新型空间双模式核热推进系统热力学性能研究

基于再膨胀布雷顿回热循环,提出了一种新型空间双模式核热推进系统方案。针对使用氦作为工质的情况,对该推进系统发电模式下的性能进行了分析计算,获得了循环增温比和增压比以及再膨胀分配系数对发电模式循环性能的影响规律。结果表明:在同样设计参数下,此循环效率高于基本布雷顿回热循环,散热器面积小于基本布雷顿回热循环。循环增温比的增加会提高此循环效率,增压比的增加则会降低循环效率。对再膨胀分配系数的分析计算表明,在循环增压比分别为3和6的条件下,循环效率在膨胀分级比为0. 83和1. 05左右达到最大值。随着循环增压比的增大,循环输出功率最大值对应的分配系数也逐渐从左极值向右移动。此循环作为空间核热推进系统发电模式的循环方案,可以有效减小航天器的体积和重量。     

空间用太阳能热动力发电装置热力参数优化计算

介绍了空间用太阳能热动力发电装置的结构、特点及其应用前景，并以１０ｋＷ闭式布雷顿循环太阳能热动力发电装置为对象，重点对以系统总质量和总当量阻力面积最小为目标 参数进行优化计算。计算结果为此类发电装置提供了选取涡轮压比，压气机入口温度等参数的方法。     

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。     

滑跃式高超音速巡航飞行器设计初步研究

在分析国外滑跃式高超音速巡航飞行器的发展现状基础上,提出了高超音速巡航飞行器的概念设计,对滑跃式高超音速巡航飞行器总体方案提出了设想。选择乘波构型建立了滑跃式高超音速巡航飞行器的气动布局,采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析。由结果可见,建立的气动布局可满足总体方案设想中飞行任务要求。对滑跃式高超音速巡航飞行器的动力技术进行了初步研究,分析了采用火箭基组合循环发动机(RBCC)方案所需的燃料消耗。由初步分析计算结果可见,对于Ma≈10的滑跃式高超音速巡航飞行器,采用RBCC作为推进系统,可满足总体方案的技术要求。     

400 kW空间堆布雷顿循环系统运行特性分析

针对百千瓦级大功率航天任务需求,基于Simulink平台开展空间核反应堆直接布雷顿循环系统特性分析研究。根据直接布雷顿循环反应堆系统设计方案,通过对系统中各个关键设备的模块化建模,开发反应堆系统一维系统分析程序,实现了反应堆系统稳态及动态响应特性分析。重点分析了稳态特性、阶跃引入反应性、反应堆升功率和持续步进引入反应性等瞬态工况下的动态特性。相关模拟结果能够为未来大功率空间反应堆运行及安全特性分析提供支撑。     

天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池内部温度场仿真分析与验证

建立了氢镍蓄电池温度场热仿真模型,模拟氢镍蓄电池放电过程的温度。实测结果表明仿真计算值与实测结果一致性较佳,两者温差最大仅0．7℃,验证了热仿真模型的有效性。用该仿真模型对天宫一号（TG-1）目标飞行器40A·h氢镍蓄电池进行了热设计优化,根据优化结果研制了相应的电池。对电池内部温度的测试结果表明其内部最大温差约5℃,...     

临近空间飞行器起落架收放系统建模与分析

临近空间飞行器起落架系统经历的工作环境较常规航空器更加恶劣。为全面分析临近空间飞行器起落架收放系统可行性,文章采用多体动力学仿真软件(Adams)和多学科协同仿真软件(AMESim)联合仿真方法对起落架收放过程进行分析,建立临近空间飞行器前起落架收放机构及液压系统的虚拟样机模型,分析了收放系统的工作性能。分析结果表明:联合仿真模型与理论计算的活塞杆驱动输出力峰值一致,模型准确可靠。文章在模型基础上分析了温度、节流孔直径、液压缸泄漏及液压油含气量等因素对收放系统性能的影响,结果表明:温度、节流孔直径、液压缸泄漏及液压油含气量等因素对收放系统性能均有不同程度的影响。分析结果对起落架收放系统的后续设计优化、可靠性评估和维修提供一定的借鉴。     

飞行器系统参数变化对章动过程的影响分析

研究小卫星发射过程中最末级使用旋转固体火箭发动机时飞行器系统参数变化对其章动效果的影响。考虑了推进剂质量变化引起系统的能量耗散,在欧拉动力学方程的基础上,引入了由于飞行器系统质量变化引起的角动量变化率,得到了飞行器系统的角速度方程与章动方程。把实际飞行器工作过程的参数代入所推导的方程,得到了飞行器的章动放大过程,同时得到了飞行器系统参数变化对章动放大过程的影响规律。计算结果可为飞行器系统的设计提供指导。     

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。     

细长型飞行器双台随机振动试验虚拟试验技术研究

用虚拟激励法、逆虚拟激励法和模态叠加法,建立了方阵控制下的细长型飞行器双台随机振动试验的虚拟仿真程序。对某细长型飞行器双台随机振动试验的试验值与仿真结果进行了比较,试验结果与计算值能较好吻合,验证了计算方法及仿真程序的正确性。在仿真程序中添加循环比较算法,计算出激振位置与控制测点位置最优的组合方案,使试件各部位的振动加速度响应谱型与参考谱型更接近,实现了试验方案优化。     

核反应堆空间应用研究

对美国、俄罗斯等国家的核反应堆空间应用进行了研究。其中包括:美国最早研究的SNAP-8系列,可提供多种组合输出的SP-100布雷顿能量系统,应用于火星表面的核反应堆MSR系统等;俄罗斯和日本在月球表面或火星表面应用的核反应堆。重点对空间核反应堆的堆型、堆芯冷却方式、热电转换方式、废热排放方式、辐射屏蔽模式等进行比对分析。结合月球基地能源系统的应用背景,对实现核反应堆空间应用需要解决的关键技术进行了分析,如发射安全技术、无人自主管理技术、空间低重力环境适应性及辐射防护技术等,可为我国未来空间探测任务的能源系统研究提供借鉴和参考。     

Net electric power of concentrating solar mirror systems for application in space as a function of the distance to the sun

The use of solar radiation by means of concentrating solar mirror systems, such as parabolic and spheric configurations, mainly is an engineering problem. A decisive characteristic for the optimisation of a complete system with turboelectric power conversion is the thermal cycle applied. Besides the Carnot process, here taken up into the study as an ideal comparative process, suitable processes for the technological realisation are the Brayton process and the Rankine process. The Brayton process is a typical gas turbine process using only the gaseous phase. The Rankine process is a steam engine process using liquid and gaseous phase.The work in hand shows how such solar systems with turboelectric conversion are optimised with respect to their specific weight (kg/kW_e) and how the distance to the sun as well as technological data enter into the analysis.As expected, the Carnot cycle as an ideal comparative process for both types of systems shows the best results for the optimum specific mass of the system. Regarding the real processes, the Rankine cycle shows more favourable characteristics than the Brayton cycle. The difference of the specific masses of the real processes mainly results from the different thermal conditions at the radiator.The influence of the distance to the sun is as expected. The nearer to the sun the solar power system operates, the better is the optimum specific mass of the system. For distances to the sun between 0.3 and 1.0 AU the spheric system shows a better behaviour than the parabolic system. For distances to the sun greater than 2.0 AU the parabolic system shows better behaviour of the specific weight. In the region between 1 and 2 AU the better optimum specific mass of the system belongs to the technological data used in the analysis.     

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。     

兆瓦级探月火箭空间核电源系统设计与性能研究

针对目前空间核电源在深空探测领域功率不足的问题，结合热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的发电方式，提出一种新型空间核电源。计算堆芯有效增殖因子、功率峰值因子、冷却剂空泡系数和停堆深度等安全性参数，并通过分析接收极功函数和碱金属热电转换系统电流密度等性能参数。之后，对比耦合发电系统与原热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的效率，发现新型耦合发电系统发电效率分别较另两种发电系统提高约6％和约10％。最后建立动态模型进行分析，确保核电源可以稳定运行，为大功率核电源设计提供理论依据。     

空间核动力平台电力管理系统的设计

空间核动力平台是一种全新的电源推进一体化航天器,其电力系统具有三相交流输出、工况多且复杂、母线电压体制多等特点。为了解决空间核动力平台负载供电诸多难题,通过对系统功能、负载类型、母线体制、组成配置、工作模式、控制机制等方面论证分析,提出了一种新型空间核动力平台电力管理系统架构。其中,变配电系统从硬件实现角度解决了基于布雷顿热电转换系统输出为负载稳态供电问题,自主控制系统从软件控制角度解决了主能源、辅助能源等多能源间流动控制以及负载暂态匹配问题,这为未来空间核动力平台电力管理系统研究工作奠定了基础。     

空间太阳能发电和微波与电离层相互作用

本文第一部分研究了空间太阳能热发电，基于所提的评价动力系统的准则，比较了三种热力学系统，并给出了一些参数变化对闭式回热Ｂｒａｙｔｏｎ循环系统的影响，本文第二部分对微波速对电离层中电子的加速和受热进行了数值研究，得出了一些结果。     

碲化铋基温差发电模块输出功率优化试验研究

同位素温差发电器在深空探测活动中具有广泛的应用背景。为优选温差发电模块构型、提高输出功率,制备了具有不同热电元件厚度的碲化铋基温差发电模块;并通过建立的试验测试系统,测量了不同温差条件下发电模块的输出功率和匹配负载随热电元件厚度的变化。试验结果表明,在所研究的热电元件厚度范围内,随着热电元件厚度的减小,模块的输出功率呈线性增大趋势,而匹配负载则呈线性减小趋势。在热源温度478 K、热沉温度300 K的条件下,测得热电元件厚度为1.0 mm的模块的最大输出功率达到约8.2 W,最大功率面积比约为0.52 W·cm-2。     

法向发身率测量仪

本文给出了在大气温度下测量物质表面法向发射率的原理、装置结构及测试结果。这个装置是由黑体,样品腔和辐射计(接收元件)构成。法向发射率是由在相同温度下样品产生的热电势EMF与黑体产生的热电势EMFo之比来度量的。最后,对误差进行了讨论。     

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。