具有恒热流边界的水升华器启动特性实验

水升华器是具有短时大功耗或所处环境温度较高的航天器较为理想的散热装置。以往的研究工作对水升华器的启动性能关注较少,本文对水升华器启动工作机理及其影响因素进行了分析,对初始温度、给水压力及热负荷对水升华器启动过程瞬态特性的影响开展了实验研究。结果表明:具有恒热流边界的水升华器在不同条件下启动后,均可以在给水后的短时间内建立稳定的相变工作模式;水升华器目标温度所能达到的稳定温度水平主要受热负荷的影响,而受启动初始温度和给水压力的影响较小;水升华器的启动响应时间与其初始温度、给水压力及热负荷均分别呈线性关系,较高的初始温度会增加水升华器的响应时间,而增加给水压力及热负荷则缩短了水升华器的响应时间。由实验数据分析得到的拟合系数1/aq0可以作为水升华器多孔板和加热面之间的等效换热系数。     

水升华器散热系统分析

 对舱外航天服热控系统所采用的多孔板水升华器的主要工作模式进行了讨论。研究了控制升华模式和周期模式工作的参数。在对多孔板多孔结构进行简化假设的基础上,建立了相关的数学模型,来预测水升华器的工作模式和换热器表面的温度。     

多孔板结冰自强化效应对水升华器性能的影响

水升华器是一种利用水作为消耗性介质的相变散热装置,在航天器热控及生保系统中得到了广泛应用。在水升华器启动及运行过程中多孔板内部发生的结冰膨胀现象会对多孔板微观结构进行再加工;由于形变硬化效应,水升华器多次工作后,多孔板的塑性将逐渐降低,结构参数将逐渐固化,将这一过程定义为多孔板的自强化。而多孔板微观结构的变化,将对水升华器防击穿能力、稳态散热功率等宏观性能产生影响。在对水升华器工作机理进行分析的基础上,从微观角度定性研究了水升华器多孔板的结冰自强化机理,并针对自强化效应对水升华器宏观性能的影响开展了实验研究。结果表明：对于本文结构的水升华器,在同一条件下,稳态散热功率随着启动次数的增加而减小,且每次减小的幅度逐渐降低,在启动3~4次后稳态散热功率逐渐趋于稳定。由实验数据得到了水升华器稳态散热功率与启动次数之间的拟合关系式;渗透率越大的多孔板,水升华器工作过程对多孔板的再加工程度更大,因而自强化效果更明显;自强化效应还可以提高水升华器的防击穿能力。研究结果为探月三期工程嫦娥五号探测器提供了一定的设计依据。     

中国航天器新型热控系统构建进展评述

热控是由工程热物理与航天技术相互促进发展而形成的一门交叉学科,直接影响着航天器的总体设计水平。随着中国航天事业的飞速发展,对热控设计提出了越来越高的要求,并已成为制约中国航天器设计水平的关键瓶颈技术之一。本文综合评述了中国航天器新型热控系统构建的最新研究成果和进展,具体包括：针对载人航天、探月工程等不同任务需求,构建出了相应的新型热控系统,开发出了以泵驱单相流体回路、重力驱动两相流体回路、环路热管与水升华器等为代表的一批新型热控产品。在此基础上,结合中国航天工程实际需求,指出了今后的主要研究方向。     

空气冷却旋转盘的萘升华传热—传质模拟实验研究

对空气冷却的旋转盘换热进行了萘升华传热—传质模拟实验。共采用两种模型 :自由盘的实验结果与换热实验数据和理论预测吻合得很好 ;对带罩盘模型得到了盘表面局部施伍德数 sh和平均施伍德数 sh以旋转雷诺数 Reo、流量系数 Cm、间距比 Gs和间隙比 Gc为参变量的实验数据。实验结果对旋转盘 (如涡轮盘 )的换热研究有一定参考价值。     

基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制（HLFC）对转捩位置的影响。结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制。实验结果表明：萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6°到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量。     

基于升华法实验研究后掠翼三维边界层的转捩

在西北工业大学的低湍流度风洞,采用升华法研究不同雷诺数下后掠翼上表面的转捩现象。实验发现雷诺数较低时,后掠翼上的转捩由流向不稳定触发,转捩位置在最小压力点之后,转捩分界为一条直线;当雷诺数足够大时,转捩由横流驻波不稳定触发,转捩提前到最小压力点之前,转捩分界呈现尖楔形状。该结果表明升华法不但能够较准确地分辨出后掠翼上的转捩位置,还能够区分不同的转捩机理,判断转捩是由流向不稳定还是横流驻波不稳定触发。此外,实验中还发现在横流驻波不稳定增长较大时,升华法能够提供转捩上游区域边界层内的横流不稳定信息;当横流驻波不稳定进一步增强时,该不稳定受模型表面粗糙度的影响较大,萘的喷涂有可能会影响到升华法的结果。     

嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线设计及实现

针对嫦娥五号着陆上升组合体月面无人自动采样任务中面临的热控难题,提出一种轻量化泵驱单相流体回路热总线及设计方法,通过热总线将结构板式固定辐射散热面、消耗型散热装置高温水升华器构建为一套组合式热沉,实现了探测器组合体能量的一体化调度管理与在轨分离重构,热总线系统干重15 kg,占热控系统重量的比例在20%以下。在轨飞行结果表明：轻量化泵驱单相流体回路热总线工作正常,管路沿程温差小于7℃,热排散能力达30 W/kg。上升器月面起飞前热总线分离重构过程中工质排放压力变化曲线与地面实验结果一致。流体回路热总线在轨各项性能指标均符合设计预期,验证了轻量化泵驱单相流体回路热总线技术的合理性与可行性,亦可为其他类型航天器热控设计提供参考。     

气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

重力辅助环路热管稳态运行特性的实验研究

 随着环路热管应用领域不断扩展,其可能在各种姿态下运行,包括重力辅助姿态。对环路热管在重力辅助姿态下的稳态运行规律和特性进行了实验研究,并同平放及反重力条件下的运行特性进行了比较。通过实验可得出,在重力辅助姿态下,环路热管存在两种驱动模式,即重力单独驱动模式和毛细力与重力共同驱动模式。当热载荷较小时,环路热管工作在重力单独驱动模式,蒸汽管线内为气液两相工质,回流液体对储液器的冷却作用加强,运行温度明显低于平放及反重力条件下之值,热导显著增大;当热载荷大于某一临界值,环路热管工作在毛细力与重力共同驱动模式,蒸汽管线内为单相蒸汽,运行温度同平放及反重力条件下之值基本一致。最后,从环路热管系统压力平衡和储液器能量平衡的角度对上述实验现象进行了解释和分析。     

高超声速飞行器舵面作动器舱环境设计及应用

针对高超声速飞行器热结构区域作动器舱环境控制相关技术进行研究,包括耐热结构可重复使用防热设计、外部热结构的作动器舱热防护构型设计和作动器舱动密封设计等。根据舱体的不同部位采用隔热式、辐射式和热沉式的防热构型,而作动器与舱体的运动间隙密封则采用一体式动密封构件。通过隔热特性分析、承载能力分析和热设计仿真分析等手段,优选出合理的热防护系统的适用参数。     

声/热/静联合载荷下钛板结构响应特性研究

复杂耦合载荷环境是导致高速飞行器进气道等部件破坏的重要因素。为预测静力、噪声、热等联合载荷作用下进气道壁板结构的响应特性,进而指导其结构设计及试验,以四边简支典型钛合金壁板结构为研究对象,由薄板大挠度运动方程出发,结合有限元法计算得到钛合金板的热屈曲系数、热模态特性以及预应力作用下的模态特性,利用顺序耦合方法计算壁板的热声响应。利用Newmark时间积分方法对计算进行非线性处理,分析得到壁板中心处的频率响应特性,采用蒙特卡洛法生成时域随机载荷,在此基础上计算得到钛合金壁板在静力、热、噪声联合载荷下的时域响应特性曲线。结果表明:热声载荷作用下,四边简支钛合金壁板结构的临界屈曲温度较低,容易产生屈曲,屈曲后结构的模态和频率均发生改变,其热声响应呈现复杂的非线性特征,静力、热、噪声联合条件下,由于静力的刚度硬化/弱化效应,壁板的热声跳变持续时间较短,且较快进入后屈曲状态。     

机动目标拦截末制导状态估计器的误差特性

 针对大机动目标拦截问题,分析了末制导阶段目标机动条件下状态估计器的误差特性。首先将目标机动输入未知时的状态估计器模型表示为一随机线性混合系统,当混合系统的模式跳变事件满足可观测性条件时,模式决策过程可等效为真实模式的延迟;随后推导了模式决策延迟条件下估计误差的动态方程与传递函数,并得到了一定误差要求下模式决策延迟的上界与目标机动模式逗留时间的下界;最后通过空空导弹拦截高速战机的典型实例验证了该理论分析的正确性。研究结果为设计此类线性混合系统估计器提供了理论依据。     

双储液器环路热管稳态运行特性的实验研究

 双储液器环路热管的独特设计可以解决常规单储液器环路热管地面重力场中运行姿态受限的问题,拓展常规环路热管的应用领域。对双储液器环路热管在3种特定姿态下的稳态运行特性进行了实验研究,验证了双储液器环路热管即使在最为苛刻的姿态下仍可正常运行的能力。通过对实验结果的分析可得：双储液器环路热管在重力辅助姿态下的工作温度偏低是由系统外回路压降变化引起的;可变热导区内工作温度随热载荷的变化是由控温储液器的能量平衡所决定。此外,实验发现双储液器环路热管在热载荷递增和递减过程会出现温度迟滞现象。     

交会对接成像敏感器成像参数设计

基于交会对接成像敏感器在轨成像目标相对距离变化较大的特性,分析了敏感器嵌入式软件对曝光积分时间、激光发光功率等各项成像参数配置的方法。针对有先验数据、无先验数据初始捕获、跟踪模式等三个不同的工作模式特性与模式切换逻辑,设计了一种初始捕获参数试配方法,并将其与跟踪模式下的最优化参数实时计算相结合,形成了完整的交会对接成像敏感器成像参数设计方案,并进行了仿真测试,结果表明该方法能够有效确保在轨实时图像清晰度满足位姿测算要求,可为交会对接末段制导相对位姿测算提供保障。该方法拟应用于我国后续交会对接任务中。     

容器单元表面热辐射率对吸热蓄热器的影响

吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一,主要作用是吸收太阳入射热流和蓄热。由于吸热/蓄热器内换热管各容器单元表面温度不同,热流通过热辐射重新分布,所以容器单元的表面热辐射率将很大的影响吸热器的热性能。通过太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算吸热器的传热过程。计算得到了两种典型的换热管表面热辐射率下吸热器的能量损失、工质吸收能量、换热管最大温度,工质出口温度等结果,进行了比较分析,说明了表面处理对于吸热器热性能的重要性。计算结果可以用于吸热器的设计。      

LENS风洞试验返回器模型气动热特性模拟

国家数值风洞高超声速流动模拟软件HyFLOW的研制对打破国外同类软件的技术壁垒具有重要意义。与国外DPLR软件进行了对比研究，同时系统介绍了HyFLOW软件求解器的数值方法、物理化学模型以及壁面催化特性计算模型等主要方法，采用典型算例对有限催化模型进行了数值验证，最后基于LENS风洞试验146 mm返回器标模外形开展了高超声速气动热特性数值模拟。研究结果表明，HyFLOW软件在高超声速热化学非平衡流动模拟与评估方面的气动力计算精度高，与国外同类软件DPLR相当，同时其壁面催化条件下的气动热计算精度可靠，可信度高。     

基于LBM-LES方法两栖水翼航行器水动特性分析

目前,国内外对于两栖航行器气动/水动特性的研究仍处于探索与发展阶段。结合鱼雷及水翼船的特点,提出一种通过改变外形实现水下、水面航行的新型两栖水翼航行器。基于LBM-LES方法对航行器水动特性进行数值仿真,得到航行器在水下、水面航行时的升力、阻力曲线。结果表明:在水下航行时,收缩水翼的航行器在较小的迎角范围内阻力较小,适合高速航行;在水面航行时,展开的水翼增大了航行器的升力、减小了阻力;通过改变外形航行器能够满足在水下、水面的航行要求,其外形设计及两栖航行性能还有较大的优化空间。     

单喷嘴燃烧室传热特性的测量方法

为开展燃烧室的传热特性等研究,采用了以紫铜作为材料的容热式推力室身部,通过测量热试车过程中身部壁温,来获得推力室内壁温度、热流沿轴向的分布。为测量数据设计了数据处理方法,以利用测得的温度值获得内壁温和热流值,且进行了主要误差估计。将该方法在气气喷注器推力室上进行了应用,研究了其传热特性。     

新型人工转捩技术及风洞试验验证

给出了一种新型分布型人工转捩粗糙元设计技术,该技术解决了传统人工转捩方法在跨声速风洞试验中存在的效率低、可靠性和重复性差等问题。通过理论研究确定了该转捩技术的形式,包括粗糙元形状、高度和排列方式等技术参数以及针对不同模型的设计方案;同时对翼型模型(NACA0012)和全机模型(GBM-01或AGARD-B标模)在不同马赫数和迎角下分别进行了测压和测力风洞试验,借助升华法,对人工转捩技术的边界层转捩效果进行了验证研究。结果表明:在不同模型上使用不同的设计方案,该转捩技术可以得到可靠的固定转捩效果,并获得具有大气飞行中高雷诺数特点的气动力结果。