高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

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.     

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.     

紫外成像光谱仪主动热控系统的设计与实现

为了确保紫外临边成像光谱仪的温度水平和温度梯度满足指标要求,分析了其所处空间环境并结合其光机电的特点,设计了整机的主动热控方案和被动热控方案。首先,总结了成像光谱仪热设计的基本原则,介绍了主动热控方案和被动热控方案。接着,利用最坏情况分析法分析了主动热控系统测温电路的测温精度。然后,根据主动热控方案的要求,对主动热控系统的硬件和热控策略进行了设计和实现。最后,规划了主动热控系统的验证试验,并对主动热控系统进行了试验验证。分析和实验结果表明：主动热控系统的测温精度满足≤±0.5℃的指标要求,主动热控系统能够保证紫外临边光谱仪13℃～18℃以及紫外环形成像仪8℃～18℃的温度水平要求,主动热控方案合理、可行,满足高可靠性的要求。     

临近空间飞行器总体设计对固体发动机特性需求分析

从内弹道性能、气动防热、绝热结构设计和后效推力预示等方面研究了临近空间飞行器总体设计对固体发动机的需求。内弹道性能方面,在总冲一定的情况下,发动机采用“长时间小推力”的工作模式、“前高后低”的推力曲线形式,对提高分离点高度和关机点速度、减小分离点动压有利;气动防热方面,临近空间飞行器发动机外壁热环境远比传统弹道式严酷,需要采取相应的防热措施;绝热结构设计方面,分析了过载条件下燃烧室中粒子的受力情况、粒子沉积分布位置以及对绝热结构的影响,提出了过载条件下发动机绝热裕度设计校核的需求;后效推力预示方面,发动机下降段高空推力的预示精度对分离安全性及分离时序的设计有着非常重要的作用,需要提高后效推力预示的准确性,以满足分离设计的要求。文章研究总结的方法、规律和结论,对临近空间飞行器固体发动机的设计具有重要的参考意义。     

高固含量改性双基推进剂的烤燃试验研究

采用非限定烤燃试验,测定了高固含量改性双基推进剂药柱的热爆炸临界温度,讨论了固含量与临界温度的关系及临界温度的尺度效应;通过高压热分解研究,获得了高固体含量推进剂热分解反应非等温动力学参数,探讨了固含量对临界温度的影响机理。结果表明,固含量由0％增加至50％,热爆炸临界温度由134．5℃上升到156．1℃,3 MPa压力下第一热分解峰温由201．8℃上升到206．2℃（β＝10℃／min）,表明热稳定性增加;长径比为1的GLX?4药柱临界温度与直径的对数呈线性关系。此外,随着固含量升高,热分解活化能由161．0 kJ／mol升高到181．9 kJ／mol,揭示了烤燃试验热获得的爆炸临界温度升高这一现象的高压热分解动力学理论依据。     

预估太阳电池阵在轨最高温度的经验公式

针对距地高度为300～1000 km的太阳同步轨道,分析了一维转动展开式太阳电池阵的温度影响因素,给出了计算太阳电池阵最高温度的经验公式。此公式同样适用于低地球轨道的卫星,且计算结果可包络卫星热控状态变化带来的影响,在太阳电池阵设计阶段可为电源分系统提供太阳电池阵最高温度的初步数据。     

高速高温流场电子能非平衡的数值模拟

采用描述电子能非平衡的三温度模型,结合11组分空气的化学反应模型,对多种高速高温热化学非平衡流场开展数值模拟,并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比,研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-C II飞行器的4个飞行工况算例表明,尽管两温度和三温度模型结果存在差异,但二者电子数密度分布的趋势和量级接近,均可与飞行试验数据保持一致,其中三温度模型的预测效果更好。FIRE II飞行器极高温流场模拟结果显示,电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。     

1700℃有氧环境下高超声速飞行器轻质防热材料隔热性能试验研究

文章针对高超声速飞行器需面临极端高温有氧热环境以及舱体表面单侧面受热的特点,建立了由硅钼发热体作为热源的红外辐射式超高温、时变、单侧面加热试验测试系统,开展了高达1700℃的有氧环境下高超声速飞行器轻质防热材料的隔热性能试验。另外,为了研究和优选高效隔热方式,对高超声速飞行器用单层轻质陶瓷隔热材料和陶瓷/纳米材料叠层复合结构在1700℃高温有氧环境下的隔热特性进行了试验测试;通过试验结果的对比分析,发现陶瓷/纳米材料复合叠层结构比单层轻质陶瓷材料的隔热效果提高近50%。     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。