碳基复合相变装置及在大热耗单机温控中的应用

碳基复合相变装置以高导热碳基复合相变材料为主要储能和导热载体,利用高导热膨胀石墨强化导热,运用相变材料的潜热实现热量的削峰填谷,可有效抑制短时大热耗单机的温升,减少单机非工作时段所需的补偿功耗,节省卫星的重量资源和功耗资源。主要介绍了一种高导热碳基复合相变装置,结合复合相变装置与卫星结构板优化的综合散热系统,用于解决星载短时工作的大热耗单机温度控制问题。通过理论计算与热仿真分析相结合,对复合相变装置进行了优化设计;通过开展专项试验对复合相变装置的热性能和空间环境适应性进行了充分验证;并在整星真空热平衡试验中,验证了复合相变装置对大热耗单机的温度控制效果。     

航天器热控分系统对材料的需求分析

航天器热控分系统所使用的材料对于完成其任务具有重要的作用。文章介绍了航天器热控分系统对材料的要求以及应用情况,重点讨论了空间环境对热控材料的各种影响,并根据航天器总体和热控技术的发展需求,指出未来热控材料应重点发展高性能的导热和隔热材料、智能型热控涂层和新型功能型热控材料。     

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。     

固-液相变装置传热性能数值计算研究

卫星内安装的某些设备在轨长期工作时要求维持较恒定的温度,特别是热容较小的设备受外热流影响温度波动会比较大,文章在传统热控设计的基础上增加了相变装置,利用焓法建立了设备、蜂窝板、相变装置统一的控制方程,研究了空间环境下相变装置的热性能。结果表明:采用相变装置有助于提高散热面的等温性,同时能够有效降低设备的温度波动范围,为航天器内设备的热控设计提供了一定依据。     

高精度伞状天线热设计优化及热平衡试验验证

高精度伞状天线温度场影响天线在轨运行型面精度,而天线肋组件作为天线型面保持最重要的部件,其热控设计合理性对保证天线在轨正常工作尤为关键。通过对天线肋组件采取保温、加热设计,在热控实施过程中控制影响漏热的主要因素,使得天线肋温度满足在轨使用要求,通过整机热平衡试验验证了天线肋热设计的合理性。     

星载有源组件复合相变材料相变控温性能研究

为研究添加纳米粒子的复合相变材料应用与星载有源设备相变控温时的控温性能,采用了数值仿真的方式,使用ANASYS软件比较分析了硬脂醇改性石墨烯/正十八烷石蜡复合相变材料与纯正十八烷石蜡相变材料的相变控温性能。结果表明,在短时间控温时复合相变材料具有一定优势,同时在有源组件非工作时间散热时,复合相变材料可以在更短时间内将工作时间吸收的热量全部散去,恢复初始状态速度比纯正十八烷石蜡快14.1%,因此添加硬脂醇改性石墨烯纳米粒子的复合相变材料可以作为提升相变控温装置整体性能的一种有效辅助手段;同时针对与其他主要导热能力提升手段相结合后的控温性能进行了对比分析,复合相变材料可以起到提高控温装置性能的作用,可以与其他方式进行有效的结合。     

微小卫星高分辨率相机CCD焦面组件热控制

为了保证微小卫星高分辨率遥感器相机的成像品质，需控制焦面组件的温度水平及温度稳定性，特别是焦面CCD光学探测器件的温度控制。首先提出以相变储能与超低刚度柔性导热索相结合的焦面组件精密热控方法，对相变储能装置与石墨柔性导热索的设计及参数选取进行详细介绍；然后，建立焦面组件的热仿真模型并进行温度计算；最后，在真空环境下进行了热试验。计算与试验结果表明，焦面CCD器件长期温度为15～18.5℃，工作温升速率为0.33℃/min，具有良好的温度水平与温度稳定性；热控补偿功率≤4.8 W，约为焦面组件发热功率的1/10，可节省卫星能源消耗，验证了焦面组件热控制方法的正确性。     

热防护系统分区协调耦合推进方法

提出一种适用于热防护系统(TPS)热控性能研究的分区协调耦合推进方法，其中采用有限体积法(FVM)进行气动热分析，FVM空间离散采用NND格式，而结构传热采用有限元法(FEM)进行分析，且在耦合面采用基于控制面的双向映射插值方法进行数据传递。进行了圆管算例分析，2 s时刻驻点处温度计算值与试验值相对误差为4.95%。研究了空天飞行器头锥TPS的热控性能，非耦合方法获得的防热瓦和应变隔离垫(SIP)最高温度分别比耦合结果高114.4 K和32.6 K，这是由于非耦合方法未考虑壁面温度升高对气动热的反馈作用，而耦合方法充分考虑了此影响。采用高热辐射率的涂层、低导热系数和较厚的防热瓦能有效提高热防护系统的隔热性能和降低主动冷却系统的功率和重量，而防热瓦最高温度对其导热系数和厚度不敏感。     

相变材料在航天器上的应用

随着航天技术的发展,航天器内部仪器设备的功耗和热流密度不断增大,给航天器热控设计带来新的困难,但为相变材料的应用提供了机遇。文章针对相变材料在相变过程中具有温度恒定、没有运动部件等特点,重点介绍了相变材料分类、特性及其在航天器热控设计中的应用,分析了相变材料在工程应用中面临的问题,给出了相变材料在航天器热控技术上应用的发展方向。     

一种测量浇注弹性体材料导热系数的改性方法

最近,威尔金斯和阿什报导了一种用来测量浇注弹性体材料(如橡胶)导热系数的装置。从己进行的少量试验来看,数据的重现性很好(标准偏差为2.5%)但测得的导热系数比报导的标准值大约高出5%。他们指出,末端热损失是造成误差的原因。所以,为了确定末端损失修正系数,对试验装置作了改进。随后,用改进的装置进行了试验,测得了新的导热系数值,并把它和报导的标准值进行了比较。从本文报导的试验结果和介绍的装置,可以看出,本装置是测量橡胶绝热层或固体推进剂这类浇注弹性体材料导热系数的一种实用而经济的方法。     

基于石墨烯强化传热的微小飞行器热控设计

文章针对微小飞行器电子设备高度集成化带来的热控风险，以某微小飞行器为研究对象，在分析其轨道参数和结构性能的基础上，提出采取不同厚度的石墨烯导热层等温强化传热的热控设计方案；通过热分析软件建立飞行器在轨状态的热模型，仿真计算飞行器在高温和低温工况下的外热流及不同厚度的石墨烯导热层方案下的瞬态温度分布，并对结果进行对比分析。结果表明，采取石墨烯导热层等温强化传热的热控方案可明显降低微小飞行器内部单机的温差，解决高低温工况下单机温度波动较大的问题。同时，通过实验方法验证了利用石墨烯导热层实现微小飞行器等温化的可行性。     

高效相变蓄热装置结构设计及试验研究

文章针对某飞行器舱内大功率设备控温需求,提出了相变蓄热技术解决方案,建立了平板式肋片强化相变蓄热装置物理模型,根据大功率伺服舵机控制器热耗及工作模式等参数条件,采用十八烷为相变吸热材料,设计了一台高效平板式肋片相变蓄热装置,并通过地面试验研究,验证了该装置的控温性能、稳定性及等温性。试验结果表明:所设计的肋片式高效相变蓄热装置,在120 W热源功率下,可以将设备温度控制在50℃以下超过3000 s;榫槽形式的封装结构具有良好的密封性能,相变蓄热装置在多次相变循环后无泄漏;在3000 s测试时间内相变装置内部最大温差为3℃,具有很好的等温性。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

空间站空空支架天线热设计与仿真分析

为研究核心舱飞行姿态、空间外热流、核心舱发动机羽流参数以及天线外表面热控涂层对空间站空空支架天线温度的综合影响,验证天线被动热控设计的有效性,进行了2种低温工况和6种高温工况的热分析。结果显示:低温工况下,通信天线惯性飞行时的最低温度低于正向飞行时的;展开臂多层表面最低温度为-85 ℃,满足温控指标。高温工况下,通信天线惯性飞行时的温度高于正向飞行时的;轨控发动机的羽流热效应大于偏航发动机的。通信天线内外表面均喷涂ACR-1温控白漆,1倍轨控发动机羽流热流密度时,最高温度为123 ℃,可满足实际使用要求。     

高精度星敏感器热设计研究及仿真验证

为实现某高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用,对该星敏感器的热设计进行了分析研究,并选取典型的高温工况和低温工况进行讨论。基于热网络模型对高温工况和低温工况计算及仿真分析,提出了星敏感器与卫星舱体在导热和隔热2种安装情况下的热控措施。分析结果表明:当星敏感器导热安装时,将安装面温度控制在-15～0℃,在其外表面包覆多层隔热组件,可使整机温度适宜;当星敏感器隔热安装时,在其盖板外表面喷涂热控白漆,将遮光罩与盒体隔热安装,设置用于温度补偿的电加热片,将安装面温度控制在-60～-30℃。     

Al2O3型碳/陶功能梯度材料烧蚀试验研究

Al2O3型影陶功能梯度材料作为一种新型喷管热防护材料，其具有导热系数较低及良好的隔热性能。在氧乙炔烧蚀试验条件下该材料有很好的耐烧蚀性，但由于发动机内的工作环境更为恶劣，为了更好地反映材料在固体火箭发动机中的烧蚀情况，该研究工作采用了试验发动机进行烧蚀试验。结果表明，试验发动机中获得的烧蚀率数据高于氧乙炔试验数据。文中在试验基础上分析了Al2O3型影陶功能梯度材料在发动机工作条件下的烧蚀性能及导热性能。     

静止轨道实孔径微波天线主反热控方案研究

为减小静止轨道高频率、大口径微波天线热变形,提高天线的指向精度,对国内外天线主反射材料和热控方案进行了分析,发现其材料较一致选用碳纤维蒙皮/碳纤维蜂窝夹层,主反表面涂覆合适吸发比的真空沉积铝(VDA)/Al2O3(SiOx)涂层,一方面保证天线电性能对反射率大于99.8%的需求,另一方面使天线整面在轨温度梯度和波动较小。建立口径5m天线的热仿真模型,分析了三种不同吸发比涂层的天线在不同典型工况下的温度场分布,结果表明采用涂层吸发比0.2/0.2的主反热变形较小。以碳纤维材料为基体,用真空蒸镀沉积的方法在其表面镀制不同厚度的银层和二氧化硅层,制备出吸发比约0.2/0.2的VDA/SiO2热控涂层,可用于形状较复杂的曲面,且涂层的发射率随保护层厚度可调,显著提高了热控设计的灵活性。     

气体循环热控技术在卫星热设计中的应用

简要概述了气体循环对流主动热控技术在卫星热控设计中的应用，然后结合卫星热控设计，对该设计方法进行理论分析，从理论上定性阐释应用该设计方法时，影响卫星热控设计的主要参数，如星外表涂层，卫星内部接触热阻和导热热阻，星内对流换热系数等，然后对卫星进行热试验，验证热控设计，并得出相应经验数据。     

原子氧对航天器热控材料影响试验研究

原子氧对航天器热控材料的影响是航天器热控设计必须考虑的因素之一。文章对航天器舱外常用热控涂层和外用复合膜两类材料进行了地面原子氧及原子氧+远紫外辐照试验,试验获取了不同原子氧积分通量下涂层和复合膜的影响数据,并对热控材料实施部位性能退化的关系进行了分析,研究结果将为航天器热控设计与分析提供数据支持。     

含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势，设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS)，并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明，在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载，改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件，通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能，并以结构参数为设计变量，隔热和承载性能要求为约束条件，实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计，优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。