卫星磁载荷现场校准技术研究

本文介绍了一种卫星磁场探测载荷现场校准技术,设计了拆分式磁场线圈、无磁支架等,研制了校准装置。利用该技术实现了对卫星磁载荷在整星测试、发射前等多个阶段的测试校准,解决了卫星载荷在星体装配完成后无法测试的难题,提高了磁载荷测试数据可靠度,保证了科学实验的有效性。该校准技术已服务于我国首颗地磁监测试验卫星(张衡一号卫星),对其磁场探测载荷在整星测试、出厂测试、发射场技术确认等多个阶段进行了校准,取得了很好的应用效果。     

微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

火星大气层的主要成分为二氧化碳，如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳，使其转化为氧气和一氧化碳加以利用，可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本，进一步提高生命保障能力。低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分，可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离，是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式。设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器，可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解。测量了反应器电流、功率等放电参数，采用发射光谱确定了体系中激发态组分，分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化，利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度。研究表明，添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解，添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程。稀释气体激发态因具有高能量，可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解。氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能，可以促进二氧化碳的电离反应。微等离子体内存在强烈的振动 平动非平衡现象：振动温度约为4400~4800K，而气体温度仅为450 ~600K，表明可以通过合理的放电和结构设计，定向将能量注入到振动态，从而进一步促进二氧化碳的振动解离。     

临近空间大气中波红外辐射特性的数值分析研究

介绍了临近空间大气环境特点及其非局域热平衡状态的辐射传输计算方法。利用战略高高度辐亮度代码SHARC（Strategic high-altitude radiance code），计算了3—5 μm波段不同观测条件、光学现象及大气环境下的临近空间大气背景辐射。分析结果表明：临近空间中波红外辐射随观测天顶角的增大而增强，随太阳天顶角的增大而减弱；在38 km及75 km附近，临边背景辐射存在极大值；纬度越高，临边背景辐射的季节变化特征越明显。OH夜气辉和极光对背景辐射有重要增强作用。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

S弯二元喷管红外辐射特性实验

基于轴对称排气系统设计了一套S弯二元喷管的实验模型,在实验工况下测量了喷管实验件的部分流场参数和远场红外辐射特性,对S弯二元喷管的红外辐射特性进行了分析和研究,并与基准轴对称喷管的红外辐射实验结果进行了对比。结果表明:上方探测平面是S弯二元喷管的主要辐射方向,其最大辐射角度为15°,在该方向角上固体壁面辐射的贡献最大。下方和侧向探测平面各方向角的红外辐射强度明显小于上方探测平面,主要是由于S弯二元喷管遮挡了大部分的内部高温壁面。与基准轴对称喷管对比,S弯二元喷管有着明显的红外抑制作用,在尾部方向S弯二元喷管的积分辐射强度相比轴对称喷管降低了81%,最大辐射强度相比轴对称喷管降低了47%,燃气辐射降低50%。      

基于G-M制冷机的大尺寸冷屏设计方法

介绍了基于Gifford-Mcmahon (G-M)制冷机的大尺寸冷屏的设计方法。该低温冷屏配合真空环境模拟室共同使用，为遥感卫星的星载遥感器等部件的红外定标试验提供20K的低温冷背景。该冷屏采用5台G-M制冷机进行制冷，外形尺寸达到1m×1m，是目前国内同类型冷屏中尺寸最大的。详细介绍了冷屏在容器内的安装布置、冷缩时的补偿等结构设计方法、冷屏的表面温度分布以及降温时间等计算分析。成功解决了大尺寸冷屏在低温环境下的冷缩补偿难题，试验结果表明:冷屏主要测点温度为15K，温度均匀性误差为±1K，达到并超过设计要求。      

Energy requirements of a thermally processed ISRU radiation shield for a lunar habitat

The purpose of this study was to establish, on a first principles basis, the order of magnitude of energy requirements for a thermally processed, lunar regolith radiation shield constructed using an in-situ resource utilisation (ISRU) approach. This was done by developing a reference scenario habitat and using thermodynamic relationships and specific heat capacity expressions to determine the energy required to bring such a regolith volume up to sintering temperatures (c. 1,375 K). Once the energy requirements were developed some power system architectures were outlined conceptually and a nuclear power plant of c. 400 kW was suggested as a means to supply the necessary energy. This is well beyond current space nuclear applications. The study concludes that it is likely that the most efficient near-term solution is chemical processing of regolith, from an energy requirements perspective. The technology is also more mature and likely to be delivered on near term projects as it does not require such scaled-up power system architectures. Alternatively, bringing storm shelters up with the habitat to provide a means of weathering major solar events, and adding additional radiation protection to habitat quarters, possibly through a water blanket or similar mechanism, could provide a non-ISRU solution with current technology. However, in the longer term, the development of MW-scale power system architectures (fission, solar etc.), may permit a very large volume of material to be processed thermally for construction material, making a large, permanent human presence on the Moon more easily realisable.     

三轴承矢量喷管红外辐射特性

针对涡扇发动机用三轴承矢量喷管（3BSN）,通过数值模拟的方法研究了在巡航和垂直起降（VTOL）状态即非矢量和90°矢量状态下三轴承矢量喷管的红外辐射空间分布特征,并分析了其影响机理。结果表明,在非矢量状态下由于特殊的几何型面使得喷管下壁面出现了局部高温区,喷流形状也变成椭圆锥形,造成垂直探测面上正探测角壁面红外辐射较负探测角最大增加44.6%,水平探测面上的燃气红外辐射大于垂直探测面;90°矢量状态下,由于偏转的喷管结构对前端高温部件的遮挡,总辐射峰值仅为非矢量状态的43.3%;喷管90°矢量偏转使得远离曲率中心一侧的气流速度降低温度升高,喷管外侧出现了大范围的局部高温区,导致垂直探测面负探测角范围的壁面辐射大于正探测角范围,最大相对差值达到71.9%。喷管偏转也遮挡了部分喷管内部的高温燃气,垂直探测面负探测角的仅能覆盖喷管出口处的高温燃气区域,明显小于正探测角,造成燃气辐射出现了20%的最大相对差值。     

原位生长铝基复合材料的工艺研究

以金属氧化物粉末和铝进行置换反应原理为基础,对挤压铸造法,超声振动反应法制备原位生长的铝基复合材料的工艺进行了探索。光学金相观察和Ｘ射线衍射分析表明：挤压铸造过程中,金属氧化物与铝几乎未发生反应,挤压扣的复合材料经进一步热处理后,反应进行完全,得到Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ复合材料;热处理后,复合材料的显微硬度值有明显的改变;     

钛合金的离子束改性

钛合金是航空航天工业常用的结构材料,它具有重量轻、强度高、抗腐蚀强等优良性能,但耐磨性较差.为提高其耐磨性,对TC4、TA7航材试件,采用溅射方法在其表面镀上钛膜,并用(N^＋＋N^＋₂)混合离子束进行动态反冲注入及单元素C^＋离子束注入两种方法,进行表面改性.精密摩擦、磨损试验及显微硬度测量结果,试件表面的滑动摩擦系数降低了64%~77%;磨损率减少了22%~48%;显微硬度提高0.3~1.4倍.证明离子注入有效地改善了合金表层的摩擦、磨损性能.对注入样品进行X射线光电子能谱(XPS)分析,发现注入后的钛合金表层,生成了大量的TiO₂,并析出TiN,TiC等金属化合物,这是降低摩擦系数,提高耐磨性的主要因素.添加C^＋离子注入的试件,其力学性能并无进一步改善,原因有待分析.