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。     

基于泵式流体回路的小卫星姿控/热控一体化执行机构设计

 主要研究了小卫星姿控/热控一体化执行机构的设计问题.首先,根据流体回路中液体流速变化对小卫星产生力矩实现姿态控制、液体流动吸/散废热实现热控制的原理,提出一种姿控/热控一体化执行机构设计方案.然后针对该设计方案,利用以电机转速为变量的流体回路内压强和电磁力矩方程,推导了一体化执行机构姿控力矩模型;利用散热量随流体回路流速的变化,建立了一体化执行机构热控模型.最后,针对某小卫星设计了基于姿控/热控一体化执行机构的闭环控制系统,并针对该一体化执行机构设计了一种姿控/热控解耦算法,对其姿控/热控能力进行数学仿真验证,仿真结果证明了该一体化执行机构的有效性.     

载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计

建立载人航天器热控系统内各组成部分传热和质量的数学物理模型,对热控流体回路进行轻量化设计,并讨论相关参数对优化结果的影响。研究发现,在回路散热任务给定时,回路各组成部分的结构参数和辐射器内的散热管道数都存在最佳值,在该值下回路系统质量达到最轻。随着辐射器散热面积的增加,最优的辐射器内散热管道数减少;在给定辐射器散热面积时,当回路散热任务增加时,回路最优设计质量和辐射器内的最优管道数均增加。     

载人航天器热控系统并联回路的轻量化设计

为优化载人航天器热控系统的并联液体回路,减轻其质量,建立了并联回路传热和质量的数学物理模型;并以两支路系统为例,分析了其并联回路的轻量化设计问题,讨论了最优流量分配系数与流体流量、冷流体温度等参数之间的关系。研究发现,对并联回路而言,存在最佳管径与流量分配方案,使其质量最轻;随着流体总流量的增加,最优流量分配方案逐渐接近平均分配;给定流体总流量时,冷流体温度较低时最优的分配方式为平均分配,随着冷流体温度的提高,最优分配由支路散热任务、工作温度等因素决定。此外,还研究了支路管道长度和电源系统质量与泵功率之间的比例系数等因素对最优流量分配的影响。     

基于蜡式自驱动温控阀的在轨卫星热控方法分析

为了提高航天器热控系统的控温适应能力,介绍了一种基于蜡式自驱动温控阀的卫星单相流体回路热控方法,提出了蜡式自驱动温控阀控温和机械泵、蜡式自驱动温控阀联合控温两种控制策略.利用集总参数法建立蜡式自驱动温控阀、热源载荷以及辐射器等部件的数学模型,运用数值仿真方法计算了某卫星在轨飞行中外热流周期性扰动和电气设备热耗阶跃扰动下该热控系统的温度动态特性,分析了两种控制策略的控温效果.结果表明:机械泵、蜡式自驱动温控阀联合控温既能利用蜡式自驱动温控阀的优势,达到系统的可靠性要求以及减少能源消耗,又能够克服蜡式自驱动温控阀的温度限制以及稳态误差等不足,实现回路系统的精确控温.      

卫星推进系统温度均衡性控制方法研究

卫星推进系统在轨需要进行温度控制,尤其需要对推进系统的贮箱、管路温度进行合理的控制。针对小卫星、微小卫星热控资源紧张的情况,以及当前的热控设计方法在不同温度环境分布的推进系统应用中存在的温度分布不均的情况,提出了一种优化的推进系统热控设计方法。在常规热控设计方法中考虑测温点最小值的同时,考虑了测温点的最大值因素,并根据最小值、最大值与控温区间的关系确定加热回路的开/关关系。采用本方法在整星热平衡试验中对推进系统进行了温度控制验证。试验结果验证了同时考虑控温区间上限和下限的热控设计方法的可行性和合理性。卫星在轨飞行阶段的推进系统参数验证了该温度控制方法能获得更好的推进系统温度分布均匀性,并保证了工作温度区间上限的裕度。     

高超声速飞机热管理系统控制模型构建与仿真

以高超声速飞机为研究对象,提出了一种基于单相流体回路的热管理系统(TMS)模型,通过热控制策略与热沉调度模型实现热沉制冷能力最大化目标,解决新型高速飞机日益彰显的冷源不足问题。热控制策略利用系统辨识与热载荷预测算法,提出基于能量平衡与温度反馈配合的热控制模型,解决热惯性带来的控制延迟问题。基于热沉冷却能力评估与热载荷匹配提出热沉调度模型,旨在合理利用各种冷源,解决飞行后期冷源不足的问题。研究通过MATLAB/Simulink仿真验证模型及算法,结果表明:所设计的TMS能够满足高超声速飞机长时间飞行需求;考虑能量平衡的控制模型在超调量及衰减比方面均优于温度反馈控制模型;基于热沉调度策略能够降低冷源消耗速率,更充分地利用各种机载热沉。      

载人飞船密封舱热舒适性评价

结合在轨飞行数据,采用PMV-PPD模型对载人飞船密封舱热舒适性进行了评估,基于在轨飞行数据计算了载人飞船PMV值,分析了密封舱空气温度、湿度以及舱内壁温度对热舒适性的影响。同时针对目前载人飞船实际情况,提出了通过提高舱壁辐射温度改善密封舱热舒适性的方法,可为后续的载人航天器特别是载人飞船密封舱在热控设计中提高热舒适性提供参考。     

卫星热控涂层地面模拟试验与在轨验证比对分析

卫星在轨运行期间,热控涂层要经受空间复杂环境效应的影响,其光学和热控性能逐渐下降,影响卫星可靠性和寿命。本文利用卫星搭载技术,完成热控涂层5年的在轨试验,验证空间多因素环境对热控涂层的影响。同时,利用地面模拟试验装置,模拟空间质子、电子、紫外等5年的辐照剂量对热控涂层的作用。对在轨试验结果进行解读和分析,并与地面模拟试验结果进行比对。结果显示,在搭载试验和地面试验前,热控涂层太阳吸收比（α_s）为0.12,经5年在轨搭载试验后,α_s退化为0.23。经地面模拟试验后,α_s退化为0.22。搭载试验和地面试验的热控涂层性能均呈现线性退化规律,表明在确定的轨道环境和固定的剂量率条件下,热控涂层的退化与环境作用时间正相关,同时验证了地面试验的有效性。     

神舟载人飞船流体回路动态仿真研究

以神舟载人飞船流体回路为物理模型,分析了各个部件的工作原理、流动和传热特性,建立起辐射器、泵、阀门、补偿器、冷板和换热器的部件模型。在此基础上建立了流体回路模型,并引入实际控制策略。模型的仿真数据与航天器热平衡试验数据进行对比,结果表明,模型对流体回路各点的温度、压力、系统的流量分配和液体体积变化的补偿都能较好的进行动态模拟,并能够模拟系统控制策略的动态执行情况,可用于流体回路系统控制算法和策略的优化分析。     

空间站核心舱俯仰机组热设计及在轨验证

为验证核心舱俯仰机组热控设计能满足空间站任务期间任何工况对机组温度的要求,运用I-DEAS/TMG软件,通过仿真分析确定了核心舱俯仰机组所需的加热功率及被动热控措施,预示了极端高温工况下的最高温度。在轨飞行情况表明：（1）俯仰机组飞行温度验证了理论计算的正确性,二者之间的偏差约3.2%,为后续在轨任务的圆满完成提供了保障。（2）喷管受太阳照射面积越大,头部及电磁阀温度越高。在太阳角为60°时,喷管受照面积最大。（3）低温工况下,有推进剂流道的机组头部和电磁阀温度高于8℃,满足高于0℃的指标要求。（4）惯性飞行姿态对俯仰机组而言,属于高温工况。跟以往飞船系列俯仰机组的被动热控设计不同,核心舱俯仰机组被动热控设计保证了电磁阀温度低于40℃,为电磁阀在合适的温度范围内可靠工作提供了保障。     

单组元肼推力器温度场仿真及试验

针对5N单组元肼推力器，建立了在轨运行过程中推力室热控组件的传热模型；应用有限元方法进行了热分析和仿真计算；并对计算结果进行地面热真空试验验证。对于进一步开发、研制具有新型结构和热控性能的姿控推力器和具有相似结构的多种推力器具有一定的借鉴和指导意义。     

某航天器发动机机组热分析及在轨应用研究

为给某航天器机组热控设计、飞行任务中各种新工况下机组的温度适应性分析和飞控判据提供有效数据支撑,以该航天器某发动机B机组模块作为研究对象,采用IDEAS软件建立了有限元模型,在航天器三轴对地姿态下对该发动机机组温度进行了计算并对热模型进行修正,对飞行数据和热分析结果进行了比对。之后应用该热模型,完成了高温工况1下热控适应性设计工作,开展了组件温度与在轨数据比对工作;并进行了高温工况2中不同太阳入射角下B机组氧阀温度研究。结果表明:B机组热分析得到了在轨飞行的验证,有限元模型有效并且合理;该热模型应用于不同热控状态、位置以及工况下来解决实际热控难题,并可预示不同太阳入射角下的氧阀温度;航天器的运行轨道、飞行姿态以及机组安装位置都是影响机组温度的重要因素,在热控设计中应引起足够重视。     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

变吸收率涂层在载人飞船的应用效果分析

为解决空间站组合体复杂构型和姿态下载人飞船返回舱舱壁的高低温风险,对舱体所处极端空间低温和高温环境进行识别;对舱体形状和空间外热流进行分析,以神舟十二号任务为例计算返回舱空间热环境,提出一种低发射率和可变太阳吸收率的涂层,并测试了新涂层的热物理参数。新涂层在神舟十二号及后续载人飞船返回舱上得到了应用,对返回舱在轨飞行温度数据进行分析。结果表明：新的涂层可以较好地降低返回舱高温区域的温度,并提高低温区域的温度,消除高温和低温风险。     

载人航天器热控制技术问题探讨

载人航天器所采用的热控制技术与一般卫星的有较大不同,尤其是主动流体回路热控,以及载人飞行必需的密封舱环境保障,使得载人航天器热控制技术的重点发生了变化,因此有针对性地进行研究和探讨,提出可行的解决方案是十分必要的。     

组合导弹自动驾驶仪制导的滑模控制

滑模控制器是为组合导弹自动驾驶仪与制导回路被推导出来的。受到有关制导问题的差分博奕方程的启发,使用零控脱靶量来定义的单个滑移面得到了运用。此种组合控制器的性能与两个不同的双回路设计的性能相比较,后者对内部自动驾驶仪回路运用滑模控制器和在外部回路中运用不同的制导律：即一个运用标准差分博奕制导律,另一个运用基于滑模方式的制导逻辑。为了评估不同的制导与控制解决方法的性能,假定对目标闪避动运用一阶动力学,导弹侧面动力学与相关运动学的二维非线形仿真得到了运用。这种组合设计的益处将在几个末端博奕的拦截交会中进行分析研究。它的优越性特别是在任何双回路设计中被假定的、在制导与飞行控制之间的谱分离不能被正确判断的困难场景中得到了证明。结论验证了运用零控脱靶量来定义滑移平面的设计方式的有效性。     

基于TEC的空间站末端回路温控系统建模及其热力学性能分析

针对空间站中间回路温度波动过大,高温时导致科学载荷工作温度超出允许范围的问题,设计了一种基于热电制冷器(TEC)的末端单向流体回路温控系统。该系统包含一个TEC温控模块,当中间回路温度过高,末端回路冷却功率不足时,该模块可提供额外的制冷量,降低流入冷板的工质温度,形成针对科学载荷的相对低温区域,恢复回路的冷却能力。分别建立了温控系统数学模型与数值仿真模型,并完成了热负载扰动、中间回路温度扰动、末端回路流量扰动和并联支路热扰动等4种扰动对系统热力学特性影响的仿真分析,验证了TEC模块的温控性能。结果表明:在科学载荷发热功率增加30%、中间回路的温度升高5K、末端回路流量减小至0.0015kg/s等多种工况下,所设计的温控系统能够将载荷温度控制在1K以内,实现科学载荷精确温控。      

高超声速多体分离过程气动加热计算技术

发展了无粘外流解与气动热工程方法相结合的用于全机外形复杂流动气动加热计算技术,并将其与动态多体分离过程流场解相结合,提出了一种高超声速飞行器多体分离过程气动加热特性计算技术,然后耦合结构传热,实现了飞行器热防护系统中结构材料温度分布特性的数值模拟。采用本文方法,针对假定高超声速多体分离布局及飞行条件开展了分离过程中的结构温度分布特性与热流密度分布特性计算,分析并给出了组合体分离过程中部件干扰对气动热的影响特性。结果表明本文发展的计算技术可为高超声速飞行器的防热方案设计、气动热特性定性分析及热防护系统设计等提供技术支持。     

双组元150N发动机头部热控组件温度适应性研究

为获得双组元150N发动机头部热控组件在低温工况下的加热能力以及发动机长程点火期间头部热控组件各处的温度分布、性能变化，应用有限元分析软件I-DEAS/TMG在给定的温度边界条件下进行了仿真分析，分别获得了低温工况下头部稳态平衡温度以及发动机长程点火期间头部瞬态温度。搭建了试验装置，通过电热炉对头部烘烤，设定控温点为400℃，恒定时间45min，获得了头部热控组件各处的温度分布及加热器阻值的变化。通过仿真计算和地面试验，得出以下结论：（1）热控组件能保证发动机在最恶劣低温工况下温度高于0℃；（2）在地面试验工况包络发动机在轨最长工作时间2500s的情况下，包含加热器、热敏电阻、导线等在内的热控组件均处于有效工作状态，为热控组件的高温耐受能力提供了有力支撑。