太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析

研究太阳电池对平流层飞艇驻空阶段热特性的影响。建立了太阳电池热模型、平流层飞艇热分析模型，包括热平衡方程、太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、蒙皮长波辐射、对流换热等；采用多节点模型，对平流层飞艇在驻空期间太阳电池、蒙皮与艇内氦气温度变化过程进行了数值模拟，得到了温度昼夜变化规律；分析了太阳电池（含隔热结构）的等效面积热阻、转换效率、铺装面积对平流层飞艇热特性的影响，得到了其温度昼夜变化规律。本文为平流层飞艇热性能分析和热控系统设计提供依据。     

平流层飞艇太阳电池阵发电功率计算及分析

针对圆柱曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了计算其发电功率的解析表达式;针对任意曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了一种准确方便的数值计算方法。针对飞艇通常采用的旋转对称组合椭球外形,提出了一种近似解析计算方法,将该解析计算方法和数值计算方法的计算结果进行比较后发现,近似解析方法日发电量计算结果精度可达0.1％,可以替代精确数值方法用于飞艇太阳能系统的设计和分析。最后,对平流层飞艇太阳能电池阵发电功率特性进行了详细分析,得到了平流层飞艇运行的季节、纬度、姿态、电池阵形状和安装位置等因素对其发电功率特性的影响规律。结果表明,以上因素与太阳电池阵面积和光电转化效率一样会对飞艇太阳电池发电功率造成重大影响。     

真空环境对防静电热控涂层导电性能的影响

文章通过试验研究了近紫外辐照前后的真空环境对防静电热控涂层的电学性能影响,探讨了真空环境对防静电热控涂层电学性能影响的机理,给出了地面模拟试验过程中关于数据分析的建议。研究发现:真空环境将引起防静电热控涂层的表面电阻率降低、导电性能增强,而氧空位的增加和吸附氧的释放则是其表面电阻率降低的主要原因。     

空间用太阳电池红外干涉截止滤光技术研究

对太阳电池红外干涉截止滤光技术进行了研究。根据玻璃盖片透射率和反射率对电池性能的影响,提出了一种[LMHML]膜系红外截止滤光片设计构型。对制备的滤光片性能进行了测试,结果表明:采用该滤光技术可使硅太阳电池在轨工作温度降低5~10℃,输出功率增加1.4%~3.3%。     

变温环境下固体药柱的温度应力分析

为研究外界环境对固体火箭发动机性能的影响,基于推进剂药柱的热粘弹性模型,利用有限元方法对变温环境下的药柱温度应力进行了分析,研究了外界环境不同起始温度、不同升（降）温速率对药柱温度应力的影响,确定了某星型药柱内部的应力危险点。结果表明,外界环境升温导致发动机药柱内部应力下降,初期应力下降缓慢,后期应力下降较快;降温过程导致应力增加,初期增加缓慢,后期增加较快;起始温度、升（降）温速率对药柱危险点温度应力都有较大的影响,但后者的影响更为显著。不管外界环境是持续升温还是持续降温,都应该注意固体火箭发动机在贮存和使用中的“环境保护”。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

平流层飞艇热仿真初步探讨

结合平流层的环境条件和平流层飞艇的特点,文章详细分析了影响飞艇热平衡的基本热源和换热途径,建立了平流层飞艇的传热数学模型,给出了飞艇内表面冷热部分相互之间的辐射换热模型,在此基础上,对于某概念飞艇进行了仿真分析,得出了蒙皮热点、蒙皮冷点以及艇内气体的温度,为进一步开展平流层飞艇的热分析奠定基础。     

平流层飞艇热仿真初步探讨

结合平流层的环境条件和平流层飞艇的特点，文章详细分析了影响飞艇热平衡的基本热源和换热途径，建立了平流层飞艇的传热数学模型，给出了飞艇内表面冷热部分相互之间的辐射换热模型，在此基础上，对于某概念飞艇进行了仿真分析，得出了蒙皮热点、蒙皮冷点以及艇内气体的温度，为进一步开展平流层飞艇的热分析奠定基础。     

月球表面热环境数值分析

月球表面热环境的研究对探月活动有重要意义,本文用数值方法分析了月球表面的热环境.首先计算了不同纬度地区地表辐射平衡温度的周期波动,然后建立了月球地表土壤的一维非稳态热传导模型,用此模型计算了不同纬度地区地表温度的波动、月壤温度的波动及恒温层温度和深度,并讨论了月壤热物性对温度波动的影响.结果表明白天的地表温度主要取决于地表的辐射平衡温度,而夜晚的地表温度受到月壤热物性的影响.     

模拟平流层环境的加载试验风洞测试与控制系统设计

根据模拟平流层环境加载试验风洞的设计要求,对其测试与控制系统进行了设计。通过搭建风洞控制子系统、数据采集子系统和安全与报警子系统,实现了对试验风洞中的设备开关、压力、温度和风速等的精确控制,同时具有系统运行各项参数的实时采集和记录、故障处理以及自动报警等功能。测试结果表明,系统的各项参数控制精度高,压力偏差小于0.2 kPa、温度波动小于1.5 ℃,模拟平流层环境加载试验风洞运行稳定、安全可靠。     

空间闭式布雷顿循环旁路调节特性分析

闭式布雷顿循环是未来空间大功率热电转换的有效途径,而旁路调节是实现系统快速功率调节和转速控制的有效手段。通过对标美国普罗米修斯计划中的热电转换系统参数,进行了涡轮、压气机的气动设计和换热器性能计算,获得了包括组件特性、管道布局的热电转换系统动态仿真模型。基于该动态模型,对旁通阀不同响应时间、开度对系统功率、转速和循环温度、压力等参数影响进行仿真研究。空间闭式布雷顿循环系统在旁通阀开启后,系统功率和转速快速下降,其中功率出现了超调现象;循环高压侧压力下降且低压侧压力上升;回热器热侧入口温度增加而冷侧入口温度下降,热应力进一步提高。系统容积的提高,在一定程度上可以降低系统对旁通阀调节的敏感性。     

临近空间飞艇保形升空过程热运动特性研究

为了掌握双气囊临近空间飞艇升空过程中因保形需要而导致的复杂的热运动特性，文章建立了飞艇升空过程中的热平衡模型与运动模型，对某双气囊飞艇的保形升空过程进行仿真研究，获得了临近空间飞艇升空过程中轨迹与温度的变化规律。结果表明：临近空间飞艇保形升空时，升空速度呈现先降低后升高的变化趋势；受升空过程中氦气囊膨胀对外做功的影响，内部气体“过冷”现象明显，“过冷”最高可达20K；当飞艇升至驻空高度附近时，内部气体温度快速上升；受净浮力影响，飞艇的升空时间与充气质量呈反比；受夏至日太阳辐射投影面积的影响，飞艇升空过程中俯仰角越大，虽然阻力系数减小，但辐射得热降低，造成整体升空时间增加；气囊超压设置越大，飞艇升空时间越长。研究成果对临近空间飞艇的升空与运行控制具有一定的指导作用。     

临近空间飞艇电源系统新型拓扑结构研究

针对临近空间飞艇高压载荷的需求,文章研究了飞艇高压动力母线控制电路的拓扑结构,提出更高效、更实用的高压拓扑控制电路,设计了三电平电压变换拓扑结构,可有效减小元器件电压应力,解决高压动力母线带来的问题,提高系统的效率和可靠性。实验表明,三电平电压变换拓扑结构适用于高输入和高输出电压中大功率的应用场合,能够满足临近空间飞艇电源系统的需求。     

SIMULATION OF A THERMAL SOLAR POWER PLANT OPERATING ON MARS UNDER CLEAR SKY AND DUST STORM CONDITIONS

The power plant analyzed in this work consists of a selective solar collector–thermal engine combination. The paper focuses on solar power plant operation under various weather conditions during all seasons on Mars. Meteorological data measured at Viking Landers (VL) sites were used in computations. Two strategies to collect solar radiation were analyzed: a solar horizontal (H) collector and a solar collector whose tilt and orientation are continuously adjusted to keep the receiving surface perpendicular to Sun rays (P). Both a low and a high efficiency thermal engine were considered. All the computations were performed for a selective solar flat-plate collector similar in size to the Mars Pathfinder's Sojourner. Results show that generally the influence of latitude on performance is important. In some situations, the meteorological effects compensate the latitudinal effects and the output power is quite similar at both VL1 and VL2 sites. In case a low-efficiency engine is coupled to a horizontal collector, the solar efficiency does not exceed 0.13 at VL2 site. It is lower during summer and higher during winter dust storms. In case the low-efficiency engine is coupled to a P collector, the solar efficiency increases during summer. The solar efficiency is as high as 0.18 in case of a horizontal collector attached to a high-efficiency engine. If the high-efficiency thermal engine is connected to a P collector the solar efficiency increases significantly during summer and spring but does not exceed 0.18. The power provided by a system consisting of a horizontal collector and a low-efficiency engine does not exceed 7 W. Using a high engine coupled to a horizontal collector leads to a power output up to 13 W during spring, autumn and winter. The P collector is recommended mainly during summer and spring in combination with high-efficiency engines. In this case the solar efficiency could be as high as 25 W. The performance of PV cell power systems and properly designed dynamic solar power plants operating on Mars is comparable.     

基于深度学习的多步预测方法在太阳风速度预测上的应用

为对近地环境太阳风状况进行可靠预测,引入基于深度学习的多步预测方法来预测在太阳与地球之间的拉格朗日点1（L1）处距离输入观测数据序列未来24、48、72、96 h的太阳风速度。采用SDO的图像数据提取冕洞面积等特征信息,并从NASA OMNIWEB数据集提取其他输入特征,形成多变量的时序数据作为太阳风速度预测的输入信息,输出未来某时刻附近几个小时的太阳风速度。预测过程中分别采用单一LSTM模型、编解码器LSTM模型和CNN-LSTM编解码器模型3种深度学习预测模型作为基模型,融合多步输出端数据进行对比分析。实验表明,多步预测相较于单步输出预测,对未来24、48、72、96 h的太阳风速度预测的相关系数和精度均有所提高,其中单一LSTM模型对于未来24 h太阳风速度的多步预测结果最佳——与观测数据的相关系数为0.789,均方根误差为62.469 km/s,平均绝对误差为46.476 km/s。     

月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案,通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向等方案的计算结果。计算表明,当帆板不对日定向时其背面包覆隔热材料对其温度场及电能输出无明显影响,对日定向时帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板顶面与背面的温差减小。     

三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

采用1 315 nm波长连续激光,在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池,通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据,研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm~2、辐照时间为60 s时,三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著,转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下,引起电池串联电阻(R_s)、并联电阻(R_(sh))的恶化,且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。     

新型大尺度空间微波功率发射阵列的考虑

以空间太阳能电站为应用代表的微波功率传输系统中,微波功率发射阵列是其中的核心组成部分。为保证特定传输距离限制下的波束收集效率,目前国际上多种空间太阳能电站方案中收发天线口径都达到了km级以上。在空间构建大尺度的微波功率发射有源相控阵,面临的主要问题有：发射阵列电性能的高要求、发射阵列折叠状态的总体积限制、大功率发射阵列的热控问题。针对这些问题,文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列的一些研究及设计考虑,主要包括大尺度阵列同源分发倍频的频率分配方案;高效率高集成功率发射组件技术;大尺度阵列相位同步与误差自校正技术;低剖面天线结构及型面误差补偿技术;大型天线3D打印在轨建造方案设想以及空间微波功率发射阵列热控新思路等。文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列3个方面的6个主要问题,可为空间太阳能电站系统提供可优化、开放性的设计与发展思路。     

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。     

月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案。通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向的计算结果。计算表明:当帆板不对日定向时,其背面包覆隔热材料对其温度及电能输出无明显影响;对日定向时,帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板正面与背面的温差减小。