载人航天器热管理技术发展综述

载人航天器热管理是一种新的设计理念,针对大型载人航天器的特殊情况,从系统层面,主要通过流体回路和对流通风,完成航天器的热量收集、传输、利用和排散。文章介绍了国内外载人航天器热管理技术发展现状及方向,提出未来我国载人航天器热管理技术的发展方向。[     

飞船单相流体回路热设计

单相流体回路热控技术在国外载人航天器上普遍得到使用,也是发展我国载人航天器必须解决的关键技术之一。本文概要论述了飞船单相流体回路热控设计有关问题,包括控温方法、泵的性能参数确定、冷板热设计、液液换热器热设计、辐射器热设计等,给出了相应的设计方法和实际在轨运行结果。     

与流体回路耦合的空间辐射器流动/传热分析

流体回路作为一种主动热控技术,在载人航天器及空间站上发挥着重要的作用。作为航天器的对外散热界面,辐射器与流体回路之间往往存在直接热耦合关系。在进行简单理论分析的基础上,针对载人飞船的圆筒形辐射器,实现了流体回路与辐射器流动/传热及外热流计算的集成分析,反映了典型工况条件下辐射器的温度水平及外热流对流体回路流量分配和控温过程的影响。     

载人航天器主动热控制系统流体回路的优化设计

载人航天器一般采用主动热控制技术为主的热控制系统,废热的排散主要通过泵驱动单相流体回路。分析了主动热控制系统的主要设计任务,如系统方案、工质的选择、回路部件的选型、系统参数的确定、控制算法等;提出了主动热控制系统方案及参数选择应满足适应性要求、安全性要求、可靠性要求以及经济性要求,指出主动热控制系统的设计是一个以系统总体质量最小为目标的约束优化问题,并讨论了优化设计的思路与实现流程。最后基于一个具体的设计案例对设计方法进行了验证。     

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。     

卫星用两种单相流体回路方案对比研究

单相流体回路系统是航天器主动热控技术中的一种重要方式。文章概述了流体回路的工作原理及理论基础，总结了单相流体回路的设计思路，结合某卫星型号，设计了两种流体回路方案，在SINDA／FLUINT中建立数值仿真模型进行分析计算，并比较了两种方案的应用性能。结果显示，将单相流体回路系统应用于卫星，可取得较好的控温效果。     

航天器热控单相流体回路水击效应仿真研究

针对航天器单相流体回路水击效应对设备及管路的危害,文章基于特征线法提出了水击效应仿真的数学模型,建立相关边界条件和数值计算方法,对一种含并联支路的单相流体回路在阀门闭合工况进行了瞬态水击仿真分析,得到了阀门动作与水击效应之间的关系和规律。分析表明:回路中阀门关闭的顺序与时间间隔会引起不同程度的水击。为此,提出流体回路先关闭上游或先开启下游阀门、同时增大阀门动作的间隔时间以抑制水击风险的方法,可为航天器单相流体回路可靠性设计提供参考。     

单相流体回路控温算法建模与仿真分析

针对我国新的载人航天器在控制密封舱空气温湿度同时,要精确控制流体回路上电池等大热耗设备温度的需求,文章给出了航天器单相流体回路的PID控制、模糊增量控制和专家控制算法,解决了控温点前存在大热容和大热耗设备的流体回路控温问题。新的单相流体回路控温算法的提出和应用,可以有效简化流体回路复杂程度,减少10%的热控质量和功耗。     

单相流体回路地面试验研究

为了对流体回路系统设计参数确定提供指导,通过地面试验方法,研究了低温和外界环境变化时单相流体回路的阻力特性、工质补偿、控温算法等。介绍了地面试验系统的组成、试验方法和相关试验结果,并重点对外界环境突变时的控温结果、控温目标点与控温装置作用点分离时的控温震荡以及低温下补偿器的补偿能力测试结果进行了分析。试验结果表明,在外界环境剧烈变化时会出现温度过冲,过冲可达到10 oC;此外,由于控温点和控温装置作用点的分离引起的相位差,会导致系统控温失败。这些结果对载人航天器流体回路的泵、换热器设计以及工作状态分析具有一定的参考作用。     

载人航天器热控分系统噪声控制

随着载人航天器越来越复杂,热控分系统所用到的高速旋转设备越来越多,所产生的噪声将影响航天员的身体健康,因此载人航天器的噪声控制非常迫切。文章通过热控分系统的布局设计以及单机设备的降噪优化等措施,找到了有效降低整个载人航天器热控分系统噪声水平的方法,可供类似的载人航天项目的热控设计参考。     

CCD组件的热分析和热试验

CCD组件是CCD相机能否传输高质量图片的关键 ,其对工作环境温度的要求非常严格 ,过高或过低的环境温度都会降低其光电转换的能力 ;同时 ,其自身的温度波动过大更会产生热噪声 ,从而使相机的分辨率降低。文章采用NEVADA和SINDA热分析软件计算分析了用电加热功率补偿来保持CCD片温度水平并减小CCD片温度波动的设计方法的可行性 ,得出了几种不同功率补偿方案对CCD组件温度波动的影响。并通过一个热平衡模拟试验验证了热分析的正确性     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

真空热试验中材料放气的放气量及其导热问题

材料放气是真空热试验中常见的现象,文章分析了材料放气的过程和机理,给出了计算放气量的两种方法.对于平缓的材料出气过程,从气体扩散的角度,利用费克第二定律求解得到了平板材料模型的气体浓度分布,并由此计算出放气量;对于短时间内的剧烈放气过程,是根据放气后的抽气试验数据拟合出抽气曲线,以此反算放气量的大小.文章最后还分析了由于放气而引起的低压气体导热过程,为真空热试验中的相关问题提供了理论分析依据.     

对地探测航天器舷窗热门技术的应用与传热简析

针对舷窗热门的应用背景进行了概述,以首次在我国某型号卫星上应用的舷窗热门为例,介绍了对地探测舷窗热门的典型结构设计和热设计。当热门处于不同的工作状态时,分别对舷窗玻璃和热门盖板建立微分方程,利用数值方法进行求解,并将求解结果与试验结果进行比较。由分析可知,采用舷窗热门可以有效降低空间恶劣热环境对于舷窗玻璃温度场的影响。     

临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法

对临近空间飞行器所处空间独特的热环境及其热控过程的特殊性进行 分析讨论。针对临近空间飞行器热设计过程的关键环节、有效载荷的散热方式和散热效果, 进行实例分析及计算比较,结合飞行器内部有效载荷和能源系统的功耗情况与热控要求,提 出一套飞行器的热设计流程,建立相应的临近空间飞行器热设计模型。本文旨在建立临近空 间飞行器的热设计方法,提升临近空间飞行器的热管理水平。
     

高温燃气热环境加热特性的试验方法研究

简述了利用高温燃气流引射常温空气对近空间高超声速飞行器头锥部件进行地面热环 境模拟的实验方法,试验段高温燃气流引射常温空气使飞行器头锥部件达到驻点附近区域高 温而其余蒙皮表面低温的高超声速气动热分布特点。应用CFD计算流体力学软件FLUENT对试 验段头锥试件表面的流动加热特性进行了数值分析,得到了高温燃气引射常温空气在不同试 验设计条件下试件表面温度分布特点。数值模拟计算结果与飞行器在高超声速飞行状态下对 应机体部位气动热的理论计算值进行对比,证实利用高温燃气进行热环境模拟的方法是可行 的,为相关的热环境地面模拟设备方案论证提供依据。
     

基于热平衡试验的某空间相机热光学集成分析

为研究某空间相机温度场变化对光学系统性能的影响,利用该空间相机热平衡试验温度测试结果,开展了相机光机主体的热光学集成分析,并依次完成了相机温度场反演、热变形分析、光学系统性能分析,以及热光学分析结果同试验测试结果的对比。结果表明：温度是影响该相机光学系统性能的主要因素之一;将光机主体温度控制在设计值能够最大程度上减小热变形对于相机光学系统性能的影响;而当光机主体温度发生变化时,热变形会使得相机焦面偏离初始焦面位置,因此需要对相机进行合理的温控设计并配合焦面调焦来满足在轨成像的需要。     

一种航天器热平衡试验温度稳定判据确定方法

针对典型航天器热控设计与传热过程特点,建立了设备与舱体动态耦合换热集总参数模型。提出了一种基于热时间常数的航天器热平衡试验温度稳定判据确定方法,给出了双节点耦合换热型航天器系统的热时间常数定义,建立了热平衡温差与温度变化率的对应关系。提出了基于Levenberg-Marquardt最小二乘法温度曲线拟合的热时间常数实时修正方法,该实时修正方法可用于多节点耦合换热航天器热平衡温度稳定判据确定。讨论了目前广泛采用的航天器热平衡试验温度稳定判据的适用性,研究结果可用于指导航天器热平衡试验中温度稳定判据确定。     

星载行波管电源的热设计及热分析

文章对一种国产的、用于星上行波管电源所存在的热问题进行了讨论,分析了影响设备内部温度水平的关键因素,基于机、电、热一体化的思想提出了热设计方案,并通过计算机辅助技术,对方案进行了热分析仿真验证。     

卫星系统热特性分析

考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响,建立卫星温度场计算模型,在采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)法求解卫星复杂辐射边界条件的基础上,利用有限容积法对卫星在轨飞行阶段的瞬态温度场进行数值模拟,计算得到卫星瞬态温度场,并考虑其表面自身辐射及空间轨道外热流等因素,建立卫星红外辐射通量计算模型,计算得到不同时刻、不同热载荷情况下的卫星红外辐射通量分布,并简要分析了在轨卫星热控涂层衰减所带来的表面太阳吸收比的变化对卫星温度场的影响。