高超声速飞行器热流密度/分层温度/碳化层研究

受试验设备能力限制,地面风洞无法完全模拟高超声速飞行器临近空间热环境。文章采用在飞行器表面开孔安装长时耐高温热流传感器直接测量热流密度的方法,国内首次获得Ma12以上高超声速飞行器表面热流密度时变数据和边界层转捩特征。实测热流值与理论预示值规律相同,两者偏差小于20%。针对树脂基材料导热微分方程中虽考虑了热解吸热项,但未考虑导热系数随温度变化情况,采用在树脂基材料导热微分方程中加入物性参数随温度变化项的方法,计算了飞行器热防护结构内部分层温度和碳化层厚度,并与实测结果进行了比较,不考虑树脂热解特性和材料物性参数随温度变化,理论值高于实测值,最大偏差275~320℃;考虑热解特性和物性参数随温度变化情况,计算值与实测值最大偏差小于70℃。     

三层月壤模型的多通道微波辐射模拟与月壤厚度的反演

由月球表面数字高程试验性地构造了整个月球表面月壤厚度的分布.根据Clementine探月卫星的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,给出了整个月球表面月壤介电常数分布.由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出了月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式.在这些条件的基础上,建立了月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型.由起伏逸散定理,模拟计算了该月球模型多通道辐射亮度温度.然后,以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按三层模型提出了月壤层厚度反演方法.由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层月尘-月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度,再由穿透深度较大的低频通道辐射亮度温度反演月壤层厚度.对于反演的相对误差也进行了讨论.      

模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

我国探月三期需在月面真空环境下钻采2 m深的月壤样品,为测试采样器在真空热环境下的性能,需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境.本文设计了一套模拟月壤真空试验装置,研究了模拟月壤真空实现方法.通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空,分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况.此外,分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响,提出了保证样品密实度的可行抽气方法.该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值.      

蜂窝复合板的热试验及分析计算

论述了某种蜂窝复合板表面气动加热热流的模拟试验方法以及由试验结果确定温度分布和有效导热系数的分析计算方法。由于要求的气动加热热流随时间历程的变化十分剧烈（低热流为零，高热流超过１５个大阳常数），再加上蜂窝复合板的复杂结构，模拟试验与导热系数的计算有一定的难度，文章阐述了一种具有较高模拟精度的热流模拟方法与确定导热系数的分析处理方法。     

极月轨道上太阳电池阵外热流规律分析

准确的月球表面温度分布模型对于开展月球探测具有重要意义. 目前有关月球表面温 度模型还缺乏对完整月球表面温度分布的计算方法研究. 本文建立了一套计算完整月球表面温度的方法, 其中月球阳面温度采用Racca模型直接计算得到; 对于月球阴面, 将其沿纬度方向划分为若干区域, 每个区域的地表土壤采用一维非稳态热传导模型, 根据嫦娥三号着陆器太阳电池阵在轨环月阶段的温度数据, 修正得到月球表面土壤导热系数、密度及比热容, 通过数值计算求解一维非稳态热传导方程, 得出任意时刻月球阴面表面温度随时间的变化. 嫦娥三号着陆器太阳电池阵环月阶段热分析结果与在轨温度符合较好, 初步说明本文建立的完整月球表面温度计算方法正确可行. 基于本文方法计算得到整个月球表面温度分布, 进一步研究了极月轨道太阳电池阵外热流变化规律.      

模拟月面环境钻进过程热特性研究

根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。     

适用于月面高温环境的嫦娥三号地形地貌相机热设计

“嫦娥三号暠月面探测器上安装的地形地貌相机工作时直接暴露在月面高温环境下,受月表红外辐射影响很大,给热控设计带来很大难题。为解决设备工作时的高温问题,在外热流分析的基础上提出了以“最佳散热位置暠为核心的热控方案,设备处于“最佳散热位置暠时能够获得较好的初始温度和最快的降温速率;另外通过把散热面布置在月表红外辐射热流最小的位置并在除散热面以外的其他表面包覆多层隔热组件这两个措施,可以最大程度减小月表红外辐射的影响。地形地貌相机在轨开机工作前的各飞行阶段遥测数据均满足存储温度指标要求并且有较大余量;开机工作环拍一周的遥测数据满足工作温度指标要求并且与热分析结果符合较好,初始温度与遥测温度数据偏差为-1灡7曟,温升速率和降温速率偏差分别为14灡9%和16灡9%。这表明该热控方案正确可行,可为后续中国深空探测类似热控问题参考。     

一种薄膜热电堆热流传感器灵敏度系数的实验研究

为应对长时间、高频响、高热流密度条件下的热流密度测试要求,通过热沉体设计发展了一种新型热阻式薄膜热电堆热流传感器,并利用对比标定的方法、采用辐射标定方式确定各个此类型传感器的灵敏度系数。标定实验数据表明:该类型热流传感器的灵敏度系数与感应面温度相关,且在高于一定温度之上校正关系式不同于以往的线性关系而呈现出二次非线性关系。通过分析可知:呈现出二次非线性校正关系式的原因主要是依赖于温度的热阻层导热系数以及薄膜热电偶Seebeck系数。实验数据以及分析结果为该类型热流传感器的标定和优化设计提供了参考,同时确保了该类型热流传感器在使用过程中获得准确、可靠的热流测试数据。     

一种薄膜热电堆热流传感器灵敏度系数的实验研究

为应对长时间、高频响、高热流密度条件下的热流密度测试要求，通过热沉体设计发展了一种新型热阻式薄膜热电堆热流传感器，并利用对比标定的方法、采用辐射标定方式确定各个此类型传感器的灵敏度系数。标定实验数据表明：该类型热流传感器的灵敏度系数与感应面温度相关，且在高于一定温度之上校正关系式不同于以往的线性关系而呈现出二次非线性关系。通过分析可知：呈现出二次非线性校正关系式的原因主要是依赖于温度的热阻层导热系数以及薄膜热电偶Seebeck 系数。实验数据以及分析结果为该类型热流传感器的标定和优化设计提供了参考，同时确保了该类型热流传感器在使用过程中获得准确、可靠的热流测试数据。     

Diviner红外温度与嫦娥卫星微波探测仪月表亮温的比较分析

提出使用高分辨率的Diviner辐射计红外温度作为月壤热传导的边界输入条件,使得月壤物理温度廓线的模拟更接近月表真实情况. 利用Diviner物理温度廓线模拟的微波亮温与嫦娥二号卫星微波探测仪（CELMS2）的实测亮温匹配,来分析CELMS2数据的有效性和稳定性,为月壤微波特性的反演奠定基础. 以哥白尼坑区域为例,对比分析了Diviner辐射计红外通道温度与CELMS1实测微波亮温的变化趋势. 选择月球虹湾地区内一位置点（45.1°-45.5°N,33.1°-33.5°W）,分析了CELMS2在该位置点内5个月球时刻的亮温数据. 通过对实测亮温与模拟亮温在经纬度和太阳高度角的匹配分析得到,在高频微波通道内两者的相关性达到96%以上,表明嫦娥二号微波探测仪亮温数据具有较高的稳定性,可以为月壤特性反演研究提供可靠数据来源.      

Development of thermal sensors and drilling systems for lunar and planetary regoliths

We consider some novel concepts for thermal properties experiments aboard lunar landers or rovers, that may lead to an improved understanding of both the structure of the lunar near surface layers and the lunar thermal history. The new instruments could be developed using the experience and heritage from recently developed systems, like the Rosetta Lander thermal conductivity experiment MUPUS and existing designs used for terrestrial measurements of thermal conductivity. We describe shortly the working principle of such sensors and the main challenges faced when using them in the airless regolith layers of the Moon or other airless bodies. In addition new concepts to create appropriate drill holes for thermal and other measurements in the lunar regolith are discussed.     

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和α_s特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。     

管路布局方式对载人航天器辐射器散热能力的影响分析

以采取双管路并联结构的载人航天器圆筒辐射器为研究对象,建立了辐射器散热能力数值分析模型,对比分析了不同参数下,并联支路工质相同流动方向和相反流动方向两类布局方式给辐射器散热能力带来的影响,选取的参数包括管路长度、管路进口工质温度和液体工质流量。计算结果表明,在辐射器面板面积和流体回路长度相同的前提下,两类管路布局方式对应的辐射器散热能力存在不可忽视的差别。随着管路长度的增加,入口工质温度的增加,工质流量的减小,工质流向相同的辐射器散热能力越来越高于工质流向相反的辐射器。在文章的参数设定下,工质流向相同的辐射器与工质流向相反的辐射器间最大散热能力差别可达到19.5%,最小散热能力差别可达到16.7%。     

自适应控温冷板的设计与性能分析

为改善航天器热控系统的控温可靠性,基于石蜡感温相变体积发生变化的特性,构建了自适应控温冷板,并给出了自适应控温冷板内的石蜡和复位弹簧的设计模型。在此基础上,为了开展自适应控温冷板的性能分析研究,建立了采用自适应控温冷板的航天器单相流体回路热控系统,并基于集总参数法构建该单相流体回路热控系统的热网络模型。结果表明,所设计的自适应控温冷板在不同的热载荷条件下具备可靠的自适应控温能力,合理选择石蜡参数和优化结构设计可改善控温性能,自适应控温冷板在地面电子设备及空间热载荷的控温领域有较好的应用前景。     

微重力条件下热管吸热器瞬态热分析

基于微重力条件下的导热控制微分方程,采用焓法对热管吸热器相变材料容器进行了二维数值建模与仿真,在同时考虑空穴和相变的情况下,对微重力条件下蓄热单元相变传热进行了模拟计算,分析了空穴率对蓄热容器内部的温度场和热性能的影响,并将计算结果同美国航空航天局（NASA）方案热管吸热器蓄热单元相变传热计算结果进行了比较,验证了文中微重力条件下计算模型的合理性与准确性。研究结果表明：空穴影响着蓄热单元相变的进程,空穴的存在增加了容器内部的温度梯度,使得容器的蓄热能力降低;由于热管径向温差较小,热管壁温在相变材料熔点附近变化较小,从而在一定程度上能缓解热斑和热松脱现象。     

Development of the heat flow measurement system by the LUNAR-A penetrators

Lunar heat flow experiment is planned by using two LUNAR-A penetrators which will be deployed on the near-side and far-side of the lunar surface in 2000. Each penetrator has seven absolute and eleven relative temperature sensors. Impact experiments for real-size penetrator models onto a lunar-regolith analogue target confirmed that the sensors and electronics used in the Lunar-A Heat Flow Experiment can survive the shock loading expected during penetration of the penetrator in a lunar regolith. The calibration experiment demonstrates that the temperature sensors have a resolution of 0.01 degrees and that the thermal conductivity device have 10 % accuracy. In order to determine the heat flow value, we need a good thermal model and numerical simulation for the penetrator and the regolith which in turn requires accurate measurements of thermal properties of the penetrator's components. The current numerical models indicate that we will be able to obtain the lunar heat flow values within 20 to 30 percents in precision with this method.     

粒子激发X射线谱仪的热设计和热仿真计算

粒子激发X射线谱仪(APXS)安装在月面巡视器外部,利用巡视器的机动性和机械臂的灵活性,可以对月面有研究价值的月岩及月壤进行有针对性的探测.由于裸露在巡视器外部,月球复杂外热流会对APXS产生较大影响.鉴于此,需对APXS进行合理的热设计,以保证APXS的探测器和电子学器件工作在允许的温度范围内.提出了APXS的热设计方案,据此对APXS进行热仿真计算,计算结果得到了相应热平衡试验的较好验证.