DQ—1气球卫星热设计

文章介绍了中国气球卫星的热设计与热试验。根据气球卫星的特性,讨论了无源热控制方法在热设计中的应用。说明热试验数据同热计算数据基本一致,气球卫星的温度满足设计要求。     

卫星热控系统的动态特性建模与仿真

受控对象的动态特性是卫星热控系统设计的基础,为了更加简便地进行卫星热控系统的动态特性计算,根据卫星各部分的温度变化特点及它们之间的热量传输关系,将其划分为外壳、辐射器、舱内环境、关键仪器设备以及相变蓄热装置5个集总参数热控环节,建立起各热控环节温度变化的数学模型.应用这一模型可以十分简便地计算内部热源强度及空间外热流变化时卫星各热控环节的温度变化趋势,其计算过程较常规的卫星瞬态温度场计算简单、方便,满足了对卫星热控系统进行仿真研究和控制策略优化的迫切需要,这对发展各种主动热控制技术来说具有尤其重要的意义.     

微纳卫星热状态仿真及分析

卫星热控系统通过调节星上热量收集、转移、排放的过程，从而达到控制星体温度水平和温度稳定性的目的，对卫星进行在轨热状态分析和依据分析结果进行热控措施调节与评估至关重要。针对低轨微纳卫星热状态分析的关键问题，给出了卫星在轨时刻所受空间外热流的计算方法，在此基础上，综合考虑温度影响因素和传热特点，建立了卫星外壳、辐射器、内环境和内外部单机的瞬时温度计算模型。以一低轨微纳卫星为例进行仿真计算，对结果进行了分析与讨论，为进一步深入研究卫星的热控设计提供了快速、简便的分析方法。     

纳卫星散热面与隔热层的联合设计模型与算法

纳卫星的被动热控系统对卫星舱内的温度控制及其有效载荷的可靠工作具有重要意义.散热面与隔热层设计是被动热控设计的两大关键环节.在对其进行传热学分析的基础上,建立了纳卫星散热面面积及隔热层厚度的联合设计模型和求解算法,阐述了应用这一联合设计模型与算法的具体流程,并以一太阳同步轨道纳米卫星为例,在客观分析其轨道热环境特点的基础上,对其散热面面积和隔热层厚度进行了设计计算、结果分析和仿真验证,得出了各设计参数间的制约关系,设计结果的分析及仿真验证表明:采用散热面和隔热层的联合设计可以得到较好的被动热控效果,这一联合设计模型与算法为纳卫星的被动热控系统设计提供了简便的设计计算模型和求解算法.      

组合光学太阳反射镜的热辐射性能测量

用量热计法测量了通信广播卫星上用的光学太阳反射镜（ＯＳＲ）的太阳吸收比αｓ和半球发射率εＨ。为了准确计算卫星的温度分布,测量的是组合ＯＳＲ样品的热辐射性能。作为对比,同时还用量热计法和光谱法测量了单片ＯＳＲ的太阳吸收比,并且对各个测量结果及其差异进行了分析。分析表明,不应当将单片ＯＳＲ的法向太阳吸收比αｓ作为设计参数,否则将在温度计算中引起较大误差。     

一种兼顾不同轨道姿态的卫星热控优化设计方法

分析了传统卫星的热控设计方案,提出一种能够同时满足太阳同步轨道和倾斜轨道条件的卫星热设计优化方法.基于该优化方法对某卫星在两种轨道条件下进行了热仿真分析,并对太阳同步轨道条件下的卫星进行热平衡试验和在轨验证.研究结果表明,采用该优化方法可减少倾斜轨道条件下卫星热设计的地面试验验证,缩短卫星研制周期并显著节约成本.研究结果可为卫星热控设计优化提供参考.      

返回式卫星主动段热控设计

我国的一种返回式卫星发射时未设整流罩,星体直接受到气动加热。利用热惯性法进行主动段热控设计,理论计算值、试验值均未超过飞行测量数据,说明设计和计算是合理的。     

基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法

介绍了一种利用卫星在轨温度数据预示热控涂层在轨性能退化情况的方法,建立并推导了适用于研究热控涂层随整数年变化规律的数学模型,该模型利用卫星设备的温度曲线通过反演计算得到设备表面热控涂层的退化数据。为检验本文数学模型的计算效果,构造了一组数值试验,结果表明本文数学模型的计算数据与真实值非常接近,说明本文建立的数学模型能够很好地根据卫星在轨温度计算出热控涂层在轨退化数据。     

环境C卫星热系统设计与在轨验证

根据环境C卫星的自身特性, 采用以被动式热控制为主和主动热控制为辅的控制方式, 对环境C卫星进行热系统设计. 通过研究环境C卫星的热控设计原则、热设计状态及已解决的关键问题, 对其在轨飞行温度数据进行了分析. 在轨飞行遥测结果表明, 环境C卫星热控系统方案合理, 工作稳定, 性能良好. 星上设备温度环境很好地满足了设计要求.      

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.      

遥感卫星总体参数设计的建模与协同优化

针对遥感卫星的总体参数设计问题,建立以卫星覆盖幅宽、地面分辨率和总重综合的指标为目标的优化问题,考虑卫星的控制(GNC,Guidance, Navigation and Control)、电源、结构和热控(TCS,Thermal Control System)分系统的分析模型并整理其中的耦合关系,以协同优化(CO,Collaborative Optimization)方法为框架建立多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型并用罚函数法求解,获得了协同一致且性能提升的结果.验证了所建模型的合理性和MDO方法应用于卫星总体参数设计优化的有效性.各分系统的模型及求解方法可为MDO方法的工程化应用研究提供参考.     

储能钠硫电池保温层优化设计

为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题,利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型,采用有限元分析软件ANSYS进行实体建模与数值模拟,分析不同性能保温材料对实际性能的影响,并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案.结果表明,优化方案满足了保温结构设计的需求;通过应用新型保温材料使保温结构厚度缩减了37.5%,从而减小了整体体积与重量;总结出根据材料属性与热阻安排保温材料布局的思路,保证了各保温材料在工作条件下的安全可靠.这对未来钠硫电池以及其他装置的保温结构设计与优化提供了技术参考.     

直升机滑油换热器的结构优化设计

在直升机肋管式滑油换热器的初步热力性能设计计算基础上,应用数值优化原理,对滑油换热器结构的优化设计进行了研究,建立了结构优化程序.该程序以滑油换热器的重量为目标函数,采用正弦法去约束并结合单纯形加速法寻优.实例计算表明,将滑油换热器的热力性能计算程序同结构优化程序结合起来,可以建立自动匹配的换热器设计及优化程序系统.应用该软件,输入设计要求,就可获得既满足性能要求,且重量最轻的肋管式滑油换热器.该软件可推广应用于各种类型肋管式换热器.     

考虑在轨热效应的网状天线索网优化设计

网状天线服役于高低温、强辐射的复杂太空环境,其热变形是影响天线在轨性能的重要因素。目前的设计方法均为常温下的索段预应力配置,难以计及服役环境对天线在轨性能的影响。通过在索网模型中引入温度载荷,建立了以常温下索段参数为变量,以服役环境下的索网形面精度和张力分布为目标及约束条件的索网优化模型,从而在设计之初充分考虑服役热环境下的天线性能,改善天线在轨精度和张力分布。分析了天线运行轨道热环境,计算了天线在不同轨道位置的温度场;基于非线性有限元理论,建立了网状天线热结构模型,形成了考虑温度效应的索网找形及优化设计方法;开展了面向天线服役性能的索网优化设计。优化结果表明,该方法有效提高了天线在轨运行时的性能,可为考虑服役环境的网状天线优化设计提供方法和思路。     

对地观测卫星总体参数多学科优化

针对对地观测卫星总体参数设计问题,建立了以对地观测性能最佳为目标的多学科优化模型,考虑姿轨控制、电源、结构、推进、有效载荷5个分系统的设计变量和相应约束条件,并考虑运载火箭对卫星设计的约束条件,通过经验公式建立分析模型.采用协同优化方法,利用外点罚函数法将系统级优化问题转化为无约束优化问题以改善协同优化系统级的数值缺陷,建立了多学科设计优化框架.计算结果表明通过优化可提升卫星的对地观测性能,验证了该方法的合理性.建模思路与优化方法可望用于更贴合工程实际的卫星参数设计.      

基于SIMP法的周期性传热材料拓扑优化

为了实现基于宏观热传导条件的周期性材料微结构设计,建立了基于固体各向同性材料惩罚法的周期性结构拓扑优化模型.模型以体积比为约束,散热弱度最小为优化目标.为了满足周期性约束,将设计域划分为若干相同子区域,并重新分配散热弱度.基于偏微分方程的图像处理方式可以有效地消除棋盘格和网格依赖性现象.讨论并分析了不同子区域个数及不同载荷工况对拓扑优化构型的影响.数值实验结果表明:周期性结构的建模方式可以实现基于宏观稳态热传导条件的周期性材料微结构设计.子区域个数不同时,优化得到不同的微结构构型,这反映了尺寸效应对材料设计的影响.当子区域个数不断增加时,优化结果逐渐趋向收敛于均匀化方法对应的极限值.      

免疫遗传算法在百叶窗最优化热设计中的应用

考虑优化过程中辐射能量交换的特殊性,为了加速优化过程的进行,通过引入漫反射系统单元表面间辐射传递系数与角系数之间的关系来处理百叶窗的辐射能量交换;同时为了克服传统优化算法存在的缺陷,提出了一种免疫遗传算法,并且应用于百叶窗最优化热设计中。优化设计表明,与标准遗传算法相比,该优化算法具有较强收敛度与全局寻优能力,可以较好地用于最优化热设计中。     

高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计

以热防护系统厚度方向几何尺寸为设计变量,热防护结构质量为优化目标函数,以航天器主结构温度极值为约束条件建立了优化模型。采用外部调用NASTRAN进行非线性瞬态有限元热分析,应用复合形法作为优化工具进行全局寻优。针对该问题结构几何形状是变量的特点,采用文件接口的方法实现了设计变量与有限元模型的关联以及有限元分析结果与优化工具的数据交换。     

地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计与优化

LIPS-300离子电推力器工作时产生的大量热耗会严重影响其工作性能,因此推力器的热控设计和在轨温度预计是推力器设计的关键技术之一。文章首先提出了地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计,建立了离子电推力器热分析有限元模型。然后,针对典型的地球静止轨道位保工况开展了LIPS-300离子电推力器的在轨热分析,得到了LIPS-300离子电推力器重点部件在轨工作时的温度预计：下极靴、阳极筒、屏栅、下磁钢为主要的高温位置,且下磁钢温度可能超出材料温度上限。最后,基于热分析的结果结合离子电推力器的特点提出适当增加外壳散热面积是离子电推力器优化设计的有效方向,而增强阳极筒、极靴与屏栅筒间的内部换热是无效的设计优化方向。