FY-3D卫星高光谱温室气体监测仪热控设计及在轨验证

FY-3D卫星高光谱温室气体监测结构布局紧凑,在较小尺寸空间内布置有8个镜头组件、12台电子设备和3台电机。内热源数量众多,光学镜头控温精度要求高,热控功耗及散热面资源紧张,使热控系统设计难度较大。基于热管理、辐射间接热控、辐射冷却及结构热控协同优化设计等多种思路对监测仪热控系统进行设计,有效解决热控难题。入轨后监测仪历经了多个工况模式切换,在轨温度数据表明,所有工况模式下各部组件温度都满足指标要求,且光学镜头温度稳定度较高,在正常工作模式下,干涉仪关键件最大温度波动在±0.15℃以内,其他光学镜头组件最大温度波动在±0.45℃以内,且无论整轨待机模式还是正常工作模式,基于热管理的2组电子设备散热系统都无需消耗热控功耗,实现了多热源复杂机制下高精度控温及节能热设计。      

光纤陀螺系统热建模及仿真

在热状态方程的数学离散的基础上,从系统的角度出发,建立某一高精度光纤陀螺的热模型,介绍光纤陀螺电子系统热模型的建立过程,包括结构体几何模型的建立、内部热源模型的建立以及热敏光纤环体模型的建立.模型建立的方法不仅适用于研究对象,对于结构和组成类似的其他类型的陀螺也是适用的.并通过稳态热仿真研究了系统内热点分布及温度场分布;瞬态仿真分析了陀螺在常温(25.6℃)、低温(-40℃)以及高温(+60℃)环境下,启动过程中陀螺内部温度的变化,实验测试对比分析验证了模型的正确性.在此基础上得出了几个有意义的结论,这将有益于高精度光纤陀螺的工程化.      

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件（CCD）,采用基于环路热管（LHP）的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。     

碳纤维增强石英作辐射防热盖板的评估与研究

对纤维增强陶瓷在辐射防热结构中充当外部辐射盖板的特性进行了评估。以返回航天器典型的力学环境和热环境为依据,对碳纤维增强石英进行了试验研究,包括小平板再入热模拟试验、大尺寸热结构件的常温振动、常温冲击、低温振动、低温冲击和再入加热等项目。一系列试验证明,碳纤维增强石英既保留了陶瓷耐高温、隔热好的优点,又克服了陶瓷固有的脆性,因此,在返回舱上作防热材料颇具潜力。     

航天器用丙烯环路热管的研究现状与展望

环路热管是一种依靠毛细力驱动的高效两相传热装置,可解决高精度控温、大功率、远距离热传输等热控难题,广泛应用于各航天器。目前,大功率的航天器平台（例如新一代大功率通信卫星等）在存储或故障工况下,为维持辐射器生存温度需额外消耗能源,补偿较大的加热功率;木星系、太阳系边际等深空探测任务要求热控系统拓展其低温适应性。上述空间任务对具有低温适应性的丙烯环路热管技术提出了迫切需求。相比常用的氨工质,丙烯具有低冰点（–185℃）特性,丙烯工质环路热管可在低温下存储和运行,空间应用时不存在冻结风险（航天器辐射器温度一般不低于–150℃）,无需额外补偿加热,提高了热控系统的低温适应性和可靠性。本文分析了丙烯环路热管的理论建模、稳态性能和动态特性实验研究现状及典型空间应用形式,对未来研究工作提出了建议。     

液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

空间光学遥感器真空热试验工装模块化设计

针对空间光学遥感器在空间环境地面模拟试验中舱板温度分布不均的问题,运用模块化思想对某型号空间光学遥感器工装的舱板结构开展了优化设计。将舱板按照温度分布进行分块,提出模块化拼装和模块化热控2种设计方案,模块化拼装是对舱板及其表面加热片进行独立分块划分,模块化热控则是将舱板视为整体,仅对其表面的加热片进行分块设计。结果表明:模块化热控的舱板平均温度偏差为0.205 K,低于未模块化设计的0.87 K和模块化拼装的0.30 K,提高了舱板的温度均匀性。同时,模块化拼装改善了舱板温度分布,使得符合热控要求的测点比例由34.8%提高到96.7%,但独立划分的模块之间仍存在一定温差;模块化热控则消除了模块间的温差,将符合热控要求的测点比例进一步提高到100%,完全满足热控要求。      

航天器材料KAPTON和F4.6薄膜充电性能研究

Kapton和F4.6是两种航天器上最常用的重要热控材料,但它们都是高绝缘的有机高分子聚合物,故在充分利用它们的优良物化性质时,不能不关心它们在空间亚暴环境下表面充电的性能。为此本文在简述了新增环境温度变化的条件后,详细讨论了这两种材料在模拟空间真空、空间亚暴时电子辐照、太阳辐照及其所处环境温度变化时,它们表面电阻率随环境变化响应规律,并由此预测其充电的状态。     

低温真空下固体界面间接触导热的实验研究

在110～325K温度范围内，对低温下两种常用接触材料-不锈钢和铝，进行了大量的接触导热试验研究，着重探讨了接触热导与界面载荷，温度和表面分形参数的关系。实验结果表明：在该实验条件下，两种材料接触热导与载荷关系的实验幂指数均在0.4～0.6之间，温度是通过材料的热导率和力学性能对接触导热发生作用的，接触热导随着表面分形维数的增加而增加。     

气压及加热功率对锂离子电池热安全的影响机制

随着锂离子电池的普及应用，其在航空低气压环境下的热安全问题受到广泛关注。对此，在20～95 kPa的气压环境下，以30～100 W的加热功率诱导电池热失控，通过电池热失控现象、温度及时间的分析，研究航空低气压环境下加热功率对锂离子电池热安全行为的影响机制。研究表明：气压的降低导致电池安全阀打开时间提前，但由于低气压环境下对流换热系数和特征达姆科勒数的减小，电池从安全阀开启到热失控的过渡时间延长；而加热功率的提高显著缩短了电池的热失控时间，加剧了电池热失控燃爆，同时也缩短了电池的加热时间，导致外部热源传递给电池的热量减少，热失控过程中电池表面峰值温度降低；在二者的综合作用下，电池的热失控时间总体呈现出随功率增加而减小的趋势，但气压的作用导致其变化规律呈现出明显差异。为实现气压及加热功率综合影响下电池热失控时间的预测，通过多项式拟合，构建电池热失控时间预测模型，预测精度控制在(3±2) s。     

基于热管散热平台的热光伏系统实验研究

针对深空探测同位素电源的发展需求,设计了一套基于热管散热平台的热光伏系统,采用分离型热管实现了热光伏系统的热控要求,并实验验证了热光伏系统的热电转换性能。研究了加热功率、充液量对热管启动特性、壁面温度的影响,分析了辐射器温度、电池温度对系统电输出特性的影响,并对系统的转换效率进行了评估,结果表明：采用热管散热器可有效将半导体电池温度控制于25℃以下,在辐射器温度为1 173℃时,系统热电转换效率达到12.1%。     

喷射式气氮调温系统

气氮调温系统是空间环境模拟器中为航天器进行热真空、热平衡试验的关键系统之一。它可使热沉温度在－100℃－＋100℃之间连续可调，并能任意定点。采用喷射式气氮调温系统，与液氮储槽式冷却器调温系统、液氮温度热沉加红外加热笼系统相比，可降低能耗，节约经费。大型空间环境模拟器中由于热沉的热惯性较大以及各支路温度存在均匀性等问题，大型空间模拟器设备要应用喷射式气氮调温系统存在一定难度。KM6大型空间模拟器喷射式气氮调温系统在研制中结合KM6实际和试验要求。调试和使用结果证明这一系统满足试验要求，同时也表明该系统在同一领域达到了国际同类设备的水平。     

负压式平板型环路热管试验

为解决高热流密度电子器件的散热问题,设计了一套负压式铜 甲醇环路热管,其蒸发器设计成平板型。研究表明,该平板型环路热管具有较高的散热能力,能够在无重力姿态和重力姿态下顺利启动。当重力倾角分别为0°、18°和30°,热负荷为160W时,蒸发器壁面温度分别达到85.8℃、66.3℃和64.6℃。按照环路热管启动状态,其启动过程可分为3个阶段：加热阶段、预启动阶段和后启动阶段。在低热负荷区域,环路热管会出现温度波动现象。增大重力倾角,有利于降低蒸发器壁面温度和热阻。当重力倾角为30°,热负荷从10W递增到160W时,环路热管的热阻从4.97℃/W降低到0.39℃/W。     

预估Fuzzy-PID在中央空调控制系统中的应用

电加热常作为中央空调的末端设备置于被调节房间风道入口处,微调加热以提高温度控制精度,为此提出一种电加热温度控制方法,采用预估Fuzzy-PID复合控制算法,通过对加热功率的调节进行闭环控制,实现控制点温度的稳定控制.新的控制算法结合了smith预估控制、Fuzzy和PID控制器的优点.在MATLAB环境中仿真预估Fuzzy-PID控制中央空调末端电加热,结果表明该控制方法能提高温度稳定性并降低能耗,控制精度达到±0.1℃.该控制方法同样适用于其它含有电加热元件的场合.      

“新视野”探测器的热控系统分析与启示

为了满足探测任务要求,“新视野”（New Horizon）探测器首次采用了双层“保温瓶”式热控设计,改进了防寒能力,以适应冥王星和柯伊伯带极度寒冷环境。此外,外太阳系的深空环境无法利用太阳电池帆板来提供电能,飞船上安装了一套由美国能源部提供的放射性同位素热电发生器（RTG）来提供电能,其余热可实现设备的加热控温。放射性同位素热源主动热控为主,多层隔热组件等被动热控为辅的热控设计有效保障了“新视野”探测器各设备温度水平。     

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.      

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

纤维排布对CFRP感应加热固化成型过程影响表征

在采用电磁感应加热方式实现碳纤维复合材料（CFRP）加热固化成型的过程中,如何准确表征材料各组成部分的属性参数状态对研究材料加热过程中温度、固化度及应力场分布至关重要。根据纤维实际铺层方式对材料各组成部分进行独立表征,以及碳纤维壳体的等效电-磁-热特性建立了CFRP感应加热有限元细观分析模型,将纤维织构和树脂基体单独建立,实现CFRP在感应加热过程中其内部纤维织构中物理场的变化规律以及对材料整体升温变化规律进行系统分析。通过该模型计算了材料温度、固化度及应力场分布的变化规律,揭示了碳纤维排布对材料感应加热效果的影响,并根据感应加热实验验证了该模型可以准确表征各物理场的分布状态。为研究CFRP在感应加热中各物理场变化规律提供了有效的计算模型和分析方法。     

真空条件下多孔平板发汗冷却试验研究

发汗冷却是解决高速飞行器关键部位热防护问题的有效途径。以不同材料的多孔平板为研究对象,以水为冷却剂,利用自行设计搭建的试验平台对多孔平板发汗冷却过程进行瞬态试验测量,得到了不同热流加热环境下不同材料多孔平板内外壁温度变化,并分析冷却剂对不同材料的冷却效果。结果表明:发汗冷却极大降低了多孔平板内外壁温度,起到了有效的主动热防护作用。对于镍、铜金属多孔平板,保持冷却剂水流量约3.5 g/s,在热流密度小于120 kW/m2的条件下,多孔平板内外壁温度稳定在30~50℃。对于陶瓷多孔平板,保持冷却剂水流量约0.32 g/s,在热流密度小于220 kW/m2的条件下,多孔平板内外壁温度基本稳定在30~40℃。在高热流密度315 kW/m2的条件下,对于镍、铜金属和陶瓷多孔平板,发汗冷却时平板内壁温度变化不大,外壁温度分别稳定在约260℃、110℃和130℃。外壁冷却剂处于完全汽化状态,且冷却剂汽化相变位置在多孔平板内部。若无发汗冷却,多孔平板内外壁温度快速升高,其平衡温度较有发汗冷却时大幅提高,进一步表明发汗冷却的巨大应用潜力。      

同位素热源高温-冲击复合环境试验

为了考察深空探测器同位素热源模拟样品在高温–冲击复合环境下的环境可靠性,研制了一套高温–冲击复合环境试验装置。该装置由温度加载系统、冲击试验系统、带有热防护功能的夹具和控制系统等组成。该装置可完成室温约500℃热载荷加载。利用该试验装置对同位素热源模拟样品进行了500℃、5 000次的高温–冲击复合环境试验考核,获得了产品温升响应曲线、冲击波形图等相关试验信息。试验结果表明该试验装置能够进行高温–冲击复合环境试验。