航天器多功能结构的研究现状及其应用前景

减轻航天器的质量是21世纪航空航天技术发展的战略目标之一，发展多功能结构是实现轻质化，降低成本的重要技术手段且为航天器的设计提供了一种新的方法。多功能结构的核心是传统的机箱、电缆和连接器被柔性系统取代，印制配线板等航空电子设备被缩减为多芯片模块，并运用协作工程学的方法，把电的功能和热控制功能集成到航天器的壁（板）结构中。本文对国外先进复合材料多功能结构的研究现状进行了总结和评述，阐述了多功能结构的概念，基本组成以及各种类型多功能结构的特点及适用范围，并对复合材料多功能结构的应用前景和有待解决的问题进行了讨论。     

空间高稳定碳/碳蜂窝夹层结构制备及性能

针对空间高稳定结构在极端环境下的灵敏度和稳定性需求，提出一种新型高稳定、高承载的轻质碳/碳(C/C)蜂窝夹层结构方案。碳/碳蜂窝夹层结构由化学气相渗透(CVI)致密化获得的整体碳/碳蜂窝和面板经胶粘剂粘接集成，通过评价蜂窝、面板以及夹层结构的内部质量、力学性能及热物理性能，展示了碳/碳蜂窝夹层结构在承载和尺度稳定性方面的优势。研究结果表明,典型特征碳/碳蜂窝承载性能稳定，平压强度＞10 MPa，L/W向剪切强度＞4 MPa，典型特征碳/碳蜂窝夹层结构热膨胀系数低，满足空间环境条件下面内热膨胀系数绝对值低于 1×10 -7 /℃的高稳定设计需求。     

一体化热防护技术现状和发展趋势

防隔热/承载一体化热防护的结构承载功能使其比传统热防护具有更高的结构效率。近年来,已经发展了波纹夹芯一体化热防护及改进方案、刚性隔热夹芯一体化热防护、多层级一体化热防护等多种一体化热防护概念。首先介绍了各方案的结构特征,分析了各方案的热短路效应和结构承载性能。阐述了一体化热防护等效性能分析与热力耦合响应高效分析方法。介绍了热力耦合约束下一体化热防护的结构尺寸优化与材料优选方法。论述了一体化热防护非确定性分析与设计方面的研究进展。在此基础上,总结了一体化热防护发展的特点和不足,探讨了一体化热防护的发展方向。     

航天器高稳定结构的热控设计及验证

高稳定结构对温度场的稳定性、均匀性有较高要求,为达到在轨温度场精稳控制,文章提出了一种基于高导热柔性材料的分区控温设计方法,采用面内导热系数达750W/(m·K)的柔性石墨材料,进行了二维均温扩热,增强结构自身导热能力,减小温度梯度;强化隔热设计,减小外部热扰动对温度场的影响。以某测绘卫星载荷适配结构为例,进行了分析及试验验证,结果表明:全生命周期内,载荷适配结构核心部件温度控制在20.0~24.5℃范围内,温度波动≤0.4℃,温度梯度≤4℃,同时验证了设计方法的正确性。该方法可为有高精度控温需求的部件的热设计提供参考。     

小型化GPS接收机

首先介绍小型化 GPS 接收机的设计思想、数字化、按功能分配集成芯片模块、射频,中频电路采用 MMIC,数字电路采用 VHSIC/VLSI 等。给出接收机的组成。然后讨论合成 MMIC 信号处理蕊片、多功能接口蕊片及数字处理芯片等。软件用 Ada 语言编写,文中列出软件的主要功能。     

气动加热与热响应耦合分析及试验研究

文章介绍了Ma（马赫数）＜6的飞行器典型部位的气动加热与热响应耦合分析及试验验证技术。气动加热计算模块采用的是工程算法,同时将其集成到自主开发的结构有限元三维温度场计算ASTSA软件平台上,实现了气动加热与热响应耦合分析功能。在结构地面热试验方面,成功研发了全方程热流密度PLC控制热模拟试验系统,并利用该系统进行了高速飞行器结构气动加热与热响应耦合地面模拟试验。试验与数值分析的结果对比显示,二者吻合较好,验证了本数值分析方法的正确性。     

卫星平台机热一体化设计探讨

针对卫星平台结构和热控分系统的设计需求,挖掘二者设计的结合点与耦合性,基于大系统多学科优化设计思想,突破现有"学科孤岛"式设计模式,探讨卫星平台的机热一体化设计。通过综合分析国内外集传热与承载于一体的多功能结构技术,以及高导热碳纤维复合材料的研究进展、应用现状与发展趋势,表明这些技术措施能够充分发挥结构与热控协同设计、融合效应最大化的优势,是实现卫星平台机热一体化设计的可行技术途径,其应用可显著提高卫星平台的承载与散热能力,有效降低卫星平台设计费效比,提升卫星平台的性能指标。     

压电陶瓷车削微量进给装置

本文主要介绍新研制成功的一种由微机控制的高精度压电陶瓷车削微量进给装置。文中着重介绍了它的设计思想、微位移原理和结构形式;并详细介绍了单片机的控制原理以及软件的模块与功能,还提供了本装置的实验结果和使用情况。     

一种多功能通信终端板的设计

在实验的基础上，采用无暂态锁相技术、相关码技术、ＡＤＭ转换技术，提出了一个用于微机与模拟电台接口的多功能通信终端板的设计方案。这种终端板能实现同时传时间、数据话音的功能。理论分析和实验结果证明了这种方案是可行的．     

大功率LED混光照明恒流驱动电路的设计

在分析了大功率LED混光照明中LED光源特性的基础上,提出了三色LED恒流驱动电路的设计方案。驱动电路分别采用升压和降压拓扑结构,利用具有PWM实时调光功能的RT8452作为驱动控制芯片,通过改变外接PWM占空比即可调节LED亮度。实验证明,此驱动电路工作可靠,效率高,实现简单。     

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.      

一种再入飞行器结构的热流载荷反演方法

提出了一种基于共轭梯度法的再入飞行器热流载荷反演方法.以一维结构为例验证反演方法的有效性,并分析了材料温变热物性参数和传感器测量误差对反演精度的影响;进而针对热防护结构和返回舱结构开展了热流载荷反演分析.结果表明:本文方法能有效地反演热防护结构和返回舱结构的热流载荷;考虑材料的温变热物性参数会使得反演过程存在非线性因素...     

重力条件对喷雾冷却换热特性影响的研究

喷雾冷却是一种高效的高热流密度散热方式,在空间热控领域具有重要的应用前景。本文基于液膜动力学、气泡动力学和传热学的基本原理,建立了描述微重力条件下喷雾冷却传热特性的理论模型。利用模型模拟的方法,对以水作为工质的微重力条件下喷雾冷却系统的被冷却表面温度分布、冷却曲线等因素进行了分析,分析结果显示:在单相区,重力条件对喷雾冷却的换热特性和表面温度分布不均匀性的影响较小;在两相区,由于微重力条件下气泡难以脱离等因素的影响,使得喷雾冷却的换热能力明显弱于常重力条件下的换热能力,并且被冷却表面的温度不均匀性增大。     

飞行器高热流密度长时间测试方法

为实现对飞行器高热流密度热流的长时间测量,文章提出了一种以与高导热金属蜂窝材料复合的相变材料作为热沉的热流计,利用相变材料的潜热持续吸收热流计所接收的热量,可以对1 MW·m-2的热流密度持续测量2000 s以上。利用显热容数值方法建立了高热流密度长时间持续测量的分析模型,研究了热沉相变材料的热导率、相变温度、相变潜热等物性参数对测量方案的影响。研究结果表明,应选取热导率较大、相变温度较低且高于初始环境温度,以及相变潜热较大的相变材料作为长时间高热流密度测量的热沉材料。     

相变材料深空控温技术研究

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,产品热流密度迅速增长,其抗热冲击散热问题成为制约产品设计的瓶颈问题之一.使用相变控温技术可以很好地解决该问题,且相变控温属于被动控温,可靠性很高,符合航天产品要求.以某VPX标准机箱扩热板结构为研究对象,提出相变材料与载荷产品结构复合一体化的相变控温装置设计方法.通过设计试验进...     

微纳卫星在轨温度场快速分析

微纳卫星低成本和方案快速迭代的特点,对其热控系统提出了简化、通用、快速设计等新要求。文章考察分析微纳卫星在热控系统设计方面所面临的困难和技术挑战,针对一般性椭圆地球轨道给出空间外热流随时间变化的计算方法;在此基础上,针对微纳卫星的结构和传热特点,提出整星热平衡方程对真近点角的连续积分方法和卫星温度场的多节点集总参数分析方法,并建立相应的数学模型,对微纳卫星算例进行计算分析和结果验证。结果表明,相对于传统商业软件网格划分建模的分析途径,该方法能对微纳卫星各主要部件的在轨温度变化进行快速建模和计算,可为微纳卫星热控系统的设计和优化提供便捷的初步评估手段。     

真空低温太阳辐照环境下的天线热变形测量技术

航天器结构在轨受到空间外热流影响而产生巨大温度梯度,将导致结构热致变形,为了保证有关地面模拟考核验证的有效性,必须对在轨外热流进行尽可能真实的模拟,同时采用高精度的热变形测量手段获取航天器的结构变形数据。文章介绍了一种热变形测试试验方法,系国内首次将太阳模拟器外热流模拟法和非接触摄影测量法结合应用在某天线的地面模拟热变形测试试验中,在真实模拟天线在轨温度分布的同时精确获取了天线上大量的点云变形数据。经数据比较分析,天线变形实测数据与在轨仿真分析一致,在1.5 m口径范围内的变形测量精度优于15 μm,验证了该测试试验方法的有效性,为航天器结构的在轨热效应模拟和测试评估提供了新的试验手段。     

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。     

辐射换热条件下空间薄壁圆管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对航天结构中常见的辐射换热条件下的空间薄壁圆管结构，构造了一种用于非线性瞬态温度计算的傅立叶－有限单元。圆管温度沿杆长用有限元离散，沿周向分布展成三角函数。圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度，并且在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在结构热变形分析时圆管单元节点上既承受温度轴力，又承受截面温差导致的热弯矩。采用这种单元对非线性换热条件下的复杂空间结构进行离散可以较准确地反映结构的温度场与热变形。经与前人的解析解和三维有限元结果的验证，证明该单元是可靠的。对太阳能帆板梁与空间抛物面天线的热－结构分析说明这种新单元的应用价值。     

多机并联火箭羽流流场及其底部热环境分析

For the problem that the plume flow field structure of a multi engine parallel rocket is complicated and the bottom thermal environment is extremely harsh, which may cause the failure of the engine structural components, the plume flow field and thermal environment at different altitudes are studied through numerical simulation. The result is compared with the measured results in flight which shows that when the rocket is flying at a low altitude, the plume of the engines do not interfere with each other. As the flight altitude increases, the plumes gradually expand and begin to interfere with each other, and finally there is an obvious backflow at the bottom of the rocket. The maximum heat flux at the moment of take off is basically the same as the measured value in flight. Before the backflow occurs, the heat flux mainly consists of radiant heat, the convective heat flow increases as the flight altitude grows, but it is also much smaller than the peak heat flow at takeoff. The result has certain guiding significance for the optimal design of engine structure thermal protection.