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。      

三元共掺杂对YSZ热障涂层热物理性能的影响

采用NiO、Er_2O_3、Yb_2O_3、Y-2O_3、ZrO_2粉末为原料,用高温固相合成法制备复合陶瓷材料,研究该复合陶瓷材料的比热、热扩散系数、热导率等热物理性能,并与传统8YSZ热障涂层材料进行对比。利用XRD测定所制备的陶瓷样块的晶体结构和物相组成,分析该陶瓷试样的物相组成及高温相稳定性。结果表明:NiO、Er_2O_3、Yb_2O_3共掺YSZ后,室温至1500℃范围内的热扩散系数为0.36～0.56 mm^2/s,与8YSZ相比,降低了约20%;室温至1500℃的热导率为1.45～1.55 W/(m·K),比8YSZ降低了18%;2EYNYSZ陶瓷材料具有单一的相结构,经1500℃热处理100 h之内不发生相变。     

CNTs泡沫相变复合材料:纳米孔隙的构筑与相变材料的包裹

热能是一种广泛存在并极具应用前景的能源,但目前储热材料的能量转换时间较长,储热效率较低,亟需一种高性能的新型储热材料。本工作通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)方法利用碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)构筑宏观体材料,在微纳尺度下对复合材料结构进行优化,合成孔隙结构可控的 CNTs泡沫,利用毛细管作用力将熔融相变材料硬脂酸和石蜡填充到 CNTs 泡沫中,形成分散均匀的 CNTs相变复合材料。用聚焦离子/电子双束显微电镜(FIB/SEM)观察样品形貌,用差式扫描量热计(DSC)分析样品潜热,用 X 射线衍射仪(XRD)分析样品晶体结构,用拉伸试验机测试样品强度。结果表明:CNTs泡沫对相变材料具有优异的包裹性,减少了在相变循环中相变材料的流失;复合相变材料具有较高的潜热。     

C/C素坯密度对GSIC/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用气相渗硅工艺(GSI)制备C/C-Si C复合材料,研究了C/C素坯密度对GSI C/C-Si C复合材料物相组成与摩擦磨损性能的影响,分析了C/C-Si C复合材料的制动过程,并归纳了其摩擦磨损机理。结果表明,随着C/C素坯密度的增大,GSI C/C-Si C复合材料的密度呈递减趋势,且C含量和开气孔率逐渐增加,而Si C含量和残余Si含量逐渐减少;自对偶条件下,复合材料的平均摩擦系数、磨损率均呈现先增大后减小的趋势,当C/C素坯密度为1.25g/cm3时有最大值,而制动稳定系数则不断增大。GSI C/C-Si C复合材料的制动过程是犁沟效应和粘着效应共同作用的结果,制动初始阶段和刹停阶段以犁沟效应为主,中间阶段以粘着效应为主。     

航空橡胶密封件力学与密封性能检测技术

介绍了航空橡胶密封件的力学、泄漏、损伤、接触变形等特性的无损检测技术及应用情况。其中,橡胶密封件泄漏压差测量方法,用于获得不同压差下的气体泄漏率;橡胶密封件接触应力超声检测技术,实现了橡胶密封接触应力的准确测量;橡胶密封件损伤与泄漏的红外热成像测试技术,可以得到泄漏点的定位与泄漏量的精确测量;橡胶密封件接触变形数字图像相关技术,获得了织物接触界面变形场与应力场的演化规律等。同时,对航空橡胶密封件的非接触测量技术进行了展望。     

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

温度梯度环境中潜艇尾流热特征的试验研究

改进了用于实验室热尾流测量的温度测量系统,提高了系统的集成度和抗干扰能力。在水槽中实验研究了螺旋桨推进潜艇模型在有、无温度分层流体中尾流的热特征,得到两种条件下尾流的温度分布和信号衰减规律,分析了两种尾流信号的形成机理及其影响因素,表明在温度分层环境中＂冷尾流＂信号对探测和识别水下航行的潜艇更为有利,所得结果可为红外反潜和潜艇红外隐身提供更加切合实际的理论支撑。     

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.