微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。     

通信卫星真空热试验测试电缆集中控温方法

为解决通信卫星真空热试验中有效载荷的部分测试电缆工作温度超出正常区间导致电缆相位特性发生极大跃变的问题,文章设计了一种新型电缆控温方法,实现了测试电缆在真空低温复杂环境下的集中控温。在某新一代通信卫星真空热试验中,应用该集中控温方法后测试电缆网的温度被严格控制在40℃±5℃,单根电缆沿路径的温度差异被控制在±3℃之内,满足了星上有效载荷的时序和相位要求,提高了地面测试的准确性。     

核热推进地面试验技术研究

核热推进具有比冲高、推力大等特点,在载人深空探测和星际货运任务上具有广阔应用前景。核热推进技术的研发需要进行大量地面试验。首先回顾了美国与俄罗斯的核热推进地面试验技术的发展,对地面试验技术进行分类总结。然后基于一种小型核火箭方案,研究了燃料元件非核试验、燃料元件辐照考验试验和带核整机地面试验等关键地面试验技术,并提出了初步试验方案。最后对我国核热推进地面试验的发展提出了一些建议。     

空间实验室尾部对接机构变轨期间热分析研究

根据辐射传热基本原理和计算对象的几何物理特点,采用节点热网络方法 ,提出空间实验室尾部变轨发动机组和对接机构组合系统的热分析数学模型。利用龙格-库 塔法,求得变轨飞行期间变轨发动机瞬态温度的变化历程和对接机构主体结构——对接框 架周向、轴向温度的变化规律,着重分析对接机构组件表面辐射特性εd、液体发动 机倾角β和间距R对对接机构温度分布的影响,指出两个高温发动机热辐射对尾部 对接机构造成的热影响范围,大致在周向角θ=90°±30°和θ=270°±
30°区域,最高温度位于对接框底部,其值介于30～90℃之间,温度随发射率的变化率
ΔT／Δεd≈96℃,表明发射率εd和发动机间距R是影响对接机构温度水平 的重要因素。热分析工作是提出并改进对接机构热控设计方案的技术依据,具有十分重要的 工程应用价值。     

宽范围热流密度丝状加热装置的设计仿真与试验研究

为满足航天器热试验对宽范围外热流模拟的需求，设计研发了一种“随形式”丝状加热装置。该套装置基于铠装加热丝设计，可根据产品不同的形状和表面状态加工，该套丝状加热装置理论上可实现20～1500 W/m2的宽范围热流密度的模拟；在真空低温条件下实际测试其稳态温度控制精度在±0.35 ℃以内，温度稳定性在±0.7 ℃以内，热流不均匀度优于2.5%。     

一体化星敏感器温度控制措施及试验验证

针对一体化有源像元(APS)星敏感器的高精度高稳定温度要求,文章提出了从热扰动源波动控制、热量传递路径设计和高精度温度控制参数选择3个方面对星敏感器进行热设计的方法。以太阳同步轨道卫星为例,针对(20±1)℃的温度及稳定度要求,对3台星敏感器集中布局的情况进行分析,最终达到了星敏感器接口温度波动在1℃以内的效果。同时,采用地面等效热平衡试验验证了该方法的有效性,可为后续卫星星敏感器热设计提供参考。     

液氧煤油发动机步进电机测控仪设计与应用

针对液氧煤油发动机在地面热试车过程中对工况变化和极限工况条件下工作性能的考核需求,提出采用集成一体化隔离技术的电机测控仪对流量调节器和燃料节流阀步进电机实施控制,并完成从电机检测、调节组件试验、发动机装配、热试车到交付出厂的测量和控制工作。研究过程采用定时器变频中断电机变速控制、PWM斩波细分驱动、多级中断嵌套和远距离测量等关键技术,解决了步进电机长距离、大驱动力矩下快速启停平稳控制要求,以及试车双路电机同时基下独立调节和角度同步测量,实现液氧煤油发动机试车过程推力和混合比稳定调节。400余次热试车及各项试验验证,电机控制频率偏差小于±2 Hz,角度控制精度小于±0.25°。     

硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为研究

钨合金作为轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,在工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。利用涂覆及真空烧结复合工艺在铌钨合金表面制备高温抗氧化涂层,研究硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为,包括涂层成型过程、高温抗氧化行为、高温抗热震行为及试车热冲刷行为等,试验结果为:涂层在1700℃下的氧化寿命为11±0.78 h,1800℃下的氧化寿命为5±0.46 h,1650℃~室温的水冷热震循环次数为124±9次,1600~800℃下的空冷热震循环次数为3410±124次,并且在热试车考核中涂层通过了长程10000 s的考核,分析硅化物涂层的性能和失效机制,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能。     

一种热沉调温的自动控制技术

某热真空试验设备热沉调温系统采用开式沸腾系统,能够使热沉温度在一定范围内可调,为产品试验提供一定的交变温度环境。测控系统通过PLC对调温系统设备的测量与控制,实现对热沉调温。副热沉温度稳定度约为±5℃,单点温度稳定度在±3℃之内,基本满足使用要求。     

用气氮调温系统实现火星表面昼夜温度模拟

为了实现修正火星探测器热模型,验证探测器在火星昼夜极端温度环境下的工作性能,需要在地面实现对火星温度变化的模拟。文章提出了通过气氮调温系统进行火星表面瞬态热环境模拟和温度控制的方法,目前已经实现150 Pa和1400 Pa低气压下-105～5℃的气体温度瞬态模拟,试验过程中与目标温度的最大温差不超过10℃,而且多个周期的重复性良好。     

嫦娥一号卫星热控设计中热管的应用及验证

为克服由于月球热环境的特殊性给热控设计带来的困难,尤其是卫星度过月食的极端状态条件,首次采用了舱外两舱热耦合热管、相变材料热管技术,为最终嫦娥一号卫星热控状态满足总体的技术要求发挥了关键作用。由于两舱热耦合技术的采用,两舱的热能量得到了相互补偿,因此减少了整星散热面,减少了热补偿功率需求,提高了月食结束时蓄电池的温度,使热控技术方案成为相对优化的方案。文章对热管技术在嫦娥一号卫星热控设计中的应用进行了总结,并给出了热分析及热平衡。     

基于MEMS的微槽冷却系统在微纳卫星热控中的应用

介绍了基于微机电一体化系统(MEMS)的微槽冷却系统的研究成果。分析了将微槽冷却系统用于微纳卫星热控设计时的特殊要求。讨论了表征微槽冷却系统性能的水力学系统和传热性能。理论分析和数值模拟结果表明,微槽冷却系统可使大热流密度的热源芯片温度维持在较低的范围内,能满足微纳卫星热控的要求。研究认为,压降和热阻均较小的深槽可在小泵功率时提供较优的传热性能。     

星上大功率电缆发热对热设计的影响分析

在目前的整星热设计中,通常不考虑电缆发热的影响,但随着设计实践的深入,发现在一些特定场合下,电缆发热对设计结果的影响十分明显,有时甚至是决定性的。文章以“海洋二号”卫星某大功率电缆为例,通过电缆所在舱段内设备温度计算结果与在轨实测数据的对比,分析了电缆发热对其所在舱段热设计结果的影响。并以此为基础,研究了电缆发热量与其带来的设计偏差之间的关系,提出了热设计中估算电缆发热对设备温度影响的方法,以及热设计中能否忽略电缆发热影响的判据。     

模块化热控技术及其在低轨卫星中的应用

Differently from traditional integration satellites, the modular satellites consist of several structurally independent modules and the heat dissipation is unevenly distributed, while the interface between modules should support repeatable connection separating. Therefore, the traditional thermal control design, which supports the independent heat dissipation of an integration satellite, cannot meet the thermal control requirements of the modular satellite. In this paper the modular thermal control technology is proposed. The carbon nanotube array on metal substrate is used as the thermal interface of the modules to realize the separable cross module heat transfer. The internal surface of structural panels is coated by graphene film to enhance the internal heat transfer in the modules with limited internal space. The smart thermal control coating is used at all the heat rejection surfaces to suppress the orbital heat flux variations. By using the technology, the thermal connection of the assembly and reconstruction system is built and the synergistic heat dissipation of the whole satellite is achieved. As to validate the proposed technology, the finite element model of the circular low earth orbit satellite is established and the in orbit temperature in the extreme working conditions is simulated. The result indicates that the modular thermal control technology proposed in this paper can satisfy the thermal control demand of the modular satellite.      

倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析

倾斜轨道卫星星敏感器空间外热流复杂多变,同时兼具内功率集中、热容小等特点,这为星敏感器的热设计带来了很大的困难。文章以某临界倾角轨道卫星星敏感器热设计为背景,在详细外热流分析的基础上,提出了一种倾斜轨道星敏感器热设计方案,利用热分析软件Thermal Desktop对此热控系统进行了具体的热分析。星敏感器在轨遥测温度在-19.8^-5.1℃之间,满足温度指标要求,表明星敏感器热设计合理、有效,可为今后倾斜轨道星敏感器热设计提供设计依据。在此基础上,文章利用在轨遥测数据对星敏感器热分析模型进行修正,得出入轨初期星表主要热控涂层退化约为50%的结果,这对于分析近地轨道卫星在轨温度具有一定的参考意义。     

太阳同步轨道卫星热控分系统分析及优化

定义地心日照轨道坐标系,并在此坐标系下简化卫星与地球相对位置的复杂计算,以及卫星轨道外热流分析过程中相关角度的计算,使轨道外热流的分析仿真更加快速、简洁。以正六棱柱形卫星为例,建立热网络模型,对其表面在一圈轨道内所受的轨道外热流进行仿真,并结合仿真结果计算进出地影区时卫星内部的温度。在此基础上,建立以热控分系统多层隔热材料质量最小化为目标的优化问题;在满足高低温工况卫星内部温度在-10～＋35℃范围内的约束下,对多层隔热材料厚度和散热窗大小进行了优化。     

星外快旋部件的热设计方法

文章分析了星外快旋部件的热设计特点和难点,包括整体散热能力较小、热管工作条件苛刻、散热面外热流复杂、加热回路资源有限等多个方面;结合HY-2卫星散射计探测头部和辐射计探测头部的热设计方案,描述了星外快旋部件的热设计方法和热设计要点;最后对散射计探测头部和辐射计探测头部,采用"机-电-热"一体化的设计方法,得出了合理可行的星外快旋部件的热设计方案。     

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。     

倾斜轨道卫星组合式散热面优化设计方法

提出一种基于传统被动热控设计思路的组合式散热面优化设计方法,通过优化散热面布局和合理利用空间外热流,实现热控系统热量合理分配,优化热控系统研制流程。以某卫星的优化设计实践为例,基于该方法建立的简化模型可以快速地确定散热面的布局和比例,并减小热控系统质量,表明该设计方法合理、可行。     

某卫星真空热试验中一些新要求的解决措施

某卫星在进行真空热试验时,对热流提出了三个方面的新要求：(1)对某些热流要求较低的加热区的加热笼进行修改,提高其低热流实现能力;(2)减小支架漏热;(3)实时计算设计热流和实际热流的周期积分偏差。由于修改时的约束条件较多,新的要求的满足非常困难。经过努力,最终解决了这些问题,通过对某些加热笼采取加热带双面涂黑漆的方法,实现了低热流;经过计算和针对性的设计,支架漏热不超过0．1188W;同时实现了设计热流与实际热流周期积分偏差的实时计算。