Spacecraft “Foton-M” in-flight thermal conditions

The problem of thermal conditions aboard the “Foton-M” spacecraft during its orbital flight is under consideration in this paper. The problem is very acute for performing microgravity experiments onboard of the orbital platform, because on one hand, many experiments need a definite temperature range to be performed, and on the other hand all electrical devices aboard radiate heat. To avoid uncontrolled heating of the environment special heat exchangers are used. To transport heat from different places of the capsule to heat exchanger special fans are installed given definite orientation. All the heat exchange facilities should be designed in advance being adjusted to current capsule loading and heat radiation by equipment. Thus special tools are needed predicting the capsule thermal conditions being function of equipment placement.The present paper introduces a new developed prognostic mathematical model able to forecast temperature distribution inside the capsule with account of fan induced air flows, thermal irradiation by scientific equipment and heat losses due to cooling system.     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。     

航天器密封舱微重力对流传热与传质地面试验模拟方法理论分析

针对航天器密封舱内气体对流传热传质地面模拟试验问题，依据传热传质相似试验理论方法，进行了初步的理论分析，包括热缩比模型法和降压法，给出了它们相似试验的相似律及它们应用的约束条件，并从理论上定性分析了不同试验方法的优缺点。分析表明，在重力条件下，热缩比模型法在保持Reynolds数不变的前提下可明显抑制传热传质过程的温差和密度差对流动与传热传质的影响，而且抑制效果与缩比比例的三次方成正比；而降压法在保持Reynolds数不变的前提下同样可明显抑制自然对流的影响和密度差对流动与传热传质的影响，但对自然对流和传质过程的密度流的抑制效果有所不同。     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

树脂基防隔热复合材料高温响应分析方法研究进展

针对树脂基防隔热复合材料高温条件下复杂的热/力/化学的多场耦合问题，从高温性能预报模型、高温响应求解方法和高温试验测试三方面进行了论述。详细介绍了研究树脂基防隔热复合材料高温响应相关的热解动力学模型、材料高温热物性及力学性能演化表征方法、材料高温响应模型的求解方法以及表征材料高温响应的多种高温试验测试手段。对上述研究方法的发展进行了评述，并对未来发展趋势进行了展望。本文有助于相关研究人员认识和发展树脂基复合材料在高温下的热力响应分析方法，也可供工程技术人员对这类材料的防隔热性能和高温承载性能进行研究。     

A new facility for fluid sciences: The liquid structure facility

The Liquid Structure Facility (LSF) is presently under development under ESA contract. It will be able to perform a wide range of fluid science experiments taking use of the determination of the velocity, temperature, concentration fields and the interface shape deformation. This facility will be activated by telecommands and/or manually by the crew. The key points of the LSF are the different diagnostic configuration capabilities, the modularity of the facility, and the accuracy of the control at the boundary conditions (and thus of the stimuli). The LSF is structured around four different modules:

• —the cell module which is exchangeable and is dedicated to an experiment or to a group of experiments, it allows to achieve a high accuracy level for the boundary conditions

• —the temperature control module using a liquid cooling loop which can impose a good thermal stability to the cell module

• —the diagnostic module

• —the electronic and data handling module.

The capabilities of the facility are described in terms of stimuli and diagnostic performances.     

气?面相互作用对均匀加热微梁系统中稀薄气体流动特性影响的数值研究

在微型设备和宏观尺度的真空环境中，非均匀温度场会引起稀薄气体流动，且浸没在气体中的结构会受到辐射力。文章采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法结合Cercignani-Lampis（CL）气?面相互作用模型，研究法向能量调节系数（NEAC）和切向动量调节系数（TMAC）对一对冷热微梁周围稀薄气体流动特性的影响。研究结果表明，流场结构、传热特性、压力分布和辐射力特性对表面调节系数的变化高度敏感——在单独改变冷梁表面调节系数的情况下，辐射力随着NEAC的降低呈近似线性增加，随着TMAC的降低呈非线性减小；在同步改变冷梁和热梁表面调节系数的情况下，辐射力随着TMAC的降低呈非线性增加，随着NEAC的降低呈先减小后增大的趋势。研究结果可作为设计、制造MEMS器件时的选材参考，以获得尽可能大的辐射力。     

低温推进剂热分层研究

通过详细分析热分层产生的机理,阐述了低温流体热分层所引起的流体温度分布、气液界面现象以及箱体压力增加过程。对有关流体热分层的试验研究以及数值模拟的文献进行了整理;对不同低温流体工质、箱体初始设置参数及尺寸参数、箱体形状、壁面曲率大小、壁面是否加肋片以及箱体晃动旋转等对热分层的影响进行了分类总结;对不同热分层数学物理模型进行了系统对比。介绍了不同重力水平下,流体流动状态与热分层的关系。归纳了有关热分层现象的一些重要结论,阐明了我国在该领域开展研究的必要性。最后指出低温流体热分层对推进剂箱体优化设计及安全运行的重要意义。     

一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析

为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。     

低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

为分析热老化后三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在低温动态准双轴加载下的性能，开展了不同热加速老化时间、不同温度和应变率条件下推进剂的准双轴拉伸力学性能试验及扫描电镜(SEM)观察试验。试验结果表明：热加速老化前后，推进剂的拉伸曲线趋势、力学性能变化规律及细观损伤形式保持一致，改进型非线性模型能够更好地描述1~100 s -1 应变率范围内典型力学性能参数随热老化时间的非线性变化关系。随温度降低，老化后推进剂的断面形貌由“脱湿”变为AP颗粒断裂，热老化、低温以及高应变率载荷的叠加使得推进剂的细观损伤变得更加严重，但准双轴拉伸时损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。热老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、 14.29 s -1 加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s -1 条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%，该参数定义可为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性失效的准则提供数据支持。     

V型皱褶芯材夹层板对流换热性能评价及优化

为考察主动冷却式一体化热防护结构用V型皱褶芯材夹层结构的性能,文章采用Fluent软件模拟受恒定热流载荷皱褶芯材夹层板在强制对流条件下的传热过程,分析其换热特性和流道内流体流动规律;并在分析皱褶芯材夹层板中正三角和倒三角2种流道换热性能差异的基础上,提出相邻流道流向相反的改进方案。该方案可提高冷却剂的利用率,使结构温度分布更加均匀。相比于具有相同几何参数的波纹芯材夹层板,皱褶芯材夹层板具有更好的换热性能,但同时以更大的当量密度和进出口压降损失为代价。比较几种常用的热效率指标,并定义了一种同时考虑换热性能、泵功率和结构质量的热效率指标,再分别以不同的热效率指标为目标函数,对皱褶芯材的几何参数L、W和S进行初步优化设计。     

HALT试验高效率温度剖面图的建立

HALT是一项崭新的可靠性试验技术，具体实施还缺乏系统的理论指导。以在电子设备可靠性中起重要作用的焊点为研究对象，采用非线性有限元方法，分析了有引脚PQFP和无引脚EBGA两类典型器件的焊点在热循环载荷作用下的应力应变特点，研究了热循环试验温度剖面参数包括高低温端点温度、高低温保持时间、温变速率对这两种典型焊点的弹性应变范围、塑性应变累积、疲劳寿命和试验效率的影响，归纳了电子设备HALT可靠性试验优化温度剖面图的建立方法。     

低空环境中浮空器的热数值模拟与实验研究

浮空器在通信等领域有着广阔的应用前景。温度控制是浮空器应用中涉及的关键技术之一,因此有必要对浮空器进行热分析和实验研究。本文针对低空环境与平流层的不同,考虑太阳直接辐射、天空散射辐射、地表反射的太阳辐射、大气辐射、地表辐射以及外部对流换热等因素,建立了浮空器在地面的热分析理论模型,利用CFD软件对浮空器进行了热数值模拟,并初步进行了实验研究。通过数值模拟结果与实验数据的对比,证明了理论模型具有一定的合理性。本文也为研究浮空器升空过程提供了数学物理模型。
     

Study of multilayer thermal insulation by inverse problems method

The purpose of this paper is to introduce a new method in the research of radiative and thermal properties of materials with further applications in the design of thermal control systems (TCS) of spacecrafts. In this paper the radiative and thermal properties (emissivity and thermal conductance) of a multilayered thermal-insulating blanket (MLI), which is a screen-vacuum thermal insulation as a part of the TCS for perspective spacecrafts, are estimated. Properties of the materials under study are determined in the result of temperature and heat flux measurement data processing based on the solution of the inverse heat transfer problem (IHTP) technique. Given are physical and mathematical models of heat transfer processes in a specimen of the multilayered thermal-insulating blanket located in the experimental facility. A mathematical formulation of the inverse heat conduction problem is presented as well. The practical approves were made for specimen of the real MLI.     

基于石墨烯强化传热的微小飞行器热控设计

文章针对微小飞行器电子设备高度集成化带来的热控风险，以某微小飞行器为研究对象，在分析其轨道参数和结构性能的基础上，提出采取不同厚度的石墨烯导热层等温强化传热的热控设计方案；通过热分析软件建立飞行器在轨状态的热模型，仿真计算飞行器在高温和低温工况下的外热流及不同厚度的石墨烯导热层方案下的瞬态温度分布，并对结果进行对比分析。结果表明，采取石墨烯导热层等温强化传热的热控方案可明显降低微小飞行器内部单机的温差，解决高低温工况下单机温度波动较大的问题。同时，通过实验方法验证了利用石墨烯导热层实现微小飞行器等温化的可行性。     

交会对接组合体热管理研究

组合体热管理是实现目标飞行器和载人飞船交会对接组合体载人热环境控制的重要手段。文章提出了以舱段间通风为技术途径的交会对接组合体热管理方案。在组合体热特性分析和热平衡试验基础上,获得了组合体热管理系统分析模型。分析结果表明,组合体密封舱空气温度在19～26℃范围内可调,验证了交会对接组合体热管理设计的正确性。最后,对空间...     

微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。     

第二代490N发动机热控设计

为解决“东方红四号”卫星平台因第二代490 N发动机点火而导致其周边重要结构件温度偏高的问题,重新对发动机周边结构件的热控进行了设计,包括采取隔热垫、高温隔热屏、热防护筒及控制对接框表面状态参数等热控措施,同时利用TMG热分析软件对改进的热设计进行了分析验证。分析结果表明:对接框在发动机点火期间的最高温度为57.5℃,小于温度指标上限值（70℃）,且余量充足;发动机支架的热变形情况也满足指标要求,验证了改进热控设计的正确性。     

防热复合材料的烧蚀机理与模型研究

烧蚀材料在高温环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失，影响其性能。建立相应的热化学和热力学烧蚀模型，分析其传热特性和力学性能的演化规律，建立材料的热毁损判据，是复合材料防热结构设计所面临的重要问题。本文综述了近年来文献中对炭基复合材料烧蚀机理的研究，并对几种烧蚀模型进行了评价。     

长寿命卫星热控涂层性能退化及其对卫星热特征的影响

分析了卫星热控涂层在轨运行时所面临的复杂的空间辐照环境,在国 内外试验数据的基础上,给出了热控涂层在空间辐照环境作用下的退化模型,得到了退化前 后热控涂层光学性能变化的表达式,预测了几种常用热控涂层在空间环境下的退化结果。并 以一颗地球同步轨道模拟星为例,分析热控涂层性能退化对卫星热特征尤其是对卫星红外辐 射特性的影响。