大型空间环模器热沉热设计研究

分析了大型空间环模器热沉壁面温度分布的主要影响因素,利用热沉管网动态仿真软件(HSDS)研究了不同热沉片结构对支管流量分配的影响,针对我国某大型空间环模器热沉在热设计方面存在的主要问题提出了简单可行的改进方案.最后,给出了借助所开发的HSDS仿真软件进行热沉热设计的一般步骤.      

喷射式气氮调温系统

气氮调温系统是空间环境模拟器中为航天器进行热真空、热平衡试验的关键系统之一。它可使热沉温度在－100℃－＋100℃之间连续可调，并能任意定点。采用喷射式气氮调温系统，与液氮储槽式冷却器调温系统、液氮温度热沉加红外加热笼系统相比，可降低能耗，节约经费。大型空间环境模拟器中由于热沉的热惯性较大以及各支路温度存在均匀性等问题，大型空间模拟器设备要应用喷射式气氮调温系统存在一定难度。KM6大型空间模拟器喷射式气氮调温系统在研制中结合KM6实际和试验要求。调试和使用结果证明这一系统满足试验要求，同时也表明该系统在同一领域达到了国际同类设备的水平。     

热沉设计技术

在大型空间环境模拟器KM6中，热沉是该设备中的重要分系统之一。文章介绍了热沉的材料选择、结构布置、壁板形式、支撑结构及主要设计计算结果等。     

高超声速飞行器热载荷计算及影响因素分析

对吸热式热防护系统和液氮为冷源的高超声速飞行器热控系统,分别采用辐射热平衡法和双层集总参数法,建立了隔热层和舱内温度场的热力学模型,实现了气动加热、隔热层导热及舱内温度场等各传热环节的解耦.在此基础上,按照X-34验证机的飞行剖面对高超声速飞行器电子设备舱热载荷进行了计算,并分析了隔热层厚度、舱内冷却气体流速及液氮量对舱内温度和电子设备温度的影响.结果表明,该方法对热传递过程各环节响应特性能够较准确的分析,在工程方案初步设计阶段具有重要的应用价值.     

颈部和侧门热沉设计

KM6颈部和侧门热沉设计是整体热沉设计中两个很典型的部分 ,颈部热沉属于卧式热沉 ,侧门热沉属于片状立式热沉。这两种形式的热沉分别是中国同类热沉结构中最大的热沉。特别是侧门热沉 ,直接接受太阳辐照 ,热负荷最大。通过热负荷的计算 ,确定出颈部和侧门的结构形式 ;然后 ,在选定铝材的基础上 ,计算和确定了支管的间距 ,分别确定了热沉骨架 ,热变形补偿 ,进出口以及隔热等结构形式 ;最后 ,通过调试 ,证明设计及制造是正确的 ,并满足了使用要求     

操作参数对组合式吸热器热性能的影晌

针对3种不同相变温度的相变材料组成的组合吸热器,建立了相应的物理模型,给出了数值求解方法,计算了工质入口温度、工质流速及输入功率等操作参数对组合式吸热器热性能的影响,得到了容器壁面最高温度、工质出口温度、换热管总相变蓄热材料(PCM)熔化率等结果.结果表明操作参数对吸热器热性能有较大的影响,合理选取这些参数对吸热器的正常运行是非常必要的,结果可以用于指导吸热器的设计.      

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据，研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象，利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布，将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中，分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明：在未采取温控措施的自然对流条件下，热变形造成±1′的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度，超出允许范围，需进行温控。通过光机集成分析法，给出了不同温度下，对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系，为风冷温控系统工程化设计提供了依据。     

空间环境模拟器液氮系统数学模型

大型空间环境模拟器的液氮系统庞大复杂,为满足确定控制方案、建立故障诊断模型、技术改造等的需要,建立液氮系统的数学模型是十分必要的。以某空间环境模拟器的液氮系统为例,建立了液氮系统的数学模型;分析了系统输入参数对系统输出参数影响;最后,应用这个模型,得到了一些有益的结论,提出了一种调节阀的准稳态控制方法。     

微藻航空燃料的热氧化安定性与热沉

航空燃料安定性和热沉对飞机和发动机工作可靠性、飞机飞行安全及战术性能的发挥有重要作用。利用热重-差热分析联用仪研究了2种典型微藻航油的热氧化安定性和热沉,并与标准航空喷气燃料RP-3进行了对比。结果表明:混合生物油的失重终点温度和最大失重点的温度与标准航空喷气燃料RP-3相比均向高温区移动。在失重区间内,除了物理热沉还有化学热沉的贡献。在热重曲线中定义了2个无量纲参数:引发温度和燃尽指数,引发温度表征起始裂解温度,燃尽指数表征沉积特性。2个参数结合可以较好地诠释燃料的热安定性和热沉。球等鞭金藻油高碳数烷烃在提高热沉基础上导致碳沉积的形成,但小球藻油在热沉提高的基础上,并没有形成碳沉积。说明通过有效控制高碳数烷烃分配比例增加其热沉并控制其积碳在理论和技术上是可行的。      

热沉结构管接头的应力计算与实验验证

由于大型空间环境铝热沉设备KM6承受周期性的应力,使空间实验室结构存在安全问题,因此选择T型、L型两类典型热沉构件,运用大型计算软件PATRAN,NASTRAN对构件在压力谱与温度谱共同作用情况下进行应力分析,得到关键部位的应力.采用实验方法确定了热沉各连接部位的应力,并把有限元计算结果和实验结果进行比较.结果表明:有限元计算的结果与实验测量结果基本一致,从而可以采用计算方法确定空间实验室的工作应力,进行其结构的安全性预报.     

液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

空间环模设备液氮系统中文丘利管的研究

通过对文丘利管的工作原理的分析，阐明了文丘利管在液氮系统中所起的作用，提出了文丘利管的设计计算方法。通过对现有设备液氮系统的改造，对该系统及文止利管进行了试验验证工作。这些工作所得到的结论对新型环境模拟设备液氮系统的设计提供了重要的参考依据。     

矩形通道中亚尺度肋片的流动换热数值分析

对装有不同结构亚尺度肋片矩形通道的流动和换热进行了数值模拟,获得了通道流场、温度场分布以及平均努塞尔数的基本特征,对各种肋片通道的换热特性进行了对比分析.计算结果表明:亚尺度肋片距主肋片根部越近越有利于散热;在远离热面区域,亚尺度肋片的比表面积越大传热效果越好.当扩展表面积相同时,亚尺度肋片的长宽比越大换热效果越好;计算结果及分析揭示了控制肋片最优几何形状的统一原则——广义温度梯度均匀化原则,并依照此原则确定了可以强化换热的较优的肋片结构.计算分析表明广义温度梯度均匀化原则可以控制对流换热过程的传热强化.      

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究，重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现，容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下，能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管，蒸发器和补偿器之间相变换热强烈，引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动，且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快；随着充装量增加，环路热管传热热阻减小，280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端，得到280 K以下最大传热量为40 W，对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下，补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端，随着充装量增加，环路热管传热热阻增大，280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量，这是充装量影响环路热管性能的重要原因。      

中型空间环境模拟器真空系统的设计与模拟

探讨了用于舱外航天服性能实验的中型空间环境模拟器真空系统的设计和模拟。通过对低温泵的真空度及其抽速与液氦低温板温度的关系进行模拟,验证了真空系统设计的合理性。对中型环境模拟系统预冷采用开放式液氮以简化系统结构;对系统的主要部件液氦低温板和辐射挡板进行了构造分析和热负荷计算;分析了液氦低温板的凝结层对低温泵性能的影响。通过对液氦低温板温度场进行模拟及分析,对液氦低温冷凝面进行了优化设计与性能验证。通过对航天员氧消耗量的分析合理估算了航天员自身代谢产热,据此确定了中型空间环境模拟系统热负荷及液氦供应量。     

液氮系统设计技术

KM6空间模拟器是中国新研制的一台大型空间环境模拟试验设备，液氮系统是该设备的一个主要分系统，首次应用在中国空间模拟器低温环境模拟上。文章介绍了液氮系统设计方案的选择，提供了液氮系统的主要设计计算内容，并通过调试结果及使用情况，说明了该系统的设计是成功的，对KM6液氮系统今后的推广应用具有重要的意义。     

高碳醇/膨胀石墨复合相变热沉多目标优化

为解决高温工作环境下电子芯片的发热问题，设计采用相变材料（PCM）的控温模块，建立相变材料的控温模块模型。相变材料选择高碳醇/膨胀石墨复合材料。借助FLUENT软件进行数值模拟，探究在相同加热功率下，加热面积对控温时间的影响。对控温模块的几何尺寸进行参数分析，将数值模拟结果用于训练人工神经网络，实现对控温时间的预测。根据芯片发热功耗、芯片尺寸，通过NGSA-Ⅱ多目标优化算法优化控温模块几何尺寸，延长控温时间，降低模块质量。最终得到一系列非支配解集，可根据控温时间需求选择合适的模块尺寸设计。针对长宽为35.4 mm、发热功率为15 W的芯片进行控温模块优化设计。环境温度为80℃，温控目标小于90℃，控温时间180 s，优化后模块减重13.0%，模块内温度与液相分布也更均匀。      

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。