外热流扰动下航天器精密控温系统的设计及参数优化

对于航天器精密控温系统,外热流的周期性波动是影响被控对象温度稳定性的主要扰动来源。文章以一个典型的航天器精密控温系统为研究对象,建立了融合空间外热流扰动、系统热设计状态和控温算法的系统统一数学模型。经简化实现模型的线性化后,采用频率响应法对系统进行分析,获得了系统稳态输出的理论解。文章从航天器热控设计实际出发,分析了各热物理参数和控制参数对系统输出温度稳定性的影响,提出了以降低外热流扰动引起的温度波动为目标的热设计和控温参数优化原则和方向。文章还以海洋盐度探测卫星综合孔径辐射计天线接收机的高稳定度控温设计为实例,展示了按照上述优化原则和思路调整热控措施和控温参数,经仿真计算对比不同参数的输出效果,最终获得理想控温效果的过程。该实例验证了文章理论解和优化设计指导思路的正确有效性。     

航天飞机中的温度测量

航天飞机传感器的基本要求是稳定性和高可靠性。提高可靠性的途径是在同一测点安装备份传感器。安装温度传感器时,在关链部位必须考虑结构的力学和热学性质匹配。设计传感器应满足的要求是:结构整体化、高精度、快响应。防热系统的温度传感器仍然是传统的铂电阻和热电偶。但结构都做得很小。热流传感器则都是热电堆。其原理是利用沿热阻板厚度方向建立的温差来测量热流。它是固态传感器、输出大、精度高、为Gardon计所不及。文中还简介了安装技术和鉴定试验。     

热流现场校准装置研制及不确定度分析

为满足辐射热流测量系统的现场校准需求，基于高功率半导体激光热源发生技术，研制热流现场校准装置，介绍了热流现场校准装置的组成以及装置各组成部件的设计参数，通过光学分析软件对热流源进行光路设计，通过分析现场校准装置的各不确定度分量及计算合成的扩展不确定度，该装置实现扩展不确定度为2.7%,能够满足热流现场校准需求。     

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。     

碳/石英防热复合材料烧蚀性能

为研究碳/石英防热复合材料的烧蚀性能,采用电弧加热器和碳/石英平头驻点模型,在不同驻点压力Ps、不同热流密度q和不同焓值hs的多组合条件下进行了烧蚀试验。针对试验所得数据,利用多元回归分析方法,建立了质量烧蚀率与热流密度、驻点压力、焓值3个参数之间的数学模型,并对模型的合理性进行了检验。结果表明,所建立的3个参数数学模型对试验数据的拟合程度很好,热流密度与质量烧蚀率最为相关;与单参数、2个参数的数学模型相比,3个参数的数学模型对实验数据的拟合效果更好,能很好地反映碳/石英防热复合材料的烧蚀性能。     

TBCC燃烧室/喷管一体化壁面温度计算

基于Navier Stokes(N-S)方程组对包括隔热屏、隔热屏内外流、大气外流在内的涡轮基组合动力(TBCC)发动机燃烧室/喷管进行了一体化的气/热耦合数值模拟,考虑了燃气组分输运、辐射换热等影响,研究了其在某典型飞行状态下TBCC冲压发动机燃烧室/喷管筒体及隔热屏内外壁壁面温度、辐射换热热流及对流换热热流分布.结果表明:燃烧室/喷管筒体与对称面上下交线的壁面温度在轴向距离为0.5~2.6m内变化较小,在轴向距离为2.6~3.1m内急剧增加,在轴向距离为3.1~3.5m内急剧下降.之后,上交线筒体壁面温度沿流向减小,下交线筒体壁面温度先升高后降低.筒体壁面温度最高点在喷管下调节板收缩段,为1577K.隔热屏内壁面辐射热流在370~500kW/m2变化,上下交线处的辐射热流较外壁面的辐射热流约高300kW/m2,辐射热流沿流向先减小后增加.隔热屏外壁面辐射热流在50~200kW/m2范围内分布.      

喷注方案对圆形超燃冲压发动机性能的影响研究

在飞行马赫数Ma=6，总当量比为1.0条件下，采用三维数值模拟研究了不同喷注位置煤油当量比分布对双凹腔圆形发动机推力性能和壁面热流的影响。喷注位置包括支板壁面喷注K1，隔离段出口壁面喷注K2，第一凹腔尾缘壁面喷注K3以及第一扩张段壁面喷注K4。结果表明，K1注油当量比大小直接影响燃烧室内的燃烧模态和流道中心燃烧。为了保证发动机推力性能，K1注油须达到一定量，促使流道燃烧处于亚燃模态，且流道内具有较强的中心燃烧。为优化发动机壁面热流环境，剩余燃料需要在K2，K3和K4分散注入。K2和K3注油当量比大小同时影响第一凹腔燃烧性能，其中K2注油当量比降低，推力性能下降，但壁面热流性能提高，而适当增加K3喷注煤油，有利于提高推力性能。增加K4注油，第二凹腔及其之后流道区域燃烧增强，发动机推力性能和热流性能均提高。通过分析各注油位不同当量比分布对发动机力热性能的影响规律，最终获得了力热性能较优的注油当量比分配方案，此时K1～K4注油当量比大小依次为0.6，0.1，0.1，0.2。     

宽范围热流密度丝状加热装置的设计仿真与试验研究

为满足航天器热试验对宽范围外热流模拟的需求，设计研发了一种“随形式”丝状加热装置。该套装置基于铠装加热丝设计，可根据产品不同的形状和表面状态加工，该套丝状加热装置理论上可实现20～1500 W/m2的宽范围热流密度的模拟；在真空低温条件下实际测试其稳态温度控制精度在±0.35 ℃以内，温度稳定性在±0.7 ℃以内，热流不均匀度优于2.5%。     

新型树脂基复合材料引射因子测试

通过合理设计对比模型，提出一种新型树脂基复合材料引射因子测试方法，针对新型树脂基复合材料开展电弧风洞试验，获得树脂基材料有热解气体引射和无热解气体引射时壁面热流密度，研究树脂基材料在特定热环境条件下的引射效应，获取能够评价新型树脂基材料引射效应的引射因子。结果表明：试验状态下，石英酚醛复合材料炭化速度大于石英杂化酚醛复合材料；石英酚醛复合材料引射因子约为0.825，在实际设计中此类材料需要考虑引射效应对表面热流的影响；石英杂化酚醛复合材料引射因子约为1，热解气体引射产生的热阻塞效应基本可以忽略。     

陶瓷基复合材料旋转爆震燃烧室壁面冷却研究

为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度，设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟，获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化，将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上，提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明：燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低，扩散区的平均热流密度最大；陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度，在相同冷却流量下，矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面，可以将燃烧室壁面的温度降到1 200 K以下；燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。