运载火箭柔性防热材料隔热性能的试验研究

为获知运载火箭二级飞行段尾舱用柔性热防护材料的隔热性能,设计了热真空试验方案,采用石英灯加热器模拟辐射热源,在真空罐内开展了辐射热环境下材料隔热性能的试验研究,得到防热材料内外表层温度测点在20 kW/m2热流下保持800 s时间的试验数据;分析不同材料(组合)的隔热性能及其差异产生的原因,给出辐射热环境下热防护结构的选材建议。在本试验工况下,2层玻璃纤维带+2层硅橡胶布+2层镀铝薄膜的组合可使其内部温度降低到192℃,低于电缆正常工作上限(200℃),满足防热要求。试验结果可为今后的运载火箭在大气层飞行段内的防热设计提供参考。     

空间在轨环境下的30 cm离子推力器三栅极组件间距变化仿真分析

采用有限元仿真(FEM)与地面热平衡试验验证相结合的方法，计算并模拟了30 cm离子推力器处于在轨环境时，有、无主动热控对三栅极相对位移变化造成的影响，并对目前离子推力器设置的工作启动流程可能造成的打火风险进行了预估。结果显示：三栅极组件的热形变方向均为法向方向，且栅极中心区域的间距最小；在 -269 ℃ 在轨极限环境温度下，推力器在5 kW工作模式下温度平衡后的屏栅与加速栅最大热态间距为0.14 mm，加速栅和减速栅则已发生贴合；在受太阳辐照以及卫星帆板恒温边界的影响下，栅面最低初始温度为-102 ℃；当推力器主动热控保证温控点为20 ℃时，栅面最低启动温度为-25 ℃，且推力器工作8000 s后，屏栅与加速栅、加速栅与减速栅的最小间距分别稳定在0.25 mm和0.20 mm；当推力器主动热控保证温控点为50 ℃时，推力器工作9000 s后，屏栅与加速栅、加速栅和减速栅最小间距分别稳定在0.31 mm和0.30 mm，能够满足0.25 mm的栅极安全打火间距要求。     

80 mN霍尔推力器空心阴极寿命试验

我国的多个GEO卫星平台即将采用电推进系统完成轨道保持任务,其中比冲为1 600s的80 mN霍尔推力器是国际公认的最适合完成该项任务的推力器,也是目前国外卫星和深空探测器应用最广的电推力器.为满足15年GEO卫星寿命要求,80 mN霍尔推力器必须达到7500h和8 000次点火的寿命指标.空心阴极作为霍尔推力器的重要组件,其寿命和点火次数必须达到相应的指标.为此,上海空间推进研究所开展了80 mN霍尔推力器空心阴极的寿命试验,试验采用模拟推力器阳极的三极管工作方式进行.截止2013年8月上旬,试验件1完成10 322 h寿命试验（含4 549次点火）,试验件2完成24 248次加热器热循环试验.空心阴极的寿命已经达到任务要求,两个试验件的放电电压、触持极电压和点火时间等性能指标变化很小,目前试验还在持续进行中.     

离子推力器热真空试验研究

为了验证离子推力器的空间环境适应性,对离子推力器进行了热真空试验研究,确定了热真空试验的温度。试验结果表明:离子推力器在热真空环境中,启动和工作正常,性能稳定,满足空间环境要求。     

星上控温策略的地面模拟与验证

为充分验证卫星在轨温度控制策略的适用性和效果,针对航天器在轨温度控制的特点及方式,提出一种在地面模拟星上控温策略的方法。该方法包含:设计开发一套适用于航天器真空热试验的星上控温模拟系统及基于比例开关控制算法的星上控温模拟软件;采用并行驱动技术实现单个控温时间片为1 s的时间控制精度,工况稳定后温度控制误差不超过±0.3℃。该方法已成功应用于某型号卫星真空热试验过程,系统配置灵活、操作简单、控温周期短、控温精度高,实现了星上控温策略的有效验证。     

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℃。     

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。     

霍尔推力器工作性能数值模拟研究

为了模拟霍尔推力器推力、比冲等工作性能,采用粒子网格单元与蒙特卡洛相结合(PIC/MCC)方法,建立了霍尔推力器二维轴对称模型。模型中电子和离子均采用粒子描述,中性原子为背景气体,自洽电势通过求解泊松方程获得。跟踪推力器出口处离开的离子数量、轴向速度等信息,通过统计计算得到推力器的推力、比冲。以LHT100推力器为研究对象,针对不同的工作参数(阳极流量在4.6~5.4 mg/s,阳极电压在280~320 V之间)共进行了9种工况数值模拟,并进行试验对比验证,模拟结果与试验测试结果均较好吻合,最大误差小于10%。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

航天器组件可靠性试验温度测控技术

文章针对航天器组件试验过程中温度场不均匀和单一控温点难以全面控制组件温度的问题,研究了试验箱内温度场的均匀性分布,组件不同部位在箱内的温度分布规律以及影响这种分布的因素。通过温度测控试验方法的研究,配合所研制的多路温度测控系统,确定了组件试验过程中温度控制点的选取方法,解决了热试验中组件局部温度失控问题,提高了组件的试验安全性和试验质量。     

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。     

热真空试验中产品控温方法研究及其效果验证

为降低真空环境下产品的控温风险，以热真空试验的控温系统为研究对象，分析串级PID温度控制原理，在串级PID控制算法基础上进行多分区及参数自整定，提出一种适用于大滞后性系统的产品控温方法。试验验证结果表明，应用此控温方法对某卫星功率放大器热真空试验进行控温，实现了较高的精度（达到±0.5 ℃）和较小的超调量（仅0.7 ℃），升、降温速率≥1.5 ℃/mm。     

月球着陆环境模拟试验装置的研制

伽马关机敏感器是保证月球着陆器稳定着陆的重要设备,在发射前,须在模拟环境中进行准确的标定测试。月球着陆环境模拟试验装置则是为伽马关机敏感器的准确标定提供试验环境的重要装置。月球着陆环境模拟试验装置由真空容器、真空获得系统、三维着陆模拟系统、模拟月壤环境、场景监视系统以及测控系统组成。该试验装置不仅可以用于伽马关机敏感器的标定试验,而且能够用于月球着陆器的着陆模拟试验。     

空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验

对某天文卫星的可见光望远镜载荷CCD焦面工作温度需求进行了分析计算。为满足CCD焦面 -65℃ 的工作温度需求,设计了主动制冷焦面结构。采用有限元方法分析了工作温度下热电制冷器和导热胶产生的热应力,结果表明热电制冷器最大应力为14Mpa,导热胶最大剪切应力为1.2Mpa,均处于许用安全应力内。研制的焦面组件模拟件顺利通过了真空热试验,验证了焦面组件的制冷性能与安全性。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

0.1 kW微波等离子体推力器的试验与数值研究

主要对0.1 kW微波等离子体推力器进行了地面试验和数值模拟研究。试验研究分析了影响推力器效率的因素;数值研究通过采用SIMPLE方法求解了N-S方程和采用FDTD方法求解了M axwell方程,分析了影响谐振腔内等离子体参数的因素。结果表明,微波功率、工质种类和质量流率是影响谐振腔效率的主要因素,而等离子体参数则主要受微波功率的影响。     

航天器密封舱真空热试验用压控系统设计与实现

带有密封舱段的航天器在进行真空热试验时,经常需要对密封舱内压力进行调节控制。压控系统具有泄压、复压、稳压功能,可以实现密封舱内压力调控的目的。文章详细介绍了某型号真空热试验用密封舱压控系统的结构原理及设计方法,同时解决了真空低温环境下真空管路的隔热与密封难题。通过模拟测试对系统主要指标进行了验证,结果表明系统能够满足试验要求。     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。     

肼催化分解产物电弧推力器的实验研究

电弧加热发动机以肼为推进剂不仅可与肼化学推进有高度兼容性,而且可作为在肼化学推力器后以电热增强方式来增大其比冲,因此肼催化分解产物在电弧推力器中的工作性能研究就显得尤为重要.在真空环境下,分别采用氮气、氨气及氮氨氢混合气体(模拟肼的分解产物)和预加热混合气体作为推进剂,系统地测试了电弧推力器在不同工况下的性能参数.对比了不同单一工质对推力器性能的影响,并分析了模拟肼分解产物混合工质的性能变化,比较了混合工质成份变化和改变预热温度对发动机性能的影响,最终得到了混合工质成份变化对发动机性能影响的规律.     

星外管路多层隔热组件热参数确定方法

提出了利用整星热平衡试验数据确定星外管路多层组件热参数的方法,解决了以往星外管路热设计在地面热试验验证不充分的难题。以某卫星星外管路为例,通过对星外管路试验状态模型的修正,确定了星外管路多层隔热组件热参数,并分析了星外管路的在轨极端温度。根据确定的星外管路多层隔热组件热参数计算出的星外管路温度,与在轨温度数据符合较好,验证了此方法的有效性。