某空间光谱成像仪热管理初析

某空间光谱成像仪光谱范围覆盖可见光、中短波红外、长波红外等多个谱段,配置多台视频处理器和脉冲管制冷机,在狭小空间内形成了复杂的内热源分布。由于上述内热源总热耗高达数百瓦,而制冷机更有低于10℃的控温要求,导致成像仪散热面面积需求很大,同时也造成成像仪功耗资源紧张。文章基于热管理理念,对成像仪内热源进行热设计,使排散废热和控温所用能量最大程度减小,在控制散热面面积的同时节省主动控温功耗,较为圆满地解决了成像仪内热源热设计难题。     

遥感器焦面电路热设计改进的模拟试验

焦面电路是空间光学遥感器重要发热源,需要通过合理的热设计将热量及时导走,维持电子元器件温度不致过高。某空间光学遥感器焦面电路大量采用高功耗电子元器件,采取传统方法对该焦面电路进行了热设计;建立了模拟试验系统对该热设计进行验证,在模拟试验过程中发现了该热设计的不足之处;提出了改进措施,即:建立从发热器件到电路盒壳体之间直接导热路径,并再次进行了试验。试验结果表明改进后测点温度有大幅度降低,从而验证了改进措施的有效性。     

空间斯特林制冷机系统模型辨识与预测控制

为解决空间用大功率机械式斯特林制冷机系统的高精度控温问题,针对这一类具有时延特性的大时间常数温度控制系统,首先,文章提出一种基于继电模型辨识的闭环辨识方法,通过设计合理的辨识参数,采集系统的输入输出响应数据并通过最小二乘法拟合获得了系统的辨识模型,克服了传统开环辨识方法无法获得固定控温点附近辨识模型的不足;其次,基于辨识模型的阶跃响应数据建立预测模型,采用动态矩阵预测控制,通过滚动优化和反馈校正机制,对温度控制系统性能指标实现了最优控制。最后,通过搭建模型辨识及实验平台,验证了系统模型辨识的准确性可达到94%,对长波红外探测器60K控温点的控温稳定性可达到±10mK(3σ)的水平,该模型辨识与控制方法已经成功应用于多台星载红外相机的焦面制冷机控温系统并获得在轨验证。     

一种用于单机热真空试验快速升降温的调温平台设计及应用

当参与热真空试验的单机产品热容较大或有内热源存在时,增加热传导的方式有助于提高试验控温能力。文章针对某类单机产品的试验需求,研制具有快速升降温能力的调温平台。试验时将单机产品安装在该平台的安装面板上,平台下端面由液氮冷板提供冷边界,利用多通道控温系统对调温平台实施控温。对平台结构设计进行了热仿真和试验验证,试验温度和升降温速率均满足试验技术指标要求。目前该调温平台已成功应用于多项单机产品的热真空试验。     

精密恒温固态控制器的研制

在分析了航天器热控制需求以及电子控温装置应用现状的基础上,对分布式控温技术进行了初步研究,提出了用于分布式控温的精密恒温固态控制器技术方案.方案设计兼顾了控温精度和设备安装灵活性的需求,采用脉宽调制(PWM)控制作为控制方式,研制的工程样机控温精度优于0.1℃,尺寸为20mm×25mm×30mm.该装置适用于有高精度控温需求,且要求控温装置占用航天器资源较少的主动控温设计.     

基于大数据多视场传函计算的星载相机焦面标定方法

为了精准标定星载相机在轨焦面位置,提出了一种基于大数据多视场光电传递函数过焦曲线的计算方法,即采用大数据处理办法,排除温度梯度、振动等测试环境影响,计算得到多视场光电传递函数,并测试计算不同焦面位置下的传递函数,绘制过焦曲线,标定焦面。通过该方法,实现了有效光学口径为600 mm,焦距为2597 mm的高分七号卫星正样激光测高仪系统中两通道可见光足印相机的焦面标定,位置标定精度小于0.02 mm,各个视场传递函数优于0.35(31线对/毫米)。经高分七号在轨图像验证,大数据多视场光电传递函数计算方法完全满足现有星载相机的标定精度和像质要求。     

空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验

对某天文卫星的可见光望远镜载荷CCD焦面工作温度需求进行了分析计算。为满足CCD焦面 -65℃ 的工作温度需求,设计了主动制冷焦面结构。采用有限元方法分析了工作温度下热电制冷器和导热胶产生的热应力,结果表明热电制冷器最大应力为14Mpa,导热胶最大剪切应力为1.2Mpa,均处于许用安全应力内。研制的焦面组件模拟件顺利通过了真空热试验,验证了焦面组件的制冷性能与安全性。     

基于电子倍增CCD的微光成像遥感器焦面电路设计

文章介绍了一种以EMCCD为探测器件的星载遥感器焦面电路实现方案。利用FPGA基于VHDL语言设计了驱动时序发生模块,运用直接数字频率合成技术、LVDS总线传输技术和大幅值信号放大技术构建了EMCCD硬件驱动电路。为满足卫星在线配置的需求,电路设置了遥控遥测接口模块。在EMCCD读出模块和焦面电源模块设计中提出了一定的降噪方法。最后,对EMCCD焦面电路样机进行测试,证实了该设计的有效性和可行性。     

环路热管在低温真空环境下的控温性能试验研究

针对某航天遥感器CCD器件在轨全寿命周期±2℃的控温要求,文章设计了一种采用陶瓷毛细芯的控温型环路热管。相比常用的金属毛细芯,陶瓷毛细芯具有更广的工质/壳体相容性、更高的开孔孔隙率、更低的导热系数和更小的孔径。上述优点使陶瓷毛细芯环路热管具有更高的运行效率和可靠性。文章通过低温真空试验验证了这种环路热管模拟空间环境下的启动和控温性能。该环路热管在储液器21.4℃、冷凝器–50.7℃的低温大温差条件下成功启动,在恒定驱动功率80W/70W/60W和交变功率30W/60W加载下,蒸发器九个冷板控温精度分别可以达到±0.4℃和±0.5℃。控温型陶瓷毛细芯环路热管可以满足分布式间歇工作多热源系统的精确控温,具有非常广阔的在轨应用前景。文章结论可为控温型环路热管在轨应用提供参考。     

基于相变传热技术的空间瞬时大热耗载荷级联散热设计

针对空间千瓦级瞬时大热耗载荷的散热问题,提出了一种"平板蒸汽腔(Vapor Chamber,VC)+相变装置(Phase Changed Material,PCM)+环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)"的一体化通用级联散热设计方法。以被动控温为主,采用当量导热系数大于2000W/(m·K)的VC强化传热,进而通过3D打印的导热蜂窝结构PCM强化热量的储存和释放。以某瞬时热耗达3000W的空间载荷为例进行散热设计,通过热分析和热试验验证,结果表明:热源45s和60s工作时间内最大温升分别为12.5℃和19.6℃,温度控制在10～40℃的范围内;修正后的热分析模型与热试验结果对比,绝对误差为1℃左右,相对误差为4.85%。验证了设计方法的正确性,可为同类空间千瓦级瞬时大热耗载荷的热设计提供参考。     

深冷环路热管传热性能研究

通过实验,从超临界启动特性、传热能力、周期性载荷适应能力等方面,对自行设计的一套小型深冷环路热管进行了研究,并对实验现象进行了描述与分析。结果表明该深冷环路热管能够顺利完成超临界启动过程,且副蒸发器功率越大,主蒸发器降温越迅速;完成启动后主蒸发器具有独立运行能力,主蒸发器独立运行时具有12W×0.5m的传热能力;该深冷环路热管对周期性载荷具有很好的适应能力。     

强化排热的空间热泵系统分析

针对航天器潜在的各种类型热泵系统进行定性分析研究。综合分析表明,Rankine热泵系统综合性能最佳,效率高(理论上仅次于Stirling热泵系统),传热系数大,比重量小,地面上有长期运行的经验,其缺点是含有运动部件;Stirling热泵理论热效率虽高,但其传热系数小,比重量大,运动部件多;喷射式热泵和吸附式热泵系统最显著的优点是无运动部件,可靠性高,易于集成封装,而且还可以回收利用高温废热,不消耗系统电能,缺点是性能系数低,比重量大,设备十分庞大;对于其他类型热泵系统,其问题更多。     

变域传热问题的热漏特性及其边界条件研究

回顾了依据烧蚀试验现象所建立的变域传热问题理论研究的基础。详细论述了     

等热流条件下相变导热仿生优化

为强化微重力条件下相变材料的熔化释冷过程,采用仿生优化的思想和有限元方法研究了导热空间内高导热材料的最佳布置方案。研究表明,采用温度梯度的时间积分作为布置高导热材料的判断标准,可把导热仿生优化的思想的应用由稳态问题扩展到非稳态具有相变的问题。和人工构造方案法相比,仿生优化得到的方案可以明显强化释冷过程、降低热流入口温升;且能克服其工作量大,所得方案不一定包含最优方案的不完备性问题。     

燕尾形轴向微槽热管的流动和传热特性

建立了燕尾形轴向微槽热管传热和液体流动模型并进行了数值求解,计算了其最大传 热能力。模型考虑了气液界面剪切力的作用,分析了热管内气、液相流体压力和流速及弯月 面毛细半径沿轴向的变化特性,并讨论了热负荷对蒸发段端口毛细半径的影响,以及工作温 度和吸液芯结构对最大传热能力的影响。研究表明：弯月面毛细半径沿轴向非线性增加,在 蒸发段和绝热段变化较小,而从冷凝段开始急剧上升;热管内蒸气沿程压差远小于液相压差 ;液体的平均速度远小于蒸气的平均速度;沟槽热管的最大传热能力受工作温度和毛细芯结 构尺寸的影响较大;燕尾形底宽的增大或微槽高度的增加有利于提高热管的最大传热能力, 而蒸气腔半径对最大传热能力的影响不明显。同时,还通过实验验证了本模型的正确性。
     

非均匀气动加热下隔热层结构的优化设计

为获得非均匀气动加热条件下高超声速飞行器不同部位的合适的热防护系统厚度,发展了一种基于网格变形技术（ASD）的隔热层结构优化方法。以高超声速飞行器的复合材料隔热层结构为研究对象,采用有限元法在局部均布热流载荷、三角形均变热流载荷和二次函数热流载荷等作用条件下建立隔热层结构的热固耦合分析模型,提出了基于ASD技术与热固耦合分析相结合的结构轻量化设计方法。结果表明,基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题,并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线,优化后更充分发挥了隔热层结构各层材料的承载能力。     

储液器在被动式热交换下环路热管的热性能研究

环路热管是应用于航天器、航空器、舰船等设备的新型换热器件,热性能是评价环路热管的主要性能参数。通过试验和系统级数值模拟研究了当储液器处于自然对流的被动式热交换时,环路热管在不同冷源温度下的温度分布特性和换热性能,说明环路热管总热阻和冷凝器利用率受冷源温度的影响规律。环路热管存在可变热导和固定热导区:在可变热导区,环路热管总热阻随热负荷的增大迅速减小,而升高冷源温度有助于降低总热阻;进入固定热导区后,总热阻则趋于稳定。蒸发器换热系数随着热负荷的增大先增大后减小,但其变化幅度在冷源温度较高时明显减弱。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

小卫星瞬态外热流下动态传热特性分析

为揭示小卫星瞬态外热流下的动态传热特性规律,以小卫星双层集总参数模型为研究对象,推导得到动态热平衡方程。类比阻尼振荡系统,采用时频变换和传递函数分析的新思路,对温度与热流波动量间的幅值特性和相位特性变化规律进行理论研究,并利用数值方法进行验证。结果表明:推导获得了小卫星传热系统自然频率和阻尼比的热参数准则式,并证明了小卫星传热系统在热激励下振荡特性为过阻尼。阻尼比和频率比的增大及热流静位移的减小均可降低温度的波动幅度,不同频率比范围下阻尼比对热流的波动量与温度波动量间的相位差的影响呈相反规律,数值结果与解析分析结果一致。可为低热惯性小卫星的热控优化设计提供理论参考。