月面探测器燃料电池应用的初步研究

燃料电池是一种高效的清洁能源,早在20世纪60年代就成功应用于美国载人登月工程中。我国对燃料电池的研究工作开展较早,当前已初步具备了研发航天器燃料电池的技术能力,但由于燃料电池属于一次性能源,使其应用一直受限于航天领域,近年来我国新型航天器的研发为燃料电池提供了新的应用背景。在调研分析的基础上,提出了一种使用氢氧燃料电池作为月面探测器主电源的配置方案,通过与传统供电方案的综合比较总结了燃料电池的优点,并归纳了后续应用的关键技术和解决途径,为燃料电池在我国航天领域的应用提供了一种新思路。     

梯度折射率热辐射的研究现状及在航天器技术中的应用展望

在综述近年来国际上梯度折射率热辐射研究与应用现状的基础上，简要介绍了梯度折射率介质层热辐射传递的基本物理特征，以及由此引起的热辐射平衡温度分布特性、辐射一导热耦合换热特性及介质层的表观辐射特性。梯度折射率介质热辐射所显示的一些特殊性质，使之可能在未来航天器各技术领域中有不同程度的应用前景，对此进行了初步分析和展望。     

双探针法测量月壤热物性参数的影响因素分析

针对双探针法测量月壤热物性过程,建立了探针与月壤组成的多层介质在太阳辐照加 热与月表辐射散热作用下的二维非稳态传热模型。通过数值模拟,分析了探针长度、直径、 中心间距和加热功率等因素对测量结果的影响。结果表明,若月壤导热系数在0.01W／
(m·K)左右,则月壤的弱导热性是双探针探测设计中需考虑的主要因素。在上述分析的基 础上,设计了双探针结构,对一导热性能较差的松散介质进行了地面测量实验,通过试错法 反演测量数据得到该介质的热扩散率与导热系数,为进一步应用研究提供了参考。     

月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案,通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向等方案的计算结果。计算表明,当帆板不对日定向时其背面包覆隔热材料对其温度场及电能输出无明显影响,对日定向时帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板顶面与背面的温差减小。     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

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。     

月球坑内空间环境热流的分布研究

文章推导获得了月面阳光矢量和月球坑内探测器表面关系的表达式,采用蒙特卡罗法数值计算探测器各表面的辐射热流,分析了月球坑内环境辐射热流的分布特征。讨论了月面纬度、月球坑尺寸、月面发射率等参数对探测器表面热流的影响。计算表明:月面纬度增加及月球坑坑口半径的减小均会导致某些时刻阳光无法照射到坑底,从而与其他工况有较大的计算差别,两参数对探测器各面热流的影响规律不同;月面发射率对探测器表面热流的影响作用较大,增加月面发射率能明显降低探测器某些表面的辐射热流。     

羽流场与月壤颗粒相互作用的一种新计算方法

针对登月着陆器发动机下降过程中羽流场与月壤颗粒相互作用问题提出了一种新的计算方法。通过Morh\|Coulomb破坏准则确定月壤颗粒可以被羽流扬起的临界剪应力,采用动量原理计算被扬起的月壤颗粒的质量大小及形成的月坑深度;基于牛顿第二定律,采用羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代的计算方法,获得被扬起月壤颗粒随时间的质量分布等。本文通过美国Apollo 11登月过程实测数据对该新方法进行了验证,为人类探月工程提供一定数据参考。     

红外加热棒式空间外热流模拟器的数值研究

采用蒙特卡罗法跟踪能束的发射和吸收,提出了一种避免挡板表面能量方程计算的等效反射模型,模拟了红外加热棒式空间外热流模拟器模拟面上的能量分布及其他参数,比较了加热棒为直棒和曲棒时模拟面的热流模拟结果。研究表明,挡板内外表面置换后表面发射率的不同并没有导致模拟面上能量分布的明显变化;增加加热棒根数并不能一直明显地使模拟面的能量分布更趋于均匀;经形状优化后曲棒模拟的热流分布比直棒更均匀。     

月球表面热环境测量技术调研分析

月面热环境探测是我国探月工程中的一项必要工作,具有重要的工程和科学意义。文章从工程角度确定了月面热环境测量的主要物理参数,分析了现阶段我国探月工程中实现月面热环境测量的技术条件和要求;对国内外有关材料热物性测量技术进行了综合调研,了解了国内外关于开展行星表面热环境探测的技术及应用现状;在结合我国航天测量技术的基础上对月面热环境测量所涉及的关键技术进行了分析,并初步勾勒出我国探月工程中月面热环境测量装置的指标、任务和实现方案。