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。     

利用并行八叉树划分技术开展复杂构型航天器放气污染分析研究

放气污染对航天器造成的有害影响需要定量评估。放气产物分子的输运过程可以采用Monte-Carlo方法模拟,并用射线表示放气分子输运轨迹。如此一来,即转换为射线追踪问题。由于航天器构型复杂,射线追踪的计算很耗时,所以有必要研究其加速算法。文章将复杂构型航天器表面用三角形非结构网格表示,利用八叉树划分技术开展分子运动轨迹与表面相交的加速模拟计算。同时,在基于共享内存多核计算平台,利用OpenMPAPI软件实现了计算的并行化。该方法在对空间站的实例计算中显著提高了运算速度,并对空间站的污染情况进行了初步评价分析。     

空间真空环境与真空技术研究的展望

(1)极高真空分子屏研究在航天器上携带一个具有半球形、锥形或柱形开口结构的装置,利用航天器轨道速度远远大于气体分子热运动速度的条件,在200～300km的低轨道上,分子屏内可以获得10-11～10-12Pa(对氢气)、10-16Pa     

具有吸附性的平板型轨道分子屏离轴区域真空特性的研究

轨道分子屏真空系统,是利用分子屏轨道飞行速度远大于轨道环境大气的平均热运动速度,使空间环境对分子屏产生理想的抽速,在尾部形成气体分子的稀化区,达到极高真空.对平板型轨道分子屏,现有的文献中,仅仅计算了沿对称轴线的压力分布,然而,由于实际的分子屏试验,试件是具有一定尺寸的三维物体。仅仅获得对称轴线上的真空信息是不够的,需要对偏离对称轴线的空间点,进行分析计算.文章针对具有吸附性的平板型轨道分子屏,对偏离对称轴线的压力分布计算,提出了一套计算方法,对500km 的轨道高度,计算结果表明:当考察点与分子屏表面的距离(=|Z0|)小于1.0m,偏离对称轴线的距离小于1.6m 时,真空度维持在优于10~(-10)Pa 的数量级。建议在这一尺度范围进行材料试验。     

基于气相色谱法的电推进航天器氙气泄漏检测系统

为了能够对电推进航天器加注后的泄漏进行检测,对氙气泄漏检测方法和关键技术进行研究,研制了一套基于气相色谱法的氙气泄漏检测系统。试验结果表明,氙气体积分数在1×10-7~5×10-4之间时,系统可以定性定量判断氙气的真实泄漏量(1.0×10-5~5.0×10-2 Pa·m3·s-1);而当氙气体积分数超过5×10-4时,则应定性判断电推进系统有大泄漏(泄漏量10-2 Pa·m3·s-1)。检测系统能够满足电推进航天器加注后泄漏检测任务的要求。     

低地球轨道空间环境下航天器表面原子氧通量密度和积分通量分布的数值模拟

基于蒙特卡罗方法和区域分解法,建立低地球轨道空间环境航天器表面原子氧通量密度和积分通量的数学模型。模型考虑了航天器表面几何构型、原子氧数密度和分析热运动、地球自转对航天器速度的影响以及轨道运行参数。通量密度分布的求解是通过其微分方程的对于独立变量分子运动速度和与表面速度矢量合成的积分得到,积分通量是通过沿轨道时间积分来实现。与此同时,得到了沿入射攻角变化原子氧分布的最大值和最小值。计算结果表明:通量分布伴随入射攻角增大而急剧下降,在迎风面达到最大值,背风面最小值。入射攻角是影响分布计算结果的重要因素。计算误差与NASA-LDEF飞行试验实验结果吻合较好。     

陶瓷基分子吸附器的航天器污染控制性能试验研究

为验证陶瓷基分子吸附器利用多孔材料的吸附性能降低航天器一定区域内污染水平的能力,试验研究真空环境中13X分子筛材料的分子污染物吸/脱附特性,以及以13X分子筛为吸附剂的陶瓷基分子吸附器对航天器用电缆放气产物的吸附性能。试验结果表明:13X分子筛可以有效捕获污染物分子,陶瓷基分子吸附器的吸附能力在3.1×10-2～3.4×10-2 g/cm2之间。陶瓷基分子吸附器可以应用于航天器热真空试验和在轨运行时的污染控制,有利于延长航天器寿命、提高航天器可靠性。     

超低轨航天器气动设计与计算方法探讨

对于运行在150~300km高度的超低轨航天器,气动力是轨道与姿态控制须考虑的主要扰动因素。文章首先剖析了超低轨航天器气动构型的关键要素,提出了本体截面与长细比、翼面形状与布局的设计准则;从来流特性、气体-表面作用、航天器物理特性3个方面阐述气动建模的内容与方法;综合运用射线跟踪平板(RTP)与试验粒子蒙特卡洛(TPMC)2种自由分子流模拟方法,提出一种适合工程应用的气动计算与飞行仿真流程。最后,以重力梯度测量卫星为实例,开展了初步的方案设计、模型确认与方法探索,验证了气动建模与计算流程的正确性。文章所提出的气动研究思路,对超低轨航天器的气动设计、计算等工作,均具有一定的参考意义。     

真空热试验返回流分子污染建模计算

真空热试验中的分子污染对航天器光学有效载荷性能、可靠性具有严重影响.文章对分子污染机制进行了分析,对边界条件及输入参数进行了合理简化.针对太阳电池板真空热试验和卫星整星真空热试验工况采用dsmc方法对残余气体分子造成的散射返回流进行了分析.结果发现,这种散射返回流不可忽视,返回流比率可迭0.004.返回流在放气表面具有一定分布,在表面中心处返回流最高.     

航天器表面环境散射返回流污染数值模拟和影响因素分析

针对航天器表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题,利用试验粒子Monte Carlo方法对圆球和圆柱体简化航天器表面环境散射返回流进行数值模拟。其中,圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法计算结果一致,验证了该方法的正确性。此外,对不同长径比的圆柱表面环境散射进行了计算和分析,结果表明:来流方向垂直于圆柱对称轴时,返回分子主要分布在圆柱体侧面的迎风部位;返回通量比随来流与出气分子质量之比的增加逐渐减小,随来流与出气表面温度之比、来流分子速度比和数密度的增加而增大;不同长径比条件下返回通量比相对于上述4个参数的变化具有相似性和递变性,短粗体的返回通量比最小,长细体的最大,正常圆柱体的则居中;返回通量比相对来流攻角的变化在不同长径比条件下不再具有相似性,而是取决于有效迎风面积。     

复合固体丁羟推进剂药柱表面防湿涂层研制

介绍了一种丁羟推进剂药柱表面防湿保护涂层,它可以涂敷在药柱表面形成一层薄膜,其透湿系数小于3.0×10~(-13)g·cm/(m~2·s·Pa),能有效阻止湿气扩散到推进剂内部,这种保护涂层有效地降低了湿气对推进剂性能的影响,延缓推进剂的老化,而对推进剂点火性能无明显影响。     

电位主动控制试验装置供给单元的研制

为满足货运飞船表面电位控制的要求,研制了一种适用于航天器表面电位主动控制试验装置的供给单元。该供给单元重量轻、体积小、结构紧凑,具有氩气储存和微流量输出的功能,实测漏率≤1×10-4 Pa·L·s-1。根据实测漏率数据和流量控制器的流量压力特性,建立供给单元输出氩气流量、气瓶压力随时间变化的数学模型,计算得出其有效在轨工作时间约为360 s。以上结果表明,该供给单元的在轨储存能力和微流量输出能力均可以满足任务需求。     

纳米二维黑磷的PTFE薄膜涂层的制备及其摩擦性能研究

采用旋涂法在7050铝合金表面制备了内含0、1.3%、3.8%纳米二维黑磷的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜涂层。选择载荷为1N(接触压力为501MPa)、2Hz频率和5.3mm滑动行程条件下(平均线速度为21.2mm/s),使用球-盘摩擦仪进行摩擦磨损试验。利用环境扫描电镜(ESEM)和三维白光显微镜分别对涂层磨痕形貌和磨损率进行表征。黑磷含量为1.3%和3.8%的PTFE涂层的摩擦系数(COF)分别降低了23%(COF:0.079)和27%(COF:0.074),其磨损率分别从2.554×10~(-4) mm~3 N~(-1) m~(-1)降至0.758×10~(-4) mm~3 N~(-1) m~(-1)(降低70.3%)和0.156×10~(-4) mm~3 N~(-1) m~(-1)(降低93.8%)。结果表明,纳米黑磷材料与PTFE的复合膜不仅具有较好的润滑作用,而且能有效提高PTFE的耐磨性。     

不同压力条件下水平平板的表面换热实验研究

为了解不同压力下水平平板的气体对流换热变化情况,搭建了一个提供不同气压和环境温度的实验舱,开展了在不同压力(0.1 Pa、0.1 k Pa、0.2 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和常压)与几种加热量(75、150、300 W/m~2)组合条件下的水平平板换热实验研究。通过对辐射换热和自然对流换热的比较,得到不同压力下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在环境气体压力小于1 k Pa时非常小,而在1 k Pa以上时才较大;在大于1 k Pa时,对流换热系数随压力的升高呈二次方增加。     

在70m~3容器中获得5×10~(-8)Pa 的超高真空

KM3设备是一个容积为70m~3的大型空间模拟器。1993年将原来用油扩散泵作为主抽气泵的有油抽气系统改造成为用制冷机低温泵的无油抽气系统,并将系统的空载极限真空由9.3×10~(-7)Pa 提高到5×10~(-8)Pa。该系统不仅填补了国内新一代大型无油超高真空系统的空白,而且在国际上也属领先水平。在设计中采用了分压强的概念,深入分析了各种气体成分的影响,成功地解决了所遇到的一系列理论和实际问题,为今后无油系统的设计提供了经验。文中详细介绍了按系统内各种不同气体的分压来进行设计的方法和为获得超高真空所采取的主要技术措施。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

热真空试验

热真空试验(Thermal Vacuum Test)是在真空与一定温度条件下验证航天器及其组件各种性能与功能的试验,由冷浸、热浸与变温过程组成。其环境条件为真空度优于6.5×10-3Pa;具有冷黑背景,半球法向发射率大于     

大气密度对运载火箭飞行的qα max 精度影响及建模分析

基于运载火箭是在真实大气密度中飞行，本文以2017年8月1日-2019年7月31日高垂直分辨率探空资料为例，分析参考大气密度与真实大气密度、以及对应的 qα max 之间差异特征，最后建立订正模型，研究结果表明：1)密度偏差、相对偏差随高度变化特征与季节有关，有较明显的年内变化特征；2)qα max 偏差随时间呈现“M”字型变化特征，其值范围为-217.1721～219.0648 Pa·rad，平均值为-9.4684 Pa·rad，在(-20，0］区间范围内占有率最大(20.4110%)；3)qα max 偏差具有明显的年内变化、季节变化特征，在1-3月和11-12月为正偏差、4-10月为负偏差，春、夏、秋季均为负偏差，冬季为正偏差；4)利用多元线性回归建立订正模型能较好地提高参考大气密度得到的qα max 精度，其中，偏差由-36.1569 Pa·rad减少到-7.7012 Pa·rad、绝对差由49.3254 Pa·rad减小到 20.3244 Pa·rad，因此，在分析大气环境对运载火箭飞行影响时，应采用真实大气密度代替参考大气密度进行计算。     

卫星强磁场干扰分析

文章对IGSO/MEO卫星采用的400A·m~2的磁力矩器周围的磁场分布进行了计算分析,计算表明距400A·m~2磁力矩器头部10cm处,磁场达到6．9×10~(-3)T。同时对部组件在磁场较强的环境中可能受到的影响进行了理论分析,并利用螺线管产生的磁场对星用DC/DC模块进行了测试。测试表明,部件的磁性变化只与其所处磁场环境有关,而与时间无关。同时,变化的磁场会对部件的内阻产生一定的影响,引起输入电流的变化,该变化会对部件的寿命带来一定的影响。     

等离子体电弧激励器特性及减阻的仿真研究

设计了一种用于高超声速流动控制的等离子体直流电弧激励器,运用多物理场有限元方法对激励器的工作特性进行了数值模拟,得到了激励器准确热源分布和不同工况下电势、温度等的分布情况。其中,表面电弧激励器在电流7 A、阴阳极距离3.5 mm时在阴极表面最高能得到2.690 5×10~(10) W/m~3的热源值。运用有限体积方法对激励器的斜坡减阻效果进行了数值模拟,得到马赫数为7时总阻力系数最多减小32%的结论。