对地探测航天器舷窗热门技术的应用与传热简析

针对舷窗热门的应用背景进行了概述,以首次在我国某型号卫星上应用的舷窗热门为例,介绍了对地探测舷窗热门的典型结构设计和热设计。当热门处于不同的工作状态时,分别对舷窗玻璃和热门盖板建立微分方程,利用数值方法进行求解,并将求解结果与试验结果进行比较。由分析可知,采用舷窗热门可以有效降低空间恶劣热环境对于舷窗玻璃温度场的影响。     

载人飞船舷窗防热与密封结构的设计与试验

讨论了研制中国载人飞船舷窗防热和密封结构的几个技术难题:1)保证舷窗在返回的高温环境中防热与密封可靠;2)保证窗玻璃材料与周围防热材料烧蚀同步,避免出现局部干扰热流;3)进行多种异质材料,包括透明材料组成的复杂结构温度场的分析计算;4)通过地面模拟试验准确地预测实际飞行条件下舷窗的防热与密封性能。文章阐述了解决这些难点的主要方法和结果。神舟一号至神舟六号的飞行成功表明,舷窗结构的防热和密封性能良好,同时,也给舷窗防热与密封设计技术做了多次飞行验证。     

红外灯阵热流不均匀度测试原理分析

文章分析了硅光电池用于红外灯阵热流不均匀度测量的原理,建立了硅光电池的简化数学模型,并用非线性最小二乘拟合方法,根据少量测量数据较准确地求得了硅光电池等效参数.另外,文章推导了硅光电池光生电流与达到热流密度的关系,并探讨了红外灯阵热流不均匀度的测试方法.     

微小碎片对航天器舷窗玻璃损伤状况的跟踪研究

空间微小碎片环境比较复杂,其来源包括人为产生的碎片及微流星体。空间微小碎片不仅速度较高,而且数量庞大。它们频繁撞击航天器外表面,包括舷窗部位,特别是对航天飞机舷窗已造成巨大危害,使长期服役的国际空间站舷窗玻璃存在安全隐患。文章简要介绍了空间微小碎片对航天飞机和空间站舷窗玻璃的损伤状况,以及NASA对此做出的改进措施,这些跟踪研究成果可为我国长寿命、高可靠航天器舷窗结构设计提供参考依据。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

红外灯阵热流密度不均匀度测量方法的探讨

利用红外灯阵模拟空间外热流前,需对灯阵的热流密度不均匀度进行测试.文章通过实验证实利用硅光电池进行红外灯阵热流密度不均匀度测量是可行的,且负载电阻应尽量小,一般为1Ω.文章还对不均匀度的评价指标进行了分析,建议在使用δ作为不均匀度评价指标的同时,增加一个相对标准差指标δσ,并建议其应小于2.5﹪.     

载人航天器舷窗玻璃弹抛方案研究

介绍了载人航天器舷窗玻璃弹抛方案的论证、设计及其原理性试验。通过对国内外舷窗玻璃弹抛方案分析、比较，结合目前载人航天器的实际情况，确定了手动机械弹抛的方案。该方案较好地解决了连接、解锁、弹抛问题。     

计算外壁热响应的非线性瞬态导热反问题方法

研究组合结构外壁热响应特性,采用Beck’s序列函数法,优化算法各个环节,建立应用多个温度测点、多个未来时间步的计算模型。文章通过假设热流变化呈三角波形,计算结构内部温度场,并取其中数点温度信息作为反问题输入条件迭代反演得到外壁热流响应,得到热流误差不超过0.5%、温度误差不超过0.01%的理想结果,并得到测点数量、位置等因素对计算误差的影响。该计算方法可应用于包装结构在模拟火灾等特殊环境中的外壁热响应研究。     

再入航天飞机表面热流密度辨识

本文给出了求解表面热流密度辨识这一热传导逆问题的顺序函数法。然后以某模型航天飞机迎风中心线上的某特征点为例，将航天飞机再入时的表面热流密度辨识问题简化为一维模型问题，用顺序函数法来对该特征点上的对流加热流密度进行了仿真辨识，得到了较理想的辨识结果。该方法在航天研究领域有着良好的工程应用前景。     

PMMA激光点火特性研究

采用CO2激光点火实验系统,研究了常压下PMMA的点火过程以及点火延迟时间与点火热流密度的关系。研究结果表明,随点火热流密度的增加,PMMA的点火延迟时间减少;当点火热流密度大于286 W/cm2时,热流密度对点火延迟时间的影响变小;当点火热流密度较低时,点火延迟时间随着热流密度的减小而急剧增加,且存在点火的最低能量阈值。最后,给出了常压下热流密度范围为70～881 W/cm2内的PMMA点火延迟时间与点火热流密度的数学关系式。     

隔热层厚度和数量对太空多层光学窗口温度分布的影响

 航天器上常安装有用于科学观察的多层光学窗口,其温度分布的均匀性会影响成像质量。运用射线踪迹-节点分析法的任意多层镜反射辐射与导热耦合换热模型,研究了隔热层厚度及数量对太空中多层光学窗口温度分布的影响。光学窗口的吸收系数、折射率随波长的变化用一组矩形谱带来近似。研究显示太空中热辐射在光学窗口的冷却过程中起着非常重要的作用,在离玻璃层表面附近很薄的一层玻璃介质内,辐射与导热存在强烈的耦合作用。隔热层厚度越薄,其内的温度分布越均匀,有利于提高成像质量。隔热层数量越多,光学窗口各层玻璃的温度分布越均匀,有利于提高成像质量,但是隔热层最佳数量的确定还需综合考虑其它因素。     

卫星系统热特性分析

考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响,建立卫星温度场计算模型,在采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)法求解卫星复杂辐射边界条件的基础上,利用有限容积法对卫星在轨飞行阶段的瞬态温度场进行数值模拟,计算得到卫星瞬态温度场,并考虑其表面自身辐射及空间轨道外热流等因素,建立卫星红外辐射通量计算模型,计算得到不同时刻、不同热载荷情况下的卫星红外辐射通量分布,并简要分析了在轨卫星热控涂层衰减所带来的表面太阳吸收比的变化对卫星温度场的影响。     

红外笼模拟外热流方法对空间相机温度的影响分析

空间相机的热平衡试验中,一般采用红外笼—热流计的闭环控制系统来模拟相机进光口处的外热流。为研究该种热流模拟方法对相机温度场的影响,建立了简化的模型进行分析。分析结果表明,红外热流模拟对相机温度场的影响体现在相机整体温度水平和光学件温度均匀性两个方面。对于有精密控温要求的空间相机来说,这一影响产生的误差是必须考虑的。     

一种基于空间相机热特性的高精度控温方法

为提高空间相机的控温精度以保证成像品质,文章提出了一种基于空间相机热特性的高精度控温方法。该方法从相机控温回路所控区域的能量平衡方程出发,根据控温区域自身的热特性参数,综合考虑其它控温区域对其传热影响以及外热流变化等因素,最终确定本控温周期内的主动控温功耗或加热占空比。通过建立某相机热模型,分别施加上述控温方法与开关比例控制算法,对控温效果进行了仿真对比。结果表明,该方法的控温精度显著优于常用的开关比例控制。     

敏捷型卫星的相机外热流变化及其抑制措施效果分析

文章根据空间外热流理论建立了敏捷型遥感卫星的空间相机外热流计算模型,针对相机的外热流变化情况,选择典型计算工况并对其外热流特性进行了仿真分析,得出了工作模式及卫星姿态变化对相机主要部件热流的影响。为解决外热流分布不均和波动剧烈问题,提出了加长相机遮光罩和加装热防护门2种抑制方案,并对方案的效果进行了分析评价。     

固-液相变装置传热性能数值计算研究

卫星内安装的某些设备在轨长期工作时要求维持较恒定的温度,特别是热容较小的设备受外热流影响温度波动会比较大,文章在传统热控设计的基础上增加了相变装置,利用焓法建立了设备、蜂窝板、相变装置统一的控制方程,研究了空间环境下相变装置的热性能。结果表明:采用相变装置有助于提高散热面的等温性,同时能够有效降低设备的温度波动范围,为航天器内设备的热控设计提供了一定依据。     

Finger heat flux/temperature as an indicator of thermal imbalance with application for extravehicular activity

The designation of a simple, non-invasive, and highly precise method to monitor the thermal status of astronauts is important to enhance safety during extravehicular activities (EVA) and onboard emergencies. Finger temperature (Tfing), finger heat flux, and indices of core temperature (Tc) [rectal (Tre), ear canal (Tec)] were assessed in 3 studies involving different patterns of heat removal/insertion from/to the body by a multi-compartment liquid cooling/warming garment (LCWG). Under both uniform and nonuniform temperature conditions on the body surface, Tfing and finger heat flux were highly correlated with garment heat flux, and also highly correlated with each other. Tc responses did not adequately reflect changes in thermal balance during the ongoing process of heat insertion/removal from the body. Overall, Tfing/finger heat flux adequately reflected the initial destabilization of thermal balance, and therefore appears to have significant potential as a useful index for monitoring and maintaining thermal balance and comfort in extreme conditions in space as well as on Earth.     

飞行器高热流密度长时间测试方法

为实现对飞行器高热流密度热流的长时间测量,文章提出了一种以与高导热金属蜂窝材料复合的相变材料作为热沉的热流计,利用相变材料的潜热持续吸收热流计所接收的热量,可以对1 MW·m-2的热流密度持续测量2000 s以上。利用显热容数值方法建立了高热流密度长时间持续测量的分析模型,研究了热沉相变材料的热导率、相变温度、相变潜热等物性参数对测量方案的影响。研究结果表明,应选取热导率较大、相变温度较低且高于初始环境温度,以及相变潜热较大的相变材料作为长时间高热流密度测量的热沉材料。     

基于机械泵控制的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统仿真分析

文章分析用于空间环境下的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统原理,通过节点网络法建立该热控系统4节点热网络模型;运用数值仿真方法,以机械泵为控制对象,对该系统分别采用PID控制和模糊增量控制方案的热控效果进行对比。结果表明,模糊增量控制与PID控制相比,超调量较小且达到稳态时间短,具有良好的控制鲁棒性。     

基于蒙特卡罗方法的红外灯热流分布研究

采用蒙特卡罗方法针对我国航天器热平衡试验用红外灯的热流分布进行了研 究。对红外灯能束辐射过程的物理模型进行了分析,建立了能束辐射随机位置、随机方向的 数学模型和灯丝温度计算模型,给出了辐射波长、灯管反射率、吸收率、透射率的确定方法 ,进而提出了红外灯热流分布计算流程。在真空低温环境下进行了红外灯热流分布测试,将 预测结果与试验结果进行了对比,偏差在5％以内。采用本文的分析方法计算了某型号卫 星试验用红外灯阵的热流分布,结果满足试验要求。该方法可以作为红外灯阵优化设计的技 术基础。