热蓄热器的三维传热数值模型，可以模拟轨道周期内、各种工作参数下吸热蓄热器的热损失、工质温度、容器单元温度、PCM熔化率以及PCM潜热利用率等主要参数的变化。通过与蓄热换热管地面蓄放热试验结果比较，验证了方法的可靠性。在对传统吸热蓄热器结果进行分析的基础上提出了吸热蓄热器的改进方案——组合PCM热换管概念，并与传统吸热蓄热器性能进行了对比分析。     

基于高性能信息处理模块的相变散热技术研究

设计了一种高性能信息处理模块,并对高功耗元器件布局、功耗特性、结构特点及工作温度等要素进行分析,提出了一种基于相变储能散热技术的解决方案并进行工程实现。通过热仿真与散热性能测试试验,验证相变储能模块控温能力,满足模块散热要求。目前该方案已应用于新一代运载火箭产品中,为航天产品散热技术优化与发展提供了技术支撑。     

应用相变储能板的星载数据处理器热设计

某星载数据处理器采用标准机箱结构,实现整星对地遥测数据的存储与传输的功能。数据处理器总热耗较大,其中有3个数据处理单元在工作时热耗高达70W。针对数据处理单元的周期性工作特点,填充有相变材料的储能板作为其散热措施使用。在数据处理单元工作时储热,间歇时散热,实现对数据处理单元的温度控制。为了验证该热设计措施的有效性,采用Flotherm软件进行仿真分析并设计了真空下的瞬态热平衡试验。仿真和试验结果均证明热设计方案合理,该相变储能板可以适应数据处理单元周期性工作的需求,且其内部所有元器件均满足一级降额设计要求。这种热设计方法为后续该类型周期性工作的大热耗单元热设计提供了参考意义。     

航天器热防护材料不同边界条件下的隔热性能试验研究

通过试验检测热防护材料或结构的隔热能力是航天器与高超声速飞行器安全可靠性设计中不可缺少的重要环节。为获知隔热性能试验中3种不同边界条件下(试验件竖直放置,水平放置散热面向下,水平放置散热面向上)平板试验件散热面温度的差异,建立3种热试验装置,对轻质隔热材料进行不同温度条件下的隔热性能试验测试(散热面敞开)。试验结果表明:试验件水平放置散热面向下时的散热面温度最高;水平放置散热面向上时的散热面温度最低。当热面温度为1000℃时,1800 s后,水平放置散热面向下比水平放置散热面向上时的散热面温度高19.7%;试验件竖直放置比水平放置散热面向下时的散热面温度低2.3%。数值模拟结果与试验结果一致性良好,验证了试验结果的可信性和正确性。研究结果可为航天器与高速飞行器热防护系统设计及试验方案的确定提供重要参考依据。     

一种与流体回路耦合的板翅式相变换热器设计及验证

针对月球轨道复杂的热环境,设计一种与流体回路耦合的板翅式相变换热器,通过利用相变材料熔化蓄热、凝固放热的特性,实现对航天器在不同外界热环境条件下散热能力的调节。基于一系列简化假设,开展相变换热器仿真分析,计算给定入口温度条件下相变换热器的换热性能和熔化与凝固特性,并且详细分析相变腔体内相变材料的熔化过程。通过搭建相变换热器性能试验台开展试验研究,得到相变换热器运行的温度结果,验证了相变换热器设计的合理性。文章提出的耦合相变换热器的流体回路方案可作为载人航天器月球轨道飞行的有效热控手段。     

某高码率通信终端处理机热设计与仿真分析*

处理机是飞行器高码率通信终端核心电子设备,处理机稳定性与可靠性的高低直接关系到整个终端系统设备的可靠性工作。介绍高码率通信终端处理机热设计的特点与方法,针对不同的功率器件和组件,与结构设计相结合,探索合理的散热途径,特别是许多热耗较大的功率器件的热设计。通过热仿真分析,优化热设计方案,控制每个器件的温升满足设计要求,并进行了热真空、热平衡试验验证。     

脉冲热负荷下相变蓄热对蒸发循环制冷性能的影响

针对激光器等短时大功率器件的温度控制问题,提出了基于相变蓄热与蒸发循环制冷的热控制方法.以峰值热流密度为106 W/m2的激光器为控温对象,建立相变蓄热与蒸发循环制冷耦合的仿真模型,通过数值仿真对比研究了有无相变蓄热器及不同相变蓄热器耦合位置、压缩机转速及热负荷占空比情况下热源的温度波动幅度与制冷系统的制冷效率.结果表...     

气氦热沉结构优化设计

气氦热沉是月球超低温环境试进行设计,运用flowmaster软件,根据气氦热沉的结构进行建模仿真.在给定热负荷的条件下,得到热沉内氦气的流量分配和温度分布规律,并对初步设计提出两种优化方案.计算出气氦热沉的翅片最高温度,最后提出气氦热沉结构的设计方法和原则.     

飞行器高热流密度长时间测试方法

为实现对飞行器高热流密度热流的长时间测量,文章提出了一种以与高导热金属蜂窝材料复合的相变材料作为热沉的热流计,利用相变材料的潜热持续吸收热流计所接收的热量,可以对1 MW·m-2的热流密度持续测量2000 s以上。利用显热容数值方法建立了高热流密度长时间持续测量的分析模型,研究了热沉相变材料的热导率、相变温度、相变潜热等物性参数对测量方案的影响。研究结果表明,应选取热导率较大、相变温度较低且高于初始环境温度,以及相变潜热较大的相变材料作为长时间高热流密度测量的热沉材料。     

相变材料深空控温技术研究

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,产品热流密度迅速增长,其抗热冲击散热问题成为制约产品设计的瓶颈问题之一.使用相变控温技术可以很好地解决该问题,且相变控温属于被动控温,可靠性很高,符合航天产品要求.以某VPX标准机箱扩热板结构为研究对象,提出相变材料与载荷产品结构复合一体化的相变控温装置设计方法.通过设计试验进...     

固-液相变装置传热性能数值计算研究

卫星内安装的某些设备在轨长期工作时要求维持较恒定的温度,特别是热容较小的设备受外热流影响温度波动会比较大,文章在传统热控设计的基础上增加了相变装置,利用焓法建立了设备、蜂窝板、相变装置统一的控制方程,研究了空间环境下相变装置的热性能。结果表明:采用相变装置有助于提高散热面的等温性,同时能够有效降低设备的温度波动范围,为航天器内设备的热控设计提供了一定依据。     

星载有源组件复合相变材料相变控温性能研究

为研究添加纳米粒子的复合相变材料应用与星载有源设备相变控温时的控温性能,采用了数值仿真的方式,使用ANASYS软件比较分析了硬脂醇改性石墨烯/正十八烷石蜡复合相变材料与纯正十八烷石蜡相变材料的相变控温性能。结果表明,在短时间控温时复合相变材料具有一定优势,同时在有源组件非工作时间散热时,复合相变材料可以在更短时间内将工作时间吸收的热量全部散去,恢复初始状态速度比纯正十八烷石蜡快14.1%,因此添加硬脂醇改性石墨烯纳米粒子的复合相变材料可以作为提升相变控温装置整体性能的一种有效辅助手段;同时针对与其他主要导热能力提升手段相结合后的控温性能进行了对比分析,复合相变材料可以起到提高控温装置性能的作用,可以与其他方式进行有效的结合。     

吸波热沉在微波雷达成像卫星真空热试验中的应用

在微波雷达成像卫星的整星真空热试验中,需采取特殊措施吸收SAR天线T/R组件发射出的大功率微波,以保护组件不被损伤。文章介绍了一种新型外热流模拟装置——吸波热沉,兼具吸波和外热流模拟2方面的功能。为验证吸波热沉在真空热试验时的有效性,设计了一套验证试验方案,试验结果表明:吸波热沉可以满足真空热试验的外热流模拟精度需求,偏差在4%以内。该装置已在某微波雷达成像卫星的真空热试验中成功应用。     

等热流条件下相变导热仿生优化

为强化微重力条件下相变材料的熔化释冷过程,采用仿生优化的思想和有限元方法研究了导热空间内高导热材料的最佳布置方案。研究表明,采用温度梯度的时间积分作为布置高导热材料的判断标准,可把导热仿生优化的思想的应用由稳态问题扩展到非稳态具有相变的问题。和人工构造方案法相比,仿生优化得到的方案可以明显强化释冷过程、降低热流入口温升;且能克服其工作量大,所得方案不一定包含最优方案的不完备性问题。     

调温热沉换热系统仿真设计与应用

调温热沉具有操作简单,经济性好,降温速率快,对试验件无遮挡等优点,因此,在部组件级热真空试验中具有越来越重要的地位和意义。对于调温热沉的设计,本文中通过采用基于M文件表述的S函数程序和状态空间描述的分布参数模型用于系统仿真,从而得出载冷剂、试验件、热沉三者之间的温度动态关系。继而得到热沉温度控制方案中控制参数的影响条件以及调温热沉设计方案中载冷剂的温度和流量的数据。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.