航天多功能热控材料及结构研究进展

热控材料与结构是航天热控系统的重要组成部分,直接关系到所承载的电子元器件的可靠性和安全性,进而决定其工作状态和使用寿命。电子元器件在服役过程中产生的热量会导致热控问题,而工程中航天热控系统的设计大多数停留在热管与蜂窝集成上。近年来陆续发展了智能热控材料、高导热复合材料、隔/防热材料、被动热控结构、主动热控结构、智能热控结构等一些关于热控材料和热控结构的新概念。在此基础上,本文将与热控有关的最新研究成果进行总结和分析,展望了航天多功能热控材料与结构的发展方向。     

气动热试验中稳态热流测量技术研究

高超声速飞行器热防护系统防热结构、防热材料的地面防热试验研究中，模型表面热流大小是关键参数之一。介绍了防热试验研究中瞬态热流测量技术，详细分析和论述了将红外热图测试技术和水卡量热计测试技术相结合，利用动态换热平衡和能量守恒原理实现防热试验中稳态热流测量的基本理论和测试方法，并给出初步试验结果。该技术的建立，为地面防热材料筛选和材料防热机理研究提供了有效、可行的测试手段。     

纤维增强复合材料宏细观传热分析

利用有限元单胞方法,通过对复合材料结构进行多尺度建模,分析了复合材料的传热性能,讨论了不同因素对于复合材料热传导性能的影响。首先采用有限元单胞法获得单层板的热物理性能,再根据具体铺层次序获得多层板的热物理性能,最后针对一种实际使用的航天复合材料支架结构进行了防热和承载能力的计算和试验。结果表明,复合材料单层板的热传导性能呈各向异性,沿纤维方向的热导系数与纤维体积比呈线性关系,垂直纤维方向的热导系数与体积比呈非线性关系,计算结果与试验结果吻合较好,文中采用的方法可用于复合材料结构的导热计算。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析（英文）

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷,若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应,地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此,本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式,分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异,采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析,提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

流体物性对离心力场热驱动影响的数值研究

本文利用数值模拟,通过改变流体的密度、黏性系数以及导热系数等热物性参数随温度的变化规律,讨论了不同物性参数对循环小通道内热驱动运动及其换热效果的影响。研究结果表明:为了达到最佳的换热效果,循环小通道内流体应具有高体积膨胀系数、高密度、高定压比热、高导热系数、低动力粘度等特点。当封闭小通道内流体为液态工质时,密度对换热效果的影响最大,导热系数、定压比热和黏性系数的影响依次降低。当封闭小通道内流体为液态金属时,导热系数对换热效果的影响最大,密度、定压比热和黏性系数的影响依次降低。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷，若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应，地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此，本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式，分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异，采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析，提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷，在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中，建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中，通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系，对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性，结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应，耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果，而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上，通过耦合传热分析，揭示了催化反应与壁面传热的内在关系，证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

非催化壁材料在非平衡流场条件下的热考核试验方法研究

针对电弧风洞试验条件下非催化壁防热材料在非平衡流场中存在的防热性能"欠考核"问题，提出了有效考核方法。以典型陶瓷基复合材料尖劈外形试件为例，采用CFD数值模拟与试验状态调试相结合的方法，对典型电弧风洞试验条件下完全催化壁和非催化壁材料的热流进行了数值模拟，并结合热流实测结果，确定了风洞试验状态并完成了试验，实现了对该类热防护材料防热性能的有效考核，为非催化壁材料防热性能试验"欠考核"问题提供了解决途径。     

新型运载火箭电缆防热设计与优化

新型运载火箭末修级发动机及主发动机工作时产生严重的辐射热环境,需对安装在其周边的电缆采取热防护措施。结合辐射热环境特点,兼顾电缆防热温度、防热重量和操作等要求,本文提出了一种外表层为反辐射,内表层为防/隔热的电缆一体化防热设计方案,试验验证防热方案满足使用要求,防热结构高效、轻质。该防热方案为未来新型号电缆防热设计提供了参考。     

Effective Thermal Conductivity for 3D Five-Directional Braided Composites Based on Microstructural Analysis

A method for predicting effective thermal conductivities(ETCs) of three-dimensional five-directional(3D5D) braided composites is presented. The effective thermal conductivity prediction method contains a digital image processing technology. Multiple scanning electron microscopy(SEM)images of composites are analyzed to obtain actual microstructural features. These actual microstructural features of 3D5D braided composites are introduced into representative volume element(RVE) modeling. Apart from applying actual microstructural features,compression effects between yarns are considered in the modeling of RVE,making the RVE more realistic. Therefore,the ETC prediction method establishes a representative unit cell model that better reflects the true microstructural characteristics of the 3D5D braided composites. The ETCs are predicted with the finite element method. Then thermal conductivity measurements are carried out for a 3D5D braided composite sample.By comparing the predicted ETC with the measured thermal conductivity, the whole process of the ETC prediction method is proved to be effective and accurate,where a relative error of only 2.9 % is obtained.Furthermore,the effects of microstructural features are investigated,indicating that increasing interior braiding angles and fiber fill factor can lead to higher transverse ETCs. Longitudinal ETCs decrease with increasing interior braiding angles,but increase with increasing fiber fill factor. Finally,the influence of variations of microstructure parameters observed in digital image processing are investigated. To explore the influence of variations in microstructural features on variations in predicted ETCs,the actual probability distributions of microstructural features obtained from the 3D5D braided composite sample are introduced into the ETC investigation. The results show that,compared with the interior braiding angle,variations in the fiber fill factor exhibit more significant effects on variations in ETCs.     

航天器金属热防护结构非灰体隔热层传热计算

为了计算多层隔热结构（由多个反射屏和非灰体半透明纤维隔热层构成）中瞬时耦合辐射和传导的热传递，构建了多层隔热结构的瞬时耦舍辐射和传导热传递的数值模型，并且分别采用有限体积法和有限差分法求解能量方程和辐射传递方程（Radiative transfer equation，RTE），而光谱的散射和吸收系数以及相函数则由米（Mie）理论求得，从而在更广泛的范围内为金属热防护系统的隔热纤维材料提供了广阔的选择余地。     

飞航导弹热防护技术发展趋势

简要介绍国内外导弹和航天器的热防护技术发展情况,重点介绍材料方面热防护技术的特点和热防护思路。     

热发射过程中发射箱蒙皮力学性能损伤与试验研究

文中选择大、中、小3种典型结构尺寸的发射箱，利用计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD）仿真软件Fluent对发射箱蒙皮表面在导弹发射过程中的力、热环境进行了仿真分析。以铝合金材料为例，对发射箱蒙皮材料在燃气流环境中力学性能损伤情况进行了烧蚀试验研究。研究结果表明，随着烧蚀时间延长，铝合金材料力学性能损伤存在一个突变点，在1.5 s内下降不明显，但是当烧蚀时间延长至2.0 s时，力学性能急剧下降至0。该研究结果为铝合金发射箱轻量化设计、热防护设计和使用次数设计等提供了数据支撑。     

飞机液压系统柱塞泵热分析

随着飞机液压系统向高压化、大功率化方向发展，液压系统的发热及温升问题受到了广泛关注。柱塞泵作为液压系统中重要的能量转换装置，对液压系统的功率损失和温度有重大的影响，良好的柱塞泵的热分析对液压系统的热设计和温度控制有重要的意义。然而传统的柱塞泵热分析方法，如平均油温法、软件仿真法和热节点网络法，因不够准确、高效和简洁而不能满足现代飞机液压系统热分析和热设计的相关需求。本文针对飞机液压系统柱塞泵发热的相关问题，采用基于集总参数的热网络分析方法，建立了柱塞泵热网络模型，通过对柱塞泵不同工况下的仿真，验证了模型的有效性和准确性，为柱塞泵及液压系统的热分析提供了参考。     

多面体网型空间抓捕机构的设计与分析

提出一种面向空间服务需求的新型多面体网型空间抓捕机构,以3-RRS并联机构为本体,将其动平台用空间单闭环六杆机构Bricard机构替代,通过Bricard网口的缩放运动和本体的包拢变形对空间目标进行抓捕以及位置和姿态的调整。通过在ADAMS软件中进行仿真来验证其抓捕过程,并以仿真所得关节受力情况为基础,在ANSYS软件和I-DEAS软件中进行仿真分析,对所提出的多面体网型空间抓捕机构进行强度分析与热平衡分析的工作,确保其机械结构强度和对热环境的适应性能够满足实际使用的需求。理论分析和仿真试验结果表明:该机构可满足空间目标抓捕任务的需求。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

矩形导管平板式空间辐射器性能计算

在航天器热控制中，空间辐射是最主要的散热部件。矩形导管平板式空间辐器由许多个扁平的矩形导管组成，矩形导管的上下面，或一面作为辐射排热表面。它是典型、常用的一种空间辐射器。本文对单面、双面矩形导管平板式空间辐射器进行了详细的热分析，利用膜热阻系数和辐射参数，推出平板表面温度和管内流体温度的计算方程式，从而计算出管内流体温度及板面温度随导管长度的变化关系。再由管内流体温度变化，计算出矩形导管平板式空间     

金属热防护系统多层隔热材料的传热分析及参数优化

采用能量平衡方程和离散坐标法近似地建立了金属热防护系统多层隔热材料的一维稳态传热的数学模型，并利用遗传算法和纤维隔热材料的有效导热系数试验数据求解传热反问题，从而得到了模型中的纤维隔热材料的辐射衰减系数、反照率和隔热屏表面辐射发射系数。最后，由实验测得了多层隔热材料的有效导热系数，验证了采用优化参数后，多层隔热材料的传热模型的正确性。