含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势,设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明,在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件,通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能,并以结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计,优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

A fast numerical approach for Whipple shield ballistic limit analysis

Whipple shield is widely used on manned spacecraft, numerical simulation is an important way for obtaining the ballistic limit. The large population of particles and the large space span of Whipple shield simulation model restrict the computational efficiency. A fast numerical approach is presented for Whipple shield ballistic limit analysis. First, the critical penetration analysis of the rear walls is converted into specific impulse analysis delivered by the secondary debris cloud, because the maximum of specific impulse is the main determinant of the penetration. The dual plate simulation model is then converted into single plate model and the population of particles is reduced. Second, based on the isotropic expansion theory of secondary debris cloud, the specific impulse analysis is further converted into particle position and velocity analysis when the stable secondary debris formed. The space span of the simulation model is reduced. An example of Whipple shield ballistic limit analysis is provided for the verification of the fast numerical approach, it shows that this approach can significantly increase the computation efficiency with acceptable accuracy.     

高空发动机燃料主管路防热罩设计优化

针对火箭飞行工作中高空发动机燃料主管路系统防热罩存在热防护能力不足的问题,开展了高空羽流条件下的仿真计算和分析,依据温度计算值确定了防热罩紧固件在高温下抗拉伸强度低,在较高拧紧力矩条件下存在锌、镉脆断裂的薄弱环节,从而导致防热罩脱落。防热罩脱落后其内充填的隔热包覆材料被羽流吹落,燃料主汽蚀管连接法兰直接暴露在高温羽流环境中,高温导致法兰连接及密封失效从而产生燃料泄漏。针对防热罩热防护设计中存在的薄弱环节完成了设计改进,采用头锥形防热罩、高温合金材料的紧固件和多层耐高温隔热材料捆扎包覆等设计改进方案后,经过了高温、振动、地面发动机热试车和飞行试验验证,未出现前述故障。     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

Heat transfer of thermocapillary convection in a two-layered fluid system under the influence of magnetic field

Heat transfer of a two-layer fluid system has been of great importance in a variety of industrial applications. For example, the phenomena of immiscible fluids can be found in materials processing and heat exchangers. Typically in solidification from a melt, the convective motion is the dominant factor that affects the uniformity of material properties. In the layered flow, thermocapillary forces can come into an important play, which was first emphasized by a previous investigator in 1958. Under extraterrestrial environments without gravity, thermocapillary effects can be a more dominant factor, which alters material properties in processing. Control and optimization of heat transfer in an immiscible fluid system need complete understanding of the flow phenomena that can be induced by surface tension at a fluid interface. The present work is focused on understanding of the magnetic field effects on thermocapillary convection, in order to optimize material processing. That is, it involves the study of the complicated phenomena to alter the flow motion in crystal growth. In this effort, the Marangoni convection in a cavity with differentially heated sidewalls is investigated with and without the influence of a magnetic field. As a first step, numerical analyzes are performed, by thoroughly investigating influences of all pertinent physical parameters. Experiments are then conducted, with preliminary results, for comparison with the numerical analyzes.     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

大气环境电子束材料表面强化机理数值模拟

建立了大气环境电子束材料表面强化过程的多阶段数值模型,用于对电子束与材料表面层的相互作用过程和结构与相变过程进行研究。通过应用这一模型,使得对材料表面强化中电子束传输、温度演化和相变动力学等多参数研究成为可能,由此建立了电子束输入参数与结构相变结果之间的关系。     

多层RAM涂层对任意入射角电磁波的反射特性分析

为了解决结构型吸波材料的分析和设计中所遇到的反射系数计算问题，从电磁场理论出发，导出了电磁波以任意角入射时多层雷达吸波材料（RAM）涂层的反射系数公式，此法简单易行，为结构型吸波材料的计算机辅助分析和设计提供了基础，同时给出了计算曲线的例子，通过实例计算分析了电磁波的入射角，极化状态等对反射特性和隐身效果的影响。     

纳米孔材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算

用可燃的烧蚀材料作为主动的承热层,用不可燃的多孔材料作为被动的隔热层,是当今一次性使用航天器最普通的一种热防护形式,然而对可重复使用的航天器来说,这种防热结构显然不适用.但是如果把烧蚀层改为金属薄壁或多层金属热防护系统,在不增加很多质量的情况下,能保证航天器主结构在允许的温度范围,则可能是一种很好的设计.在此情况下,隔...     

轨道分子屏极高真空实验室设计技术研究

给出了一种新型的近地轨道极高真空分子屏实验室设计。作者计算了可变翼分子屏周围大气分子的入射及散射、分子屏材料放气在屏内的分子数流密度。通过调整分子屏的翼角,分子屏内的压力可以达到10-12Pa。计算结果指出:在近地轨道选择合适的分子屏参数,可以在极高真空环境下加工超纯材料。     

Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究

文章采用数值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应过程,分析了冲击波在阻抗梯度材料中的传播规律,计算了撞击过程中的能量耗散情况,并与弹丸撞击铝合金靶的结果进行了比较。研究结果表明,相对于铝合金材料,Al/Mg阻抗梯度材料：1）延长了冲击波的传播时间,使峰值压力脉冲的比冲量提升了30%～50%;2）提高了塑性功和内能转化量,使不可逆功增加了10%。由此证明阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。     

复杂型面薄壁固定框的加工工艺研究

通过分析某产品固定框的结构特点和材料特性,制定了加工工艺方案,确定了数控程序编制原则,并选择合理的切削参数和刀具,经过小批量生产验证,证明满足设计要求,加工效果良好。     

超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。     

星用FR-4材料本征介电性能随温度的变化研究

卫星内带电效应是引起航天器故障的重要原因之一。地面试验模拟和分析评估是内带电效应研究的主要手段,而介质材料的介电性能参数是分析评估的必要输入条件。文章系统介绍了FR-4材料的电导率、介电常数、介电强度3种本征介电参数的测量方法,并通过试验测量了不同温度下FR-4的介电参数。研究发现,FR-4本征介电参数并非固定值,而会随温度发生规律性的变化。     

卫星内部三维屏蔽计算模型

研究中构建了一些常用设备的形状模式,用来计算从不同位置、不同方向入射的粒子在设备中运行的径迹长度；另外构建了各种常见形态的卫星整体模式,可以计算不同位置上卫星舱壁和结构件所产生的屏蔽作用。这些模式构成了一个较为完整的模块,可以计算由卫星舱壁和仪器设备相互屏蔽所形成的屏蔽效果。已经利用这一软件计算了某卫星舱内某仪器内部关键元件的屏蔽情况,计算中涉及到了复杂的卫星舱壁、分布在不同位置的其他仪器、仪器盒、仪器内部的线路板等,取得了较好的效果。     

一种再入飞行器结构的热流载荷反演方法

提出了一种基于共轭梯度法的再入飞行器热流载荷反演方法.以一维结构为例验证反演方法的有效性,并分析了材料温变热物性参数和传感器测量误差对反演精度的影响;进而针对热防护结构和返回舱结构开展了热流载荷反演分析.结果表明:本文方法能有效地反演热防护结构和返回舱结构的热流载荷;考虑材料的温变热物性参数会使得反演过程存在非线性因素...     

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.