磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究

作为新型航天器姿态机动执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)长时间工作在高真空环境下且高速转子完全悬浮,散热条件差,系统温度过高,导致陀螺组件产生较大的热应力,降低了陀螺结构部件的强度。为减小温度场对陀螺结构部件强度的影响,提高陀螺结构的可靠性,采用有限元法计算出磁悬浮控制力矩陀螺工作状态下的温度场,并基于温度场分析陀螺结构部件的应力分布情况,明确温度场对陀螺结构部件力学性能产生的影响。建立了陀螺热网络模型,根据热网络模型与热网络方程分析热量传递路径及温度影响因素,并提出相应的优化措施。经优化,定子组件最高温度从66.5℃降至49℃,转子组件最高温度从91.7℃降至76.9℃。陀螺定子组件的强度安全系数由1.52提升为1.73,提高了13.8%,陀螺转子组件的强度安全系数由1.32提升为1.56,提高了18.2%。      

Experimental investigation of transient thermal behavior of an airship under different solar radiation and airflow conditions

Knowledge of the thermal behavior of airships is crucial to the development of airship technology. An experiment apparatus is constructed to investigate the thermal response characteristics of airships, and the transient temperature distributions of both hull and inner gas are obtained under the irradiation of a solar simulator and various airflow conditions. In the course of the research, the transient temperature change of the experimental airship is measured for four airflow speeds of 0 m/s (natural convection), 3.26 m/s, 5.5 m/s and 7.0 m/s, and two incident solar radiation values of 842.4 W/m² and 972.0 W/m². The results show that solar irradiation has significant influence on the airship hull and inner gas temperatures even if the airship stays in a ground airflow environment where the heat transfer is dominated by radiation and convection. The airflow around the airship is conducive to reduce the hull temperature and temperature nonuniformity. Transient thermal response of airships rapidly varies with time under solar radiation conditions and the hull temperature remains approximately constant in ∼5–10 min. Finally, a transient thermal model of airship is developed and the model is validated through comparison with the experimental data.     

基于人体热调节模型的民机座舱热舒适性分析

民机座舱热舒适性研究对我国研制的大型飞机市场竞争力具有重要意义.在舒适性研究中人体热模型的合理性是影响舒适性分析与评价的关键.在开展的有限空间人员热特性实验测试基础上,建立了一种具有热调节行为的人体热模型,将人体复杂传热过程抽象为高温核心区、血液灌注区和等效组织区三者间热传递,很好地克服了常规定壁温或定热流密度人体模型的局限性,计算结果与实验结果吻合较好.将该模型结合文中提出的无迭代PMV(Predicted Mean Vote)热舒适性方程,在保证计算速度的前提下,可实现高人员密度的民机座舱舒适性分析.仿真结果表明:该方法既能够满足复杂空间的计算速度要求,又能较准确地体现人体生理热调节过程,仿真结果可靠性高.     

空间太阳电池阵双轴驱动机构设计及热分析

针对空间太阳电池阵驱动机构的轻量化和长寿命两大关键技术, 研制了一种轻小型双轴驱动机构, 该机构由连续转动轴(A轴)和有限角度转动轴(B轴)组成, 连续转动轴利用导电滑环传输电能, 机构具有结构紧凑、刚度好以及重量轻等优点. 并通过了包括导电滑环和谐波减速器在内的关键活动部件加速寿命试验考核. 利用热分析软件对双轴驱动机构进行了热分析仿真, 通过比较不同热控方案下的温度场分布, 确定了可以采用的热控措施.      

Feasibility analysis of solar thermal propulsion system with thermal energy storage

Possessing relatively high specific impulse and moderate thrust levels, solar thermal propulsion (STP) is a promising candidate in spacecraft propulsion system. However, the traditional solar thermal propulsion system suffers from thrust failure in the shadow area, which seriously affects its applicability. In this paper, we investigate feasibility of regenerative solar thermal propulsion system (RSTP) incorporating thermal energy storage, which can effectively overcome unmatched synchronous working time and illumination time. A numerical model for RSTP considering the whole energy transfer process from light concentrating, heat storage, to thrust generation is built, which is verified by experiment measurements with relative errors less than 15 %. The result shows that the maximum time to complete heat storage is about 4000 s, which is within the illumination time for low Earth orbit. In the solar eclipse region, the thrust (F_t) and the specific impulse (I_sp) of the system increase with the propellant flow rate, which can reach about 2 N and 690 s, respectively. What’s more, the system can operate for around 100 s continuously at the maximum thrust in the shadow area. This work provides alternative approaches for microsatellite propulsion with high specific impulse, high thrust, and continuous operation despite presence of solar eclipse.     

嫦娥五号探测器热平衡试验方案设计与实现

针对嫦娥五号探测器热平衡试验中面临的难题,在分析以往国内外航天器热平衡试验技术现状基础上,依据验证充分、有效与全面的原则,构建出一套探测器热平衡试验方案,提出一种基于“专用红外吸收式空间外热流模拟方式”的热平衡试验方法,设计了典型试验工况,同时优化了试验技术流程。地面热平衡试验结果结合在轨飞行数据表明：热平衡试验方案能够有效验证热控设计的正确性,专用红外吸收式外热流模拟装置偏差造成的温度影响不超过2℃,热平衡试验工况设置合理,技术流程优化,热分析模型相关性工作可使热分析模型更加准确可信。     

相变降温服热分析

为了研究相变材料降温服在高温高湿条件下的热防护性能和相变材料数值计算 方法应用于降温服传热计算的可行性,在分析服装传热传质特点及计算方法的基础上,利用 焓值分析法对服装中的相变材料建立传热模型,在整个区域建立统一的能量方程,在区域结 点进行离散,并进行隐式求解,得到焓的分布.建立了关于人体、降温服相变材料、人体着装 、环境的传热模型,用此模型进行高温高湿条件下的人体着装的动态仿真,并进行试验验证 .降温服计算和实验结果吻合良好,可以看出,相变降温服热分析方法可靠合理.      

太阳耀斑显著的热和非热事件的统计特征

本文利用GOES卫星和SMM卫星软、硬X射线耀斑观测资料,分析耀斑中软、硬X射线辐射流量的分布,发现太阳耀斑存在着显著的热事件(PT事件)和显著的非热事件(PNT事件),它们主要特征是:(1)PT事件为缓变型耀斑,PNT事件为脉冲型耀斑;(2)PT事件的硬X射线谱较软,PNT事件能谱较硬;(3)PNT事件非热能量释放速率比PT事件快3—10倍;(4)耀斑发展趋缓慢,PT事件中软X射线峰值流量越大;(5)耀斑中PNT事件约占60％,PT事件约占40％.最后定性讨论了产生PT和PNT事件的可能机制.      

太阳方阵模拟器电源测试方法研究

分析了太阳方阵模拟器电源的原理,解读了检定规程与其特色性能的区别和联系,给出了推荐测试项目和测试方法。 太阳方阵模拟器电源是航天器地面测试供配电分系统的核心设备,其技术性能的高低将直接影响航天器测试的质量,进而影响航天器的可靠性。     

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

高速永磁无刷直流电机的热分析

为了解决高速永磁无刷直流电机温升过高带来的磁性能降低及绕组绝缘破坏等问题,对高速电机的温度分布及改进措施进行了一系列研究.采用集中参数法建立了电机热网络数学模型,推导出电机损耗、热导和温度之间的解析方程;建立了基于ANSYS/Workbench的电机三维有限元模型,对其进行稳态热分析,从而得到电机整体的温度分布,验证了电机热网络模型的正确性;提出了改变转子护套材料及电机轴打孔两种措施.分析结果表明:改进后的电机转子部分温度有了明显降低,其中护套温度降低了约34℃,永磁体约54℃,解决了电机的局部温度过高问题.     

星敏感器光轴热稳定性仿真分析方法

热稳定性用来衡量星敏感器光轴指向抵抗温度变化影响的能力,常用试验及仿真的方法进行分析验证.仿真方法因其高效率、低成本、可贯穿产品设计全周期等优点,已成为热稳定性分析验证的重要手段.开发了一种热 力 光联合仿真分析的方法进行星敏感器热稳定性计算.该方法集合了热分析、变形分析、成像仿真及热漂移计算等多项仿真分析过程.以某高精度星敏感器为例,进行了热稳定性计算,结果表明了该仿真方法的有效性.     

高可靠性航空电子设备热分析中的有限体积法

阐述了热对系统可靠性的影响,对比了数值法求解温度场分布的优缺点.针对航空电子设备热分析中同时要求满足高的分析精度和快的计算速度的问题,提出用有限体积法求解温度场分布的计算方法.根据典型航空电子设备的结构特点,建立了温度场的数学模型,给出了边界条件.在此基础上,用有限体积法对待求解方程离散化,给出了离散化过程中网格划分及边界的处理方法.结合实例进行了温度场求解,计算结果与热测量结果进行了对比,得到了较高的分析精度,验证了方法的有效性.最后对计算误差进行了分析,并提出了进一步热设计的合理化建议.      

太阳电池阵瞬态非线性温度场的精细算法

利用精细时程积分法和状态空间转移法 ,提出了计算空间飞行器太阳电池阵瞬态非线性温度场的非线性补偿法 ,它能够计算太阳电池阵在轨飞行时的温度场 ,具有收敛性好、稳定性好、计算精度逼近精确解、可以取较大的时间步长等特点     

热障涂层热应力影响因素的正交有限元分析

利用有限元分析方法,采用Walker粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法,分析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的4种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,4种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著影响,其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力变化的影响规律不同.     

基于有限元的高速储能飞轮转子设计

利用解析法计算出高速储能飞轮转子护套所需过盈量的范围,利用有限元软件进行静止状态和工作状态下护套的应力分析,仿真结果与解析计算结果基本吻合,验证了结果的有效性。分析了装配过程中,护套加热产生的热变形,为护套的过盈安装提供了依据。最后, 对飞轮转子的模态进行了仿真和实验, 两者结果的误差为0.6%。     

纳卫星热系统的在轨动态特性分析与建模

纳卫星热系统是在复杂空间热环境下实现纳卫星被动热控制任务的基本技术途径,对其进行在轨动态特性分析与建模对纳卫星的热控方法与效果研究及评价具有重要意义.通过详尽的机理分析建立了描述纳卫星热系统在轨飞行过程中瞬态温度变化的3维非线性动态特性模型,阐述了与之配套的外热流分析与轨道运动计算方法,并以一太阳同步轨道纳卫星为例,对其飞行过程中的外热流变化、在轨温度变化响应等动态特性进行了详细的分析和讨论,为进一步深入研究纳卫星热控制、热管理理论及技术提供了简便的分析计算模型与方法.      

太阳电池阵极月轨道在轨热分析

以极月轨道上太阳电池阵作为研究对象,详细分析了该轨道上电池阵所得各外热流的确定方法.以此为基础,对太阳电池阵进行在轨温度数值模拟,得到月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布.计算结果与地球卫星的相应数据进行比较,明确了月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布特点,为月球卫星上太阳电池阵以及整个卫星的设计提供了有利的数据参考.      

二氧化碳探测仪瞬态热分析模型修正

为实现碳卫星载荷在轨温度的准确预测,对其试验状态瞬态热分析模型的修正进行研究。先比较热分析计算结果与热平衡试验结果,求出两者对应温度监控点的温差;再利用蒙特卡洛法对二氧化碳探测仪热分析模型参数进行灵敏性分类,将模型参数分为整体灵敏、局部灵敏与不灵敏参数。然后根据热平衡试验数据,用拉丁超立方和单纯形法的混合法对模型各个参数进行分层修正,得到满足目标函数各个灵敏性参数的最优值。最后将参数最优值代入热分析模型计算验证该修正方法正确性,并进行残差分析。结果显示修正后各温度监控点热分析计算与热试验温差δ_a小于±0.5℃,残差修正率θ高于80%,修正后多数温差比修正前减少了一个数量级。结果表明修正取得的效果明显,修正方法合理可行。     

极月轨道上太阳电池阵外热流规律分析

准确的月球表面温度分布模型对于开展月球探测具有重要意义. 目前有关月球表面温 度模型还缺乏对完整月球表面温度分布的计算方法研究. 本文建立了一套计算完整月球表面温度的方法, 其中月球阳面温度采用Racca模型直接计算得到; 对于月球阴面, 将其沿纬度方向划分为若干区域, 每个区域的地表土壤采用一维非稳态热传导模型, 根据嫦娥三号着陆器太阳电池阵在轨环月阶段的温度数据, 修正得到月球表面土壤导热系数、密度及比热容, 通过数值计算求解一维非稳态热传导方程, 得出任意时刻月球阴面表面温度随时间的变化. 嫦娥三号着陆器太阳电池阵环月阶段热分析结果与在轨温度符合较好, 初步说明本文建立的完整月球表面温度计算方法正确可行. 基于本文方法计算得到整个月球表面温度分布, 进一步研究了极月轨道太阳电池阵外热流变化规律.