基于正十四烷微胶囊和微封装技术的相变材料技术研究

针对航天器对相变强化传热技术的需求,以及对热控系统的技术要求,开展了基于正十四烷为代表的低温相变材料微胶囊包覆技术和相变温控装置研制,通过表面封装和导热增强技术处理,提高了相变材料在热控领域应用的稳定性和可靠性;依据航天器热控系统运行条件,分别通过了鉴定级的热真空、辐照、热循环等环境试验,及随机振动、正弦振动和冲击等力学试验考核,为实现航天器轻质、高效、高精度的热控形式提供新的技术方法。     

振动环境对相变组件热控性能影响的实验

为了研究振动环境对相变组件热控性能的影响，制备了基于纯硬脂酸和硬脂酸/泡沫铜复合相变材料的两种相变热控实验件，并进行了静止和振动环境中的热控实验。实验结果表明:泡沫铜的存在能够有效地强化相变组件的热控性能，在5000W/m2时，添加泡沫铜后平衡温度降低了19℃，有效热控时间延长了19.4%；在振动环境下，纯硬脂酸实验件的平衡温度降低了9.5℃，有效热控时间延长了13.2%；硬脂酸/泡沫铜实验件的有效热控时间延长了10.5%，振动带来的强迫对流能够有效强化相变组件的热控性能；并且相对于振动频率，振幅变化对影响结果的扰动较小，在一定的频率范围内，振动的影响随着频率的增加而变大。该研究可以为机载电子设备相变热控技术的应用提供参考。      

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

八水氢氧化钡相变材料的强化传热实验

采用差示扫描量热法(DSC)对八水氢氧化钡相变材料进行热物性分析,总结出一种针对结晶水合盐相变温度与潜热准确可靠的测量方法.通过扫描电子显微镜(SEM)获得相变材料与金属容器截面腐蚀情况的图像,证明八水氢氧化钡与紫铜有优良的相容性.分别对含/未含泡沫铜的固液相变蓄热体进行实验研究,结果表明:泡沫铜填充使相变材料在固相区内熔化时间减少了26%,增强了相变材料的传热效果,而且将八水氢氧化钡过冷度降低了50%.      

高温相变单元管蓄热过程数值模拟

对以高温共晶盐 Li F-Ca F2 为相变材料 (PCM)和以干空气为工质的相变蓄热系统 ,采用焓方法建立了以控制体单元为对象的单管相变蓄热模型。在模拟空间站太阳能吸热 /储热器轨道运行参数下进行了数值计算。计算结果与地面模拟试验数据进行了比较 ,吻合良好。     

复合材料气瓶热防护材料隔热性能试验研究

以复合材料气瓶热防护材料的耐高温及隔热性能为研究对象，通过真空舱模拟上面级飞行段的真空环境，采用石英灯阵模拟热源，对两种热防护方案开展真空热试验，分析了不同材料（组合）、多层隔热组件不同单元的隔热性能及其差异产生的原因。结果表明两种防热方案都可使气瓶壁面温度满足不超过70 ℃的温度要求，其中“柔性隔热毡+中温多层”组合防热结构的耐温和隔热性能更优，并通过理论计算与试验值对比验证了热仿真计算中的不确定性，试验结果可为后续型号防热设计提供参考。     

面向航天应用的液态金属相变传热性能研究

为探究液态金属相变材料的适用范围，本文使用数值模拟手段，比较分析了以镓为代表的低熔点金属与以正十八烷为代表的石蜡类相变材料之间的传热性能。结果表明，镓更适用于应对瞬时高热流冲击，即高热流、短时间工作的电子设备散热；而正十八烷适用于低热流、较长时间工作的电子设备控温。此外，单位体积相变材料，镓模块的热控时间长于正十八烷模块；单位质量相变材料，镓模块在短时间内占优，长时间内正十八烷模块占优。针对潜在应用场景进行分析，表明了液态金属相变材料可用于航天天线TR组件和激光器芯片控温。     

太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热 /蓄热器是热动力发电系统关键部件之一。吸热 /蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热 /蓄热器的能量分析 ,可以很好的了解吸热器的能量传递 ,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型 ,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的潜热储能和显热储能等重要指标 ,并且得到了换热管最大温度 ,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计     

载人航天器热控应用材料

载人航天要求绝对保证航天员的身体健康和生命安全,并使其能舒适地生活和高效地工作。本文从安全性和可靠性两方面论述了载人航天飞行对所用热控材料的基本要求,并简要介绍了载人航天器应用的热控材料(包括涂层、隔热材料、导热填充料、相变材料、毛细多孔材料、热管、电热材料以及热双金属材料、热电致冷材料等)。     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.     

微重力下复合相变材料的热控性能数值仿真

针对航天器电子设备的热控问题,选择石蜡作为相变材料,以Al_2O_3粉末作为导热增强剂,基于焓-多孔模型与相变储能结构的被动热控技术,通过数值仿真求解了不同组分下复合相变材料的熔化过程,得到了温度分布、固液界面等数据,分析了热控效果,同时还分析了重力与微重力对熔化过程的影响。结果显示,在重力条件下,可将加热面温度控制在50～58℃,而掺混Al_2O_3粉末在增强导热系数的同时抑制了自然对流,整体传热效率降低,因此不同Al_2O_3质量分数下的复合相变材料2%的热控效果优于5%;在微重力条件下,因为没有自然对流的影响,随着Al_2O_3的增加,熔化效率提高,Al_2O_3质量分数为5%的复合相变材料相比于2%的质量分数具有更佳的热控效果。     

电弧风洞热/透波联合试验技术研究及应用

介绍了在电弧风洞上发展的一种新型试验技术。针对某型飞行器,了解其在飞行条件下天线窗烧蚀透波特性对于了解及掌握"黑障"问题及通信信号特点至关重要。在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核是地面试验考核的最佳选择,但存在若干技术难点。为此在电弧风洞开展热/透波联合试验技术研究,使用半椭圆喷管,改进进气方式,提升能量利用率;改进电弧加热器结构解决了铜离子对测试的干扰;设计定向天线,在关键部位布设吸波材料解决了试验段内微波反射问题;将收发天线均置于试验段内部,保证天线同频振动,解决了风洞启动时天线抖动导致的信号波动;设计水冷箱体解决了天线窗口长时间气动加热下天线的热防护问题。经试验验证,研究内容是有效的、成熟的、可行的。目前该技术已成功用于指导在电弧风洞上开展的数项试验。     

填充泡沫复合相变材料的热控单元热性能研究

建立了分析可移动电子设备热控制单元(TCU)热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明,填充泡沫复合相变材料(FCPCM)和肋都能很好地提高TCU内相变材料(PCM)的导热性能,能更好地满足电子元件的工作要求,且前者方案更具优势.此外,还对泡沫骨架材料和PCM的选择进行了计算分析,结果表明,孔隙率是影响TCU热性能的重要参数,铝FCPCM具有良好的热性能,PCM的选择应视电子元件的使用设计要求而定.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

基于热载荷和索张力的平面薄膜边界形状优化

针对平面薄膜相控阵天线受器件热以及边界索张力不确定的影响,提出一种平面薄膜相控阵天线边界形状优化方法。首先,考虑到天线单元的热效应,建立了平面薄膜天线热-结构有限元分析模型。其次,在确定范围内的任意索张力组合下,将薄膜边界形状视为3次B样条曲线,以曲线控制点位移为设计变量建立平面薄膜天线优化模型,通过优化实际结构索膜应力与参考应力偏差,实现对薄膜边界形状的优化。最后,通过数值模拟验证了该方法的有效性。与目前薄膜天线边界形状相比,该方法可实现任意曲线形状优化。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

在全尺寸F-22上进行的早期天线试验

美国空军正通过在外形修改成与F-22隐身外形一致的YF-22原型机机体上试验F-22天线系统来消除技术风险。这是罗姆实验室的工程师们在军机研制的最早阶段试验安装在全尺寸机体上的天线系统。由于采用了自动高速测量系统,这些试验也是罗姆实验室所进行的最为详细的试验。 由于F-22采用若干具有电子操纵波束的多元相控阵天线,比常规天线需测量更多的参数。罗姆实验室研制的新型计算机化测试系统可使工程师们控制相控阵雷达形成的可操纵电子扫描波束,并使波束在测量期间高速扫描。     

双组元150N发动机头部热控组件温度适应性研究

为获得双组元150N发动机头部热控组件在低温工况下的加热能力以及发动机长程点火期间头部热控组件各处的温度分布、性能变化，应用有限元分析软件I-DEAS/TMG在给定的温度边界条件下进行了仿真分析，分别获得了低温工况下头部稳态平衡温度以及发动机长程点火期间头部瞬态温度。搭建了试验装置，通过电热炉对头部烘烤，设定控温点为400℃，恒定时间45min，获得了头部热控组件各处的温度分布及加热器阻值的变化。通过仿真计算和地面试验，得出以下结论：（1）热控组件能保证发动机在最恶劣低温工况下温度高于0℃；（2）在地面试验工况包络发动机在轨最长工作时间2500s的情况下，包含加热器、热敏电阻、导线等在内的热控组件均处于有效工作状态，为热控组件的高温耐受能力提供了有力支撑。     

改进型相变蓄热容器的蓄放热实验(英文)

泡沫镍以其独特的多孔结构而具有优异的性能,可以用来改善固液相变蓄能装置中的空穴分布及传热性能。本文在理论研究基础上设计制造了填充泡沫镍的改进型固液相变蓄热容器,与未填充泡沫镍的蓄热容器一同进行了相变蓄热试验,在不同蓄热温度下进行蓄热实验,研究了蓄热温度对PCM熔化时间的影响。利用铂电阻(PT100)和数据采集模块(ADAM-4000)测得了实验中各蓄热容器的温度变化数据,实验后利用CT扫描得到了容器内部的空穴分布图像。通过对比研究两种容器的温度变化和空穴分布,证明了填充泡沫镍能够有效改善固液相变过程中的空穴分布和传热性能,研究结论对于固液相变蓄热技术的应用具有一定指导意义。     

不同空穴位置下固液相变换热过程的差别

高温蓄热技术是空间太阳能热动力发电系统的关键技术之一。固液相变潜热蓄热是通常采用的蓄热方式。大多数盐类相变材料由液态转变为固态时体积会收缩,在其容器内形成空穴。空穴的存在增大了热阻,从而影响相变换热过程。通过数值模拟计算,分析了两种不同的空穴位置下固液相变换热过程的差别。