短时大功率排热系统控温波动分析

针对航天器短时大功率有效载荷排热问题提出单相流体排热系统、蓄冷一单相回路组合排热系统、热泵一单相回路组合排热系统、蓄冷一热泵组合排热系统4种排热方案，采用理论分析和数值方法计算了各方案控温组件的温度波动。结果表明：对于蓄冷排热方案，在给定条件下，控温组件温度波动可以控制在约7℃以内。对于单相流体排热回路，按照器件平均功率设计时，辐射器的面积较小，但功率器件的温度波动会加大；按器件最大功率设计时，器件的温度波动较小，但辐射器面积会变大，导致系统重量增加。对于热泵一单相流体回路热控系统，温度波动可以控制在大约10℃左右。     

载人航天器热排散方式分析

为优选载人航天器热排散方式,对比分析了空间深冷环境、月面赤道附近清晨和月面赤道附近月午3种热环境下,使用水升华器、辐射器和辐射器+热泵3种热排散方案的效果与系统代价。结果表明：短期任务使用水升华器质量代价较小;热泵可以显著提高辐射器散热能力,且提升效果随太阳高度角上升而增加;但使用热泵能耗较大。因此,需根据任务规模、周期和航天器供电能力对热排散方案的选用进行综合评估。     

一种并网式载人航天器控温回路系统设计

提出了一种单舱辐射器并网和组合体舱间并网相结合的载人航天器控温回路系统,能够实现单舱层次功能备份和舱间层次功能备份。建立了单舱和组合体控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式和几种不同故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,对于单舱辐射器并网回路,在单条辐射器支路故障情况下,系统总散热能力损失不超过28.5%,单舱外回路完全故障时启动舱间并网回路,故障舱段可维持的热负荷水平占标准工作模式热负荷水平的63.5%,表明双层次并网控温回路系统可将设备温度有效控制在指标要求范围内,并能显著提高载人航天器所能承受的热负荷水平,提高系统的可靠性。     

载人航天器的可重构式控温回路系统设计

文章提出了载人航天器的可重构式控温回路系统,它由独立的中低温内外回路系统组成,可改善低温内回路由于控温点温度较低而对辐射器散热能力带来的影响,还可在某个外回路辐射器故障时进行系统重构,维持回路功能。建立了控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式下和某外回路故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和载人航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,双外回路系统比单外回路系统散热能力高27%。当双外回路中某回路故障时,通过系统重构,外回路系统可维持1850W散热能力,能保障载人航天器平台安全,表明可重构式控温回路系统能提高系统可靠性。     

辐射器展开角度对航天器热控能力影响的研究

为了在有限的结构尺寸下提高航天器热控系统的散热能力,提出与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案,建立可展开式辐射器空间散热模型,分析辐射器不同展开角度下系统的热控特性。结果表明,随着辐射器展开角度的变化,辐射器吸收的空间热流也随之发生变化,并最终决定热控回路的流量分配。在工程应用中,基于热控流体回路,通过调节可展开式辐射器的展开角度,可以有效提高航天器热控系统的能力范围。     

与流体回路耦合的空间辐射器流动/传热分析

流体回路作为一种主动热控技术,在载人航天器及空间站上发挥着重要的作用。作为航天器的对外散热界面,辐射器与流体回路之间往往存在直接热耦合关系。在进行简单理论分析的基础上,针对载人飞船的圆筒形辐射器,实现了流体回路与辐射器流动/传热及外热流计算的集成分析,反映了典型工况条件下辐射器的温度水平及外热流对流体回路流量分配和控温过程的影响。     

空间站流体回路/热管耦合式热辐射器性能研究

空间热辐射器担负着航天器内部多余热量向外太空排散的任务，是航天器热控系统的关键设备，尤其是载人航天器，辐射器需要满足长寿命、高可靠度、高稳定性的要求，目前已发射的载人航天器均采用流体回路辐射器。对中国空间站流体回路/热管耦合式辐射器进行试验研究，得出辐射器散热性能的变化规律。首先论述试验方案和试验过程，并给出试验结果数据;然后通过对试验数据分析，得出辐射器传热热阻，以及散热能力随流体回路参数及外热流参数的变化规律;最后基于试验数据，完善辐射器仿真分析模型，并与试验典型工况进行对比分析，实现仿真模型与试验数据的良好吻合，仿真模型可用于辐射器在轨工作性能预示分析。实验分析结果对航天器空间辐射器设计具有一定的参考意义，可为航天器整舱热平衡试验方案及辐射器在轨工作状态设置提供数据支持。     

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局，提高流体回路的散热效率，降低流体回路温度，本文基于(火积)理论，分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明，排散相同热量时，流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好，流体回路散热过程(火积)耗散越小，系统散热过程越优。进一步，对于2个辐射器的情况，分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流，对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明，辐射器与流体回路串联时，系统散热性能要优于两者并联，系统的流体温度水平最低，结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。     

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。     

辐射器构型对载人航天器主动控温回路热负荷性能的影响分析

文章针对载人航天器主动控温回路系统中采用的分布式和集中式两类辐射器构型,分别建立了仿真分析模型,对它们在正常工作模式和辐射器支路故障工作模式下的工作性能进行了对比分析。结果表明,采用集中式辐射器的主动控温回路系统所能承受的热负荷水平要优于分布式辐射器对应的主动控温回路系统,且随着故障辐射器支路数目的增加,这两类流体回路所能承受的热负荷水平差异愈加明显。对于文章所设定的模型,正常工作情况下二者差异达到7.4%,单条支路故障时差异达到11%,2条支路故障时差异达到31.5%。     

可展开式辐射器热控对航天器轨道调整的适应性分析

为提高航天器热控系统对轨道调整的适应能力,本文研究了与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案在不同轨道高度下的热控性能,分析了不同轨道高度时辐射器面临的热环境的影响,在不同轨道高度下比较了固定辐射器与可展开辐射器的热控特性.结果 表明,随着辐射器展开角度的变化,辐射器吸收的空间热流随之发生变化,从而对热控系统的散热能力带...     

载人航天器辐射器面板布局对散热能力的影响分析

以载人航天器广泛采用的圆筒辐射器为研究对象,建立辐射器散热能力数学分析模型,对比分析集中式和分块式面板布局形式给辐射器散热能力带来的影响,对比的参数包括管路长度、液体工质流量和管路入口液体工质温度。计算结果表明:在辐射器面板面积和管路长度相同的前提下,管路长度和面板分块数的变化,会造成2类辐射器散热能力的显著差异,管路长度越短,面板分块数越多,集中式布局辐射器比分块式布局辐射器的散热能力越强,最大散热能力差异达到16.0%,最小散热能力差异为13.5%。液体工质流量和管路入口液体工质温度,对2类辐射器散热能力的差异影响较小,不超过2.0%。因此,辐射器设计时不应忽略面板布局对散热能力的影响,应尽可能集中布置辐射器面板。     

统一热管理的疏导式防热系统概念研究

对各种防热、热控机理基本规律进行了梳理和研究,认为要进一步提高系统性能,需要进行结构、防热、热控一体化设计。基于这种设计思想,提出了一种将航天器防热、热控和结构相结合的“统一热管理的疏导式防热系统”,在传统防热机制的基础上,加入原先主要用于热控的各种热传输机制,进行防热、热控和结构等子系统间热的统一管理。应用这种系统,可提高防热效果,减轻飞行器的结构重量,减轻高热流区材料与结构的耐温负担,有可能实现长时间、超高速大气层机动飞行器的前缘尖化,还可使整个防热层趋于等温,易于热控处理,减小结构热应力。文章还分析了疏导式防热系统的应用前景,并针对几种典型的航天器（尖鼻锥和尖翼前缘的高超声速巡航飞行器、返回式航天器和载人飞船）提出若干适用的疏导式防热系统的方案设想。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

蜂窝板预埋管路辐射器流动散热特性仿真

为解决传统数值方法对辐射器对流换热系数评估困难、流动散热性能预测精度不高的问题,明晰工况参数与重力对辐射器流动散热特性影响规律,指导辐射器轻量化设计与地面试验,构建辐射器导热-对流-辐射耦合传热等比仿真模型,评估其与经验公式对辐射器水动力及热特性预测可靠性,分析流量、入口温度、吸收外热流及重力对辐射器工作特性影响规律。结果表明:辐射器压降及散热功率模拟值与真空热试验数据最大相对误差为3.45%和2.86%,压降及换热系数经验公式预测值与仿真值最大相对误差为-10.15%和-33.18%;辐射器散热功率随流量与入口温度的增加而增大,吸收外热流增加会降低对流换热热流量,相较零重力,常重力水平状态辐射器散热功率提高2.86%。所建模型可准确预测辐射器工作特性;辐射器设计应在满足压降与出口温度指标要求时,提高流量与入口温度,地面试验辐射器应竖直放置。     

临近空间飞行器热管理及热设计方法

针对临近空间飞行器所处独特的空间热环境,对其空间外热流进行了分析,并结合飞行器载荷舱内能源与电子设备的功耗情况及热控要求,在载荷舱的散热措施中对辐射、对流两种热量传递方式的散热效果进行了分析和对比。结果表明：在临近空间飞行器所处的独特的空间热环境下,强制对流换热效果明显大于辐射换热,且在相同的热载荷工况下,对流散热系统的设备重量要远小于辐射散热系统的设备重量,对流散热系统受空间热环境的周期性变化影响较小,系统较为稳定。
     

太空辐射器传热优化设计及分析

为优化太空辐射器的设计,基于(火积)理论对太空辐射器的散热过程进行优化分析,分析结果表明辐射温度均匀性越好,太空辐射器辐射传热过程(火积)耗散越小,辐射器平均温度越低。以提高温度均匀性为目标设计了四种辐射器方案,并对不同方案进行仿真分析,仿真结果表明采用热管与流体管路组成传热网络后,辐射器温度均匀性最好,对外散热能力增强,流体回路热控系统整体温度下降,辐射器整体传热性能最优。     

航天器冷凝器导热性能试验及分析

两相主动式热控系统是未来航天热控的发展方向之一,系统中冷凝器是散热的重要部件,其冷凝性能对热控系统仪器的正常工作至关重要。文章对CO2机械泵驱动两相航天热控系统冷凝器与辐射器之间的热导进行试验研究,在-20℃和15℃两个饱和温度不同热流及不同流量的工况下,测量热循环(-130～20℃)前后冷凝器与辐射器间的热导变化,发现冷凝器中的导热胶在经受热胀冷缩的极限条件后不改变其导热性能,冷凝器的可重复使用性良好。     

新型空间双模式核热推进系统热力学性能研究

基于再膨胀布雷顿回热循环,提出了一种新型空间双模式核热推进系统方案。针对使用氦作为工质的情况,对该推进系统发电模式下的性能进行了分析计算,获得了循环增温比和增压比以及再膨胀分配系数对发电模式循环性能的影响规律。结果表明:在同样设计参数下,此循环效率高于基本布雷顿回热循环,散热器面积小于基本布雷顿回热循环。循环增温比的增加会提高此循环效率,增压比的增加则会降低循环效率。对再膨胀分配系数的分析计算表明,在循环增压比分别为3和6的条件下,循环效率在膨胀分级比为0. 83和1. 05左右达到最大值。随着循环增压比的增大,循环输出功率最大值对应的分配系数也逐渐从左极值向右移动。此循环作为空间核热推进系统发电模式的循环方案,可以有效减小航天器的体积和重量。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。