电子设备吊舱瞬态热载荷分析与计算

瞬态热载荷的分析与计算是合理设计电子设备吊舱环境控制系统的基础.本文建立了吊舱动态热平衡方程与壁面导热方程,并使用有限差分方程求解吊舱瞬态热载荷.分析了飞行状态及吊舱热容量对吊舱瞬态温度的影响,提出了"蓄冷"节能的设计概念并据此合理地确定了吊舱环境控制系统的设计热载荷.     

中高层大气风场和温度场星载探测技术研究进展

中高层大气风场和温度场是重要的大气基本参数, 其全球高精度测量具有广泛的应用前景, 探测需求日趋强烈. 干涉光谱仪由于其多通道、高通量和高光谱分辨率等优点而成为本项目的首选. 目前被成功应用的干涉式测风/测温仪器主要有Fabry-Perot 干涉仪和广角Michelson 干涉仪两大类. 本文对干涉光谱仪用于中高层大气风场和温度场探测的发展状况进行了分析, 同时比较了几种干涉仪测风和测温的可行性及优缺点, 为中国开展中高层大气风场和温度场星载探测打下基础.      

环境C卫星热系统设计与在轨验证

根据环境C卫星的自身特性, 采用以被动式热控制为主和主动热控制为辅的控制方式, 对环境C卫星进行热系统设计. 通过研究环境C卫星的热控设计原则、热设计状态及已解决的关键问题, 对其在轨飞行温度数据进行了分析. 在轨飞行遥测结果表明, 环境C卫星热控系统方案合理, 工作稳定, 性能良好. 星上设备温度环境很好地满足了设计要求.      

基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法

介绍了一种利用卫星在轨温度数据预示热控涂层在轨性能退化情况的方法,建立并推导了适用于研究热控涂层随整数年变化规律的数学模型,该模型利用卫星设备的温度曲线通过反演计算得到设备表面热控涂层的退化数据。为检验本文数学模型的计算效果,构造了一组数值试验,结果表明本文数学模型的计算数据与真实值非常接近,说明本文建立的数学模型能够很好地根据卫星在轨温度计算出热控涂层在轨退化数据。     

暗物质粒子探测卫星BGO量能器热控设计与验证

暗物质粒子探测卫星是2015年12月发射的中国自主设计建造的空间天文实验卫星,主要包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器与中子探测器四个探测器.BGO量能器是暗物质粒子探测卫星的核心探测器,主要任务是精密测量高能宇宙线粒子的能量,并通过比较簇射沉积能量的空间分布,进行粒子种类鉴别.本文结合BGO量能器工作原理,分析了BGO量能器热控设计需求与约束,进行了单机热控设计.根据热控设计方案,进行有限元仿真分析,开展了单机飞行件的真空热平衡试验.分析与试验结果表明,热控设计方案合理有效,能够满足需求.      

同步轨道遥感器热设计和热分析

为解决遥感器在同步轨道环境温度场分析中热传导与热辐射的综合处理问题,热传导模型温度计算采用控制容积方法建立有限差分方程;热辐射模型采用奥本海姆方法计算设备表面单元之间辐射换热;根据是否被遮挡,辐射换热中表面单元角系数的计算分别采用积分和数值方法。计算结果表明,采用上述方法进行温度场分析能够有效解决热传导模型与热辐射模型的耦合,求解精度较高,遥感器设备部件稳态分析温度分布和在轨瞬态分析温度曲线变化清楚,可作为进一步精密热控设计的依据。     

飞机吊舱热系统计算机仿真研究

建立了电子吊舱热系统仿真模型,并利用仿真软件对其进行动态仿真研究,得到了吊舱冷负荷及主要温度参数沿一定飞行包线的变化情况, 辅助完成了制冷系统的选型及校核检验工作,并为吊舱的结构参数优化提出了合理性建议.研究结果表明动态仿真研究为吊舱制冷系统的选型及设计提供了先进的计算分析工具.     

微纳卫星热状态仿真及分析

卫星热控系统通过调节星上热量收集、转移、排放的过程，从而达到控制星体温度水平和温度稳定性的目的，对卫星进行在轨热状态分析和依据分析结果进行热控措施调节与评估至关重要。针对低轨微纳卫星热状态分析的关键问题，给出了卫星在轨时刻所受空间外热流的计算方法，在此基础上，综合考虑温度影响因素和传热特点，建立了卫星外壳、辐射器、内环境和内外部单机的瞬时温度计算模型。以一低轨微纳卫星为例进行仿真计算，对结果进行了分析与讨论，为进一步深入研究卫星的热控设计提供了快速、简便的分析方法。     

空间光学遥感器真空热试验工装模块化设计

针对空间光学遥感器在空间环境地面模拟试验中舱板温度分布不均的问题,运用模块化思想对某型号空间光学遥感器工装的舱板结构开展了优化设计。将舱板按照温度分布进行分块,提出模块化拼装和模块化热控2种设计方案,模块化拼装是对舱板及其表面加热片进行独立分块划分,模块化热控则是将舱板视为整体,仅对其表面的加热片进行分块设计。结果表明:模块化热控的舱板平均温度偏差为0.205 K,低于未模块化设计的0.87 K和模块化拼装的0.30 K,提高了舱板的温度均匀性。同时,模块化拼装改善了舱板温度分布,使得符合热控要求的测点比例由34.8%提高到96.7%,但独立划分的模块之间仍存在一定温差;模块化热控则消除了模块间的温差,将符合热控要求的测点比例进一步提高到100%,完全满足热控要求。      

星载FPI探测低热层温度的研究

80～350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.      

Modeling and analysis of floating performances of stratospheric semi-rigid airships

In recent years, the study of semi-rigid airship has revived with the development of airships. Semi-rigid airships have some characteristics of rigid airships and non-rigid airships. Due to the flexibility of the envelope of the non-rigid airship, the variation of the temperature of the inner gas will lead to its structure deformation and affect its flight altitude. This paper develops the structural mechanics model, thermodynamic model and dynamic model of the semi-rigid airship, based on which nonlinear finite element analysis is employed for geometrically nonlinear deformation of the airship upper film in consideration of thermodynamics and structural mechanics coupling. Based on the thermal-structural interaction, the thermal characteristics and flight performances of the airship during floating flight are investigated. The 3-D solar radiation and temperature distribution of the airship skin and the temperature variation of the inner gas are presented to investigate the thermal performance of the airship, flight velocity, acceleration and flight altitude are simulated to investigate the flight performance, and the variations of the volume and pressure difference of the inner gas are calculated to provide a basis for structure design. The results of the simulation can be referenced for the design of the semi-rigid airship, and can be used for the further study on the attitude control of the airship during its floating flight.     

平流层飞艇总体设计的基础问题

平流层飞艇是一种新型的长航时临近空间飞行器，具有驻空高度高、驻空时间长、承载能力大、使用效费比高等特点，在对地观测及通信中继等领域具有广泛应用前景。但是该飞行器系统十分复杂，技术与设计实现难度大，总体设计需要考虑的基础问题及解决方案尚不完全明晰。根据平流层大气风场、温度和压力的基础特征，考虑平流层环境对平流层飞艇总体设计的影响，根据空气动力学与热力学基本理论，分析平流层飞艇的显著特征及与常规低空飞艇的区别，研究这些基础问题对平流层飞艇总体设计的影响，为平流层飞艇技术发展提供建议和参考。      

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在 0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果. 结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.      

Effect of vapor condensation on ascending performance of stratospheric airship

This paper reports a numerical investigation on the effects of water vapor condensing inside the air bag of a stratospheric airship on its ascending performance. The kinetic and thermal model considering vapor condensation was established, based on which a computer program was written in Fortran. The simulation results show that the vapor condensation remarkably affects the kinetic and thermal characteristics of the stratospheric airship in the ascent process. During the ascent process below 11 km, a large amount of latent heat is released when the water vapor in the air inside the air bag of the stratospheric airship condenses, which results in the increase of the temperature and the reduction of the weight of the air in the air bag, causing the airship to speed up, the accelerated expansion of the helium, and the decrease of the helium temperature in the helium bag. When the flight altitude is higher than 11 km, the effect of vapor condensation on the kinetic and thermal characteristics of the stratospheric airship is negligible because vapor is virtually nonexistent in the air.     

高空浮空器蒙皮材料特性分析与组合优化

建立了高空浮空器蒙皮材料特性分析与组合优化方法,重点研究了蒙皮材料功能涂层热学特性与承力层力学特性之间的耦合作用关系,基于特定工况进行蒙皮材料分析优化,获得了基于Vectran平编承力层和镀铝PET薄膜功能涂层的高空浮空器蒙皮材料优化方案,并通过高空飞行试验验证蒙皮材料优化方案的可行性.结果表明,采用该方法获得的蒙皮材料优选方案合理,为浮空器耐压和高空长时间驻留设计提供了技术支持.      

The yaw stability analysis for stratospheric airships in float situation

When a stratospheric airship free floats at pressure altitude, the sideslip angle of the airship is neither random nor against the wind, but is stable on certain values. According to classical potential flow theory, a simplified two-dimensional ellipse and three-dimensional ellipsoid are firstly analyzed respectively, which implied that the airship could present crosswind orientation. The numerical investigations (CFD) on the yaw stability based on a bare hull and a finned airship are employed for verifying the theory conclusion. It is found that the finned airships can remain stable when its sideslip Angle is 55–70°, which is less than 90° of the stable angle of the ellipsoid and bare hull, but statically unstable at low sideslip angles, its static instability is similar to that of dynamic flight. Then the fight data of three stratospheric airships is analyzed. The yaw stability in flight data generally agrees with expectations drawn of theoretical and numerical simulation. These investigations serve to provide references for yaw control and configuration design of airships.     

大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制

大气紊流是影响高空飞艇水平面内运动的重要原因,紊流扰动对飞艇的安全性能和定点悬停有严重影响,能否克服扰动,直接决定飞艇的载荷能力和续航时间.根据高空大气紊流的特点以及紊流风速对飞艇姿态调整的影响建立风场的传递函数模型,根据风速三角形关系建立扰动下的飞艇水平面内动力学模型,利用内模控制原理设计出内模控制器,将扰动信号反馈到系统的输入端,从而对扰动进行直接控制.仿真结果表明所设计的控制器可以有效抑制大气紊流对飞艇飞行性能的影响.     

Matching trajectory optimization and nonlinear tracking control for HALE

This paper concerns optimal trajectory generation and nonlinear tracking control for stratospheric airship platform of VIA-200. To compensate for the mismatch between the point-mass model of optimal trajectory and the 6-DOF model of the nonlinear tracking problem, a new matching trajectory optimization approach is proposed. The proposed idea reduces the dissimilarity of both problems and reduces the uncertainties in the nonlinear equations of motion for stratospheric airship. In addition, its refined optimal trajectories yield better results under jet stream conditions during flight. The resultant optimal trajectories of VIA-200 are full three-dimensional ascent flight trajectories reflecting the realistic constraints of flight conditions and airship performance with and without a jet stream. Finally, 6-DOF nonlinear equations of motion are derived, including a moving wind field, and the vectorial backstepping approach is applied. The desirable tracking performance is demonstrated that application of the proposed matching optimization method enables the smooth linkage of trajectory optimization to tracking control problems.     

高空高速无人飞行器热控制系统设计

针对飞行时间短、速度和高度变化快、表面温度波动大的无人飞行器UAV(Unmanned Aerial Vehicles)热控制系统设计难题,提出了一种可解决实际工程问题的热分析计算方法.即把热天工况、冷天工况和标准天工况作为设计/试验工况;采用参考温度法、高超音速工程预测法或计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟法,确定了飞行器表面温度分布,并把其作为后续热分析数学模型的外边界条件;分析结构热容量对瞬态热载荷的影响,建立与之相应的边值问题方程,并采用有限差分法求解;根据高空高速飞行特点及瞬态热载荷值,确定仪器设备舱调温系统方案.     

卫星热控系统的动态特性建模与仿真

受控对象的动态特性是卫星热控系统设计的基础,为了更加简便地进行卫星热控系统的动态特性计算,根据卫星各部分的温度变化特点及它们之间的热量传输关系,将其划分为外壳、辐射器、舱内环境、关键仪器设备以及相变蓄热装置5个集总参数热控环节,建立起各热控环节温度变化的数学模型.应用这一模型可以十分简便地计算内部热源强度及空间外热流变化时卫星各热控环节的温度变化趋势,其计算过程较常规的卫星瞬态温度场计算简单、方便,满足了对卫星热控系统进行仿真研究和控制策略优化的迫切需要,这对发展各种主动热控制技术来说具有尤其重要的意义.