国产低导热PAN基碳纤维制备及其在绝热材料的应用

为拓展碳纤维在绝热材料领域的应用,将实验室自制原丝通过低温炭化工艺制备得到了低导热聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,分析了该碳纤维的化学组成、微观结构、表面形貌、热性能和力学性能等;并制备了低导热碳纤维增强酚醛树脂橡胶基绝热材料,探讨其热性能和烧蚀性能的变化规律和影响因素。结果表明,采用低温炭化,碳纤维的碳元素含量和结晶度相对较低,导致其热性能和力学性能较差,其中热导率最大可比MT300碳纤维降低46.9%,但有利于绝热材料的制备。炭化温度为900℃时,碳纤维绝热材料的热导率比MT300碳纤维绝热材料降低23.4%,线烧蚀率提高39.5%。该材料的制备工艺及关键性能参数可为国产碳纤维在固体火箭发动机内热防护领域的应用提供借鉴和参考。     

月面热环境的反演研究

以嫦娥三号巡视器月面日食期间非稳态的温度遥测数据为基础,通过建立月壤及巡视器的传热模型,反演了日食期间月面温度的变化,并给出了符合巡视器温度遥测的月壤热物性参数取值范围。在此基础上,对月面热环境进行了分析研究。结果表明,本文反演的月壤平均导热系数大于常见取值,而比热却明显小于常见取值。采用反演的热物性值计算的月表温度与之前认识相符,但对月壤内部热环境有新发现,其温度梯度相对减小而恒温层厚度则明显增大。     

基于热解动力学的绝热材料烧蚀研究

针对绝热材料的烧蚀热响应进行了研究。采用热解动力学模型计算材料热解,同时计算热解气体的一维流动。采用基于化学动力学控制及扩散控制的烧蚀模型计算材料表面的烧蚀。计算模型中采用有限体积法对能量方程进行离散计算,采用SIMPLE算法对热解气体的流动模型进行计算。计算结果表明,绝热材料内部的孔隙率呈梯度分布,材料的热解率是空间和时间的函数,烧蚀过程中部分材料处于原始材料状态。     

变比热对超燃冲压发动机尾喷管设计的影响分析

当气体总温较高时,气体的比热比将不再保持不变,而是温度的函数。由于超燃发动机尾喷管的入口温度很高,因此,在喷管型面设计时应该考虑比热变化对型面产生的影响。给出了基于量热完全气体模型和热完全气体模型的超燃冲压发动机尾喷管设计方法。并比较了比热比不变和比热比随气体温度变化时对喷管型面设计的影响。对量热完全气体的应用限制进行了初步讨论。     

电磁脉冲对MOSFET的热损伤效应研究

针对金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)在电磁脉冲作用下的热损伤问题,提出了一种新的热分析方法,通过仿真漏极注入阶跃脉冲下器件内部的温度响应研究了其损伤机理和规律。基于热效应半导体基本方程和热流方程,建立了用于仿真的器件模型和数值模型。采用注入法,以阶跃脉冲信号为输入,仿真研究了不同偏压上升时间和幅值下的器件损伤。结果发现:阶跃脉冲电压幅值一定时,MOSFET器件内部的温升过程及最后达到的最大温度与脉冲上升时间无关,器件在经过雪崩击穿、电流模式二次击穿后,温度迅速上升直至器件烧毁,烧毁所用时间与脉冲上升时间满足线性关系;脉冲上升时间一定时,器件温升随电压幅值增加而明显加快,器件能达到的最高温度也随之增加,器件烧毁所需时间与电压幅值的大小满足幂函数关系。研究对MOSFET的电磁脉冲毁伤机理认识和加固防护设计有一定的参考价值。     

真空热试验中冷能利用的思考

在大型航天器的真空热试验中,仅从过冷器排除的液氮和低温气氮的混合物就达约5×104 kg,其中蕴涵了108 kJ量级的冷能。文章首先介绍了自然冷能和LNG冷能利用的研究现状,并结合航天器真空热试验的实际情况,研究了试验过程中排气造成的冷能损失,对它的再利用可行性进行了讨论,提出可以采用联合法冷能回收流程,并提出了冷能利用中的几个关键问题。认为:需要解决液氮和低温气氮供应的连续性及找到恰当的二次冷媒,是真空热试验中冷能利用的关键。     

新型同心筒自力发射热环境优化设计

针对新型路基同心筒自力发射热环境评估与优化设计问题,依托弹性变形和域动分层结合的动网格技术,求解了二维轴对称N-S方程,分析了"中段导流"同心筒动态热环境特性,确定了热环境评价指标;通过建立以优化拉丁超立方实验设计和四阶响应面为理论基础的近似数学模型,解决了CFD自动建模困难、直接寻优计算量大的难点;利用多岛遗传和梯度优化算法搭建组合优化策略平台,克服了流场在不同热结构条件下的强非线性问题,并构建了支持近似数学模型的热环境优化构架。对比数值结果表明,倒吸进入内筒的低温气体有力改善了同心筒热环境;建立的近似数学模型精度较高,满足工程需求;优化后,热环境特性发生良性变化,导弹总体热环境得到显著改善。     

薄膜二次表面镜热控涂层的辐射物性分析

认识热控涂层的热辐射物性对航天器热控制设计具有重要指导作用。文章根据薄膜二次表面镜涂层的吸收与反射过程分析,建立模型方程,结合已有的太阳吸收比、红外发射率等表观数据,采用非线性参数最小二乘法获得了薄膜材料的吸收系数和反射率等辐射物性,并分析了厚度对热控涂层太阳吸收比和红外发射率的影响。研究结果表明,聚酰亚胺薄膜对太阳光的表面反射率为0.571,吸收系数为19.343 mm-1,对红外辐射的表面反射率为0.227,吸收系数为39.615mm-1;F46薄膜对太阳光的表面反射率为0.744,吸收系数为0.757mm-1,对红外辐射的表面反射率为0.111,吸收系数为9.240mm-1。     

聚氨酯硬泡沫塑料的低温线胀

分析了泡沫线胀对低温绝热效果的影响,研究测定了聚氨酯硬泡沫塑料的低温线胀随温度,密度、方向以及冷热循环次数的变化规律并作了机理探讨。在大量实验的基础上给出了聚氨酯硬泡沫塑料低温线胀的变化范围和平均值。     

某固体发动机绝热材料研究

研究了某固体发动机的绝热材料配方。该配方以液体丁腈橡胶为基体,以气相法白碳黑为主要增强、隔热填料。在分析气相法白碳黑特性的基础上,研究了该材料对橡胶力学性能和热性能的影响,从而确定出了绝热材料的组成。最后通过地面点火试验考核了所研制的绝热材料配方。     

基于热力学效应修正的诱导轮空化模型研究

液体火箭发动机的诱导轮抽吸性能受到工质热力学效应的影响,低温工质的热力学效应对诱导轮空化工况下的工作性能影响尤为显著。由于热力学效应对气泡的增长有抑制作用,低温工质的热力学效应能改善诱导轮在空化工况下的工作特性,但目前国内对此问题的认识依然只停留在定性的层面。为了更准确地理解诱导轮在低温工质中的工作特性,必须定量地考虑这种由热力学效应所导致的影响。在Rayleigh-Plesset方程的基础上推导出了一种基于热力学效应修正的空化模型,并将此模型编译成程序模块应用于液体火箭发动机氧泵诱导轮的数值计算。对数值计算结果进行定量的后处理分析,并与发动机空化工况下的热试车数据进行对比验证了模型的准确性。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

基于石墨烯强化传热的微小飞行器热控设计

文章针对微小飞行器电子设备高度集成化带来的热控风险,以某微小飞行器为研究对象,在分析其轨道参数和结构性能的基础上,提出采取不同厚度的石墨烯导热层等温强化传热的热控设计方案;通过热分析软件建立飞行器在轨状态的热模型,仿真计算飞行器在高温和低温工况下的外热流及不同厚度的石墨烯导热层方案下的瞬态温度分布,并对结果进行对比分析。结果表明,采取石墨烯导热层等温强化传热的热控方案可明显降低微小飞行器内部单机的温差,解决高低温工况下单机温度波动较大的问题。同时,通过实验方法验证了利用石墨烯导热层实现微小飞行器等温化的可行性。     

月球表面热环境数值分析

月球表面热环境的研究对探月活动有重要意义,本文用数值方法分析了月球表面的热环境.首先计算了不同纬度地区地表辐射平衡温度的周期波动,然后建立了月球地表土壤的一维非稳态热传导模型,用此模型计算了不同纬度地区地表温度的波动、月壤温度的波动及恒温层温度和深度,并讨论了月壤热物性对温度波动的影响.结果表明白天的地表温度主要取决于地表的辐射平衡温度,而夜晚的地表温度受到月壤热物性的影响.     

功能梯度材料薄板的热气动弹性数值分析方法及特性研究

对高超声速环境中功能梯度薄板的热气动弹性问题的有限元数值分析方法和特性进行了研究。在考虑了沿板厚方向上非线性温度分布影响基础上,建立了更为精确的功能梯度薄板的热气弹耦合力学模型。采用Eckert参考温度法模拟气动加热效应,进而使用有限元方法求解热传导方程,得到薄板内部的热应力以及物性参数分布,并求解功能梯度材料薄板的控制方程,得到薄板在热应力-气动力-弹性力耦合下的振动特性。结果表明,所提出的基于有限元的数值分析方法能够有效处理该问题的复杂性,并且发现气动加热效应能够使薄板发生热屈曲或者提前进入振动状态,此外还发现当无量纲气动力位于某一“过渡区”内时,薄板行为对初值异常敏感。最后,建立的功能梯度薄板热气弹耦合模型以及相关数值求解方法,能够有效地研究高超声速环境中功能梯度材料薄板的振动行为,相关数值结果对功能梯度薄板的热气弹研究也具有借鉴意义。     

特征模型分散式自适应姿态控制在高超声速飞行器中的应用

 针对高超声速飞行器在再入过程中强耦合、大扰动和气动参数大范围变化的问题,基于特征建模的思想,把原非线性动力学方程用一个二阶时变差分方程组形式的特征模型描述,建立了攻角通道独立、 偏航/滚转通道耦合的特征模型,并设计了分散式自适应姿态控制器,给出了稳定性分析和数值仿真。由于基于特征模型设计的控制器组成的闭环系统是一个非常复杂的混合系统,稳定性分析在特征建模理论中一直是一个难点,提出的稳定性分析方法完全解决了此类不含内动态相对阶为二的多输入多输出系统的稳定性问题。     

基于磁路法与等效热网络法的航天 永磁同步电机设计与仿真

针对航天永磁同步电机方案初步设计耗时长、过度依赖商业软件的问题,基于磁路法和热网络法,提出了一套方案设计阶段航天永磁同步电机磁热性能快速预估与仿真方法。给出了定子内径、定子外径、铁芯长度、匝数等关键参数的取值准则,建立了包含36个节点集总参数热网络模型,并以端部绕组为例给出了热平衡方程的详细推导过程。通过与成熟商业软件对比,其电磁计算最大误差出现在电流有效值上,偏差值为607%;与样机实测值对比,绕组温升最大误差为73%,满足方案设计阶段预示精度要求,为方案设计阶段航天永磁同步电机快速性能预估提供有力支撑。     

积炭辐射对固体燃料燃烧的影响

本文给出一个研究积炭辐射对固体燃料燃速影响的综合模型,该模型由几个子模型组成:用低雷诺数二方程k—ε模型计算流场输运问题,用旋涡—耗散模型计算湍流及化学反应问题,用二热流方法计算辐射传热问题,除对流和扩散外,输运方程还考虑了积炭的生成及氧化问题,以计算其浓度。该模型对PMMA燃料所作的计算与试验数据进行了对比,表明积炭辐射是确定固体燃料的热解速率最重要的因素。     

迭代法求解航天器热网络方程的收敛条件与时间步长优化

热分析计算是航天器热设计验证和在轨温度预示的重要手段,其实质是对描述航天器在轨状态的能量平衡方程即热网络方程的求解。作为典型的非线性问题,航天器热网络方程通常采用迭代法求解,且目前尚无完善的理论可以判断迭代过程的收敛性和收敛条件。文章根据航天器热控设计的工程实际,提出一种可行的近似方法,实现了热网络方程的线性化;在此基础上对迭代法求解过程中的收敛性进行分析,确定了收敛条件下对节点热参数和时间步长的约束关系;并进一步分析时间步长与计算效率的关系,提出了以计算效率为优化目标的最优时间步长确定方法。最后通过某典型航天器热物理模型的计算验证了上述方法的正确性。     

NBR型绝热材料耐低温抗烧蚀性能的改进

NBR为基体填充石棉和SiO2·nH2O的绝热材料，在国内外发动机绝热装药工作中已获得广泛应用。本课题在此基础上进行了NBR绝热材料耐低温，抗烧蚀性能的配方研制，结果表明，采用特制气想法白炭黑和中度丙烯腈含量的NBR，选取及有效处理温石棉，提高了材料各项性以,理的炼制工艺，使新材料获得的综合力学性能，抗烧蚀，耐温性和物理性能优于传统的NBR或酚醛改进NBR绝热材料，材料粘结工艺和热老化实验表明性能较好，NBR改型绝热材料在发动机中获得成功应用。