液氢温区直接节流制冷新流程热力学分析

低温制冷机是液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。节流制冷机无低温运动部件,具备系统简单和可连续制冷等优点。本文提出了液氢温区直接节流制冷新流程,拟采用回热式制冷机或者液氢储罐排气冷量为其提供32 K以下的预冷量,有潜力实现快速降温和高效制冷。采用热力学方法对于给定液氢温区10 W的制冷量要求,以等温压缩功为优化目标对该制冷机进行优化。分析得到了优化等温压缩功及其对应的优化高压压力和预冷量与预冷温度之间的变化关系。结果表明:当预冷温度低于32 K时,直接节流制冷机在优化工况下运行时与典型节流制冷机性能接近,但其结构得到简化,稳定性高且制冷机降温初期无需旁通。     

空间红外天文望远镜低温制冷技术综述

空间红外天文观测对于研究行星、恒星、星系以及宇宙的起源具有重要意义,空间红外天文观测载荷代表了一个国家空间红外遥感载荷技术的最高水平。文章对现有的空间低温制冷方式进行了分析总结,介绍了各种低温制冷方式的特点、技术成熟度及适用温度范围。文章对典型空间红外天文望远镜（HST、IRTS、SIRTF、ASTRO-F、Herschel、WISE、JWST）的低温制冷技术进行了研究与总结,介绍了先进空间红外天文望远镜的制冷系统指标参数、制冷方案,总结了空间红外天文望远镜制冷系统发展规律与发展趋势,为中国空间红外低温制冷技术的发展提出了几点建议。     

制冷控制软件通用化关键技术研究

制冷控制器是用来驱动和控制机械制冷机的电子学产品,通过控制机械制冷机来保障探测器的工作温度,使探测器获得稳定可靠的探测性能。随着红外探测技术以及低温光学技术的持续发展,制冷控制器的需求逐年增多,另外伴随着制冷技术的日趋成熟,制冷控制器的组成及功能需求相对固定,性能需求逐步收敛。在这一背景下进行制冷控制软件的通用化研究工作很有必要。通过对机械制冷机类型及其特点、制冷控制器的组成及工作原理以及制冷控制系统的功能需求进行分析,并对现有制冷控制软件通信协议、总线接口等技术状态进行梳理,给出了通用化制冷控制软件的软件架构、模块划分。为适应不同用户需求,同时建立了软件可复用构件库,考虑了不同类型制冷机对控制软件的需求的差异性设计。利用通用化软件架构实现了4台制冷控制器软件的研制,软件功能和性能均满足用户需求,提高了研制效率,减少了研制成本,证明了软件通用化研制模式的可行性。     

应用混合工质制冷技术的环模设备

在-80℃的热真空环境模拟试验采用混合工质制冷的环模设备能克服液氮制冷的不足。文章提出了环模设备混合工质制冷系统的方案,介绍了混合工质制冷技术的流程、性能,提供了采用混合工质制冷的部组件的环模设备的调试结果。结果表明该设备各系统运行稳定、可靠,满足热真空试验要求。     

国外调温热沉研究现状及技术发展

调温热沉是开展相关空间环境模拟试验的必备技术手段。文章探讨了调温热沉在空间环境试验中应用的优点、前景及必要性;通过对国外调温热沉的研究应用情况进行总结,分析了调温热沉的一些主要设备及技术要求,包括高低温泵与风机、液氮换热器和液氮喷射器、电加热器等,还介绍了各种制冷技术的原理和适用范围以及导热液性能要求。最后对我国开展调温热沉研制工作提出了建议。     

真空羽流试验设备的负压液氮系统设计

真空羽流试验设备用于发动机真空羽流效应试验研究,同时兼顾卫星等热真空试验,对液氮系统有特殊要求。针对低至70 K液氮温度需求,设计一种全新的负压液氮系统,即利用液氮在负压下具有比常压液氮更低的饱和温度,来获得比常压液氮系统更低的液氮温度。该负压液氮系统主要由液氮输送子系统、常压过冷器子系统、负压抽气子系统、液氮泵子系统、热沉子系统及排放子系统组成,其中常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成"负压过冷器",具有常压过冷器功能,供液温度可调,可为热沉提供70~77 K液氮制冷,满足发动机羽流及卫星热真空试验需求。     

热真空试验设备复叠制冷系统

卫星部组件热真空试验设备制冷系统提供试验设备的冷黑环境。文章介绍了复叠制冷系统的工艺流程和系统组成,说明了制冷系统的性能特点。为了满足试验设备的长寿命性能,对复叠制冷系统进行了可靠性设计。复叠制冷系统可以应用于卫星部组件热真空试验设备、高低温试验箱以及医用低温箱等。     

浙江大学金滔教授来北京卫星环境工程研究所开展技术交流

6月27日上午,浙江大学制冷与低温所金滔教授应邀来北京卫星环境工程研究所进行学术交流,讲座主题围绕低温技术最新研究及其在航天领域的应用。金滔教授长期致力于低温制冷机、低温传热、低温工程等方面的研究,其带领的课题组的部分研究成果在国际上具有先进水平。     

“高分四号”卫星凝视相机脉冲管制冷机

"高分四号"卫星凝视相机采用国产长寿命脉冲管制冷机冷却红外焦平面探测器,是中国长寿命脉冲管制冷机首次在轨业务应用。文章介绍了该长寿命脉冲管制冷机的特点、主要技术指标、可靠性控制措施,同时介绍了中国科学院理化技术研究所基于"高分四号"卫星凝视相机脉冲管制冷机研制的新一代脉冲管制冷机的情况。"高分四号"卫星上的脉冲管制冷机采用理化所独立研制的高效率压缩机。该压缩机采用永磁电机动圈结构、板弹簧支撑,电机中永磁场最高磁场强度达到1.1T。脉冲管冷指采用同轴布置。整机制冷性能为3W/80K,最大输入功率小于80W,整机质量小于6kg。脉冲管制冷机已在轨连续开机超过半年,性能未见衰减。     

真空热环境试验新型不锈钢结构热沉 加工工艺研究

热沉是空间环境模拟真空热试验设备的重要组成部分,其功能是为航天器进行真空热试验提供冷黑环境。在国内以往的空间环境模拟试验设备中,热沉多采用铝结构、铜结构或不锈钢-铜翅片结构。不锈钢热沉是新型的热沉结构形式,具有良好的真空低温性能。文章对不锈钢板式热沉的结构和加工工艺进行了研究探索,在经过大量焊接加工与试验分析的基础上,总结出一套不锈钢热沉的加工工艺技术。     

吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估方法

吸热型碳氢燃料作为吸气式高超声速飞行器的再生冷却剂,冷却剂出口温度可达到750℃以上。碳氢燃料的冷却能力和抗结焦特性指标,是再生冷却剂的关键参数。在工程应用参数范围内,建立了吸热型碳氢燃料再生冷却性能综合评估体系,实现燃料热沉、结焦和流动传热性能的综合评估。燃料热沉采用热平衡法测量。作为参考:燃料温度600℃,热沉约2.0 MJ/kg;燃料温度750℃,热沉约3.5 MJ/kg。结焦采用层流流动阻力法进行定量测量,应用泊肃叶定律计算碳氢燃料结焦前后通道的当量内径,从而得到通道内结焦层的平均厚度。流动换热性能的评估方法是比较相同出口流体温度条件下不同燃料壁面温度沿轴向的分布趋势。以上吸热型碳氢燃料评估方法的建立,为研制吸热型碳氢燃料提供了有效的初步筛选途径。     

低气压温控设备的舱内环境温度影响因素分析

低气压温控设备用于模拟临近空间低气压和高低温环境,低气压环境的温度场控制是低气压温控设备的关键指标,也是设计难点。文章首先通过Fluent软件对无风扇扰动的低气压舱中的环境温度进行数值仿真,研究热沉开孔对舱内环境温度的影响;在低气压舱模型中增加风扇模型,分析强制换热对低气压舱内环境温度的影响。通过在低气压温控设备中进行的无强制对流的温度控制试验,研究此时空间温度的降温速率、试验舱压力和舱内试件工装对舱内环境温度的影响。数值计算和试验研究结果表明,热沉开孔、扰动风扇、试验舱压力和试件工装均对低气压舱内环境温度有影响,在低气压温控设备的研制中,需综合考虑上述因素。     

流速及进出液口形式对板式热沉换热性能影响

热沉的换热性能直接影响空间冷环境的模拟效果。文章通过建立不锈钢板式热沉的几何结构模型,利用流体力学理论和有限元方法对板式热沉换热性能进行数值模拟。湍流计算采用RNG模型的k-ε方程,压力–速度耦合计算采用Simple算法,得到热沉壁面温度分布及换热特性参数,同时分析流速及进出口形式对热沉壁面温度均匀性及换热性能的影响。结果表明:较小的流速会导致热沉壁面温度均匀性变差,而流速的增加可以提高热沉的换热效率,但又会增加流体的压力损失。为保证热沉壁面温度分布均匀,需在综合考虑传热和阻力问题的基础上来确定最优的入口流速。当热沉有效尺寸较小时,则进出口布置形式不会影响板式热沉壁面温度的均匀性。     

复合相变热沉在电子设备热管理中的应用

某些特殊电子设备的短时高功耗运行往往会引起急剧温升,进而导致设备失效。文章采用膨胀石墨/高碳醇复合相变材料(PCM)作为热沉,针对某高功耗模块进行了散热仿真,并与传统铝热沉进行了对比,结果表明无主动散热平台下PCM热沉显著优于铝热沉。同工况温箱实验进一步验证相变热沉散热特性,并与仿真结果进行对比,结果表明实验结果与仿真结果具有一致的温度变化趋势,但由于相变温度范围的差异导致不同时间段温升速率不同。分析了二者的差异及原因,为严酷条件下应用相变材料进行热设计和热管理提供参考。     

喷雾冷却系统启动性能的实验研究

喷雾冷却系统是典型的两相回路系统,其正常工作的前提是顺利启动。为了研究喷雾冷却系统的运行特性和性能,搭建了闭式喷雾冷却实验台并开展了相关研究,系统中的关键部件为齿轮泵、喷嘴、加热器和冷凝器等。实验中对喷雾腔内的液滴聚集现象进行了观察,动态测量了系统沿程的压力和温度分布。通过对实验结果的分析归纳出了影响系统启动和运行的关键因素,给出泵、热沉和加热器启动的合理顺序以及启动前喷雾腔内液体积聚状态对启动性能的影响。     

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。     

不锈钢板式热沉液压胀形工艺参数仿真分析

不锈钢板式热沉具有低温性能好、生产周期短、生产成本低等特点,已经广泛应用于国外航天器环境模拟试验设备中,是热沉发展的新趋势.为掌握不锈钢板式热沉的加工工艺,建立不锈钢热沉液压胀形有限元分析模型,研究滚弯预成形工序、边界压紧力和焊点布局等工艺参数对热沉位移分布、应变分布和厚度分布的影响,以及焊点布局、胀形压力对流道高度和...     

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理，优化其运行参数，针对节流装置，建立了热力学模型，讨论了节流过程中状态参数的变化规律，对比了单相气体、单相液体节流的性能特性，进一步揭示了焦汤节流效应的原理，分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响，并结合TVS实际应用，阐述了节流最大制冷量的利用效果，提出了优化的TVS工作区间。研究表明：在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著；而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后，由于空化吸热导致流体温度降低，对于液氢，0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流，节流前压力对节流过程影响可忽略，〖JP2〗而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用；对于液氢在在轨运行工况下，考虑到节流制冷量的充分利用，同时保证换热过程体积含气率不高于90%，推荐TVS系统中节流背压范围为75～143 kPa。     

金属氢化物冷源传热传质分析

为了验证冷源系统是否能满足出舱航天服的需要，本文针对一套开放式金属氢化物冷源系统，建立数学模型，对其制冷和再生阶段的传热传质过程进行了分析。研究结果表明，金属氢化物热泵能够满足宇航员出舱活动中的散热要求，其体积与水升化器相当，质量损失小，并且能够通过控制反应床的压力调节出口水温，可控性良好，而在返回舱内后，调节冷却水流量，反应压比，可以使氢化物在30min内再生。