我国载人航天器热控制技术发展

载人航天工程推动了我国航天器热控技术的长足发展,载人航天热控系统研制过程中建立了以单相流体回路和通风为核心的主动热控体系。文章回顾了我国载人航天三步走过程中单相流体回路技术、对流通风技术、信息与控制技术、热设计验证技术的发展历程及成果,展望了后续载人月球探测在内的任务对热控系统的需求,建议发展空间热泵技术,以提升在恶劣外部环境下航天器的热排散能力;发展泵驱两相流体回路技术,提升主动热控系统的热传输能力。

一种应用在航天回路热控系统上的二氧化碳两相冷凝器防冻设计的数值模拟

在航天回路热控系统的设计过程中,由于涉及到复杂的太空热流环境,以及真空,微重力等因素,仅仅依靠地面试验,有时难以真实模拟太空环境,此时就需要利用数值模拟的方法为设计提供参考依据。本文介绍了利用SINDA/FLUINT模拟的方法,对一种应用在主动式热控回路上的冷凝器进行流向择优设计和散热分析,得出对这种冷凝器/辐射器防冻的较优方法。

某空间站的集成全局热数学模型

为评估某空间站对接飞船后的整体热性能，建立一个集成全局热数学模型。用NEVADA软件建立了空间站在轨运行状态的辐射模型，获得了空间站的外热流及内部辐射交换系数；用FLUENT软件模拟密封舱内部的空气流动情况，获得了舱内空气的速度分布情况及空气与壁面的换热系数；最后用SINDA／FLUINT建立了该空间站的集成全局热数学模型。集成全局热数学模型综合反映了空间站在轨运行时的整体热行为，可以用来评估空间站不同组成部分及不同热控措施对系统整体热性能的影响，也可以用于分析热控系统的地面试验验证方法及系统的故障模式等。

空间科学实验平台气液回路方案

空间科学实验平台是为突破单一化实验装置设计模式而研制的一种多用途空间科学实验平台.根据空间科学实验平台内气液回路设计的相关问题,给出了回路系统中主要设备的相关设计方法,包括循环风机、气-液换热器、冷板,并根据传热效率和系统安全性的考虑,对流体工质的选择提出建议.初步分析结果及国际类似研究证明,气液回路技术结合其他主动及被动热控制措施,可以很好地满足空间实验平台内部仪器设备及样本的不同温度控制要求.

载人航天器的可重构式控温回路系统设计

文章提出了载人航天器的可重构式控温回路系统,它由独立的中低温内外回路系统组成,可改善低温内回路由于控温点温度较低而对辐射器散热能力带来的影响,还可在某个外回路辐射器故障时进行系统重构,维持回路功能。建立了控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式下和某外回路故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和载人航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,双外回路系统比单外回路系统散热能力高27%。当双外回路中某回路故障时,通过系统重构,外回路系统可维持1850 W散热能力,能保障载人航天器平台安全,表明可重构式控温回路系统能提高系统可靠性。

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管(LHP)在轨应用需求,建立了高分九号卫星电荷耦合器件(CCD)用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法,考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比,发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃,冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃;预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响;热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下,研究LHP内部各参数的变化规律,预测LHP系统的瞬态工作特性,并指导后续产品的设计与研发。

空间站热分析综述

作为空间站研制、试验和运行管理的重要基础,系统级热分析已在国内外广泛开展。文章对空间站舱内空气流动分析、温湿度控制分析和以流体回路为核心的整体热建模分析等进行了综述,以国际空间站为重点介绍了这些技术的发展、实施方法、技术特点和作用。

国际空间站内部主动热控系统

阐述了国际空间站内部主动热控系统工作原理。给出了命运号实验舱内部主动热控系统双回路系统的构成,以及内部主动热控系统的泵组、泵旁路组件、管路、三路混合阀、系统流量控制组件、机柜流量控制组件、手动流量控制阀、冷板、有效载荷/再生换热器、温度传感器、维修检测单元换热器、多路复用器/信号分离器等主要组件的功能。国际空间站内部主动热控系统集成度高,相互冗余,维护和更换易,其设计理念对空间流体回路设计有参考意义。

航天相机主动热控测试系统设计

为了检测航天相机主动热控系统的功能、性能及可靠性,设计了主动热控仿真测试系统。依据传热学基本定律、航天器轨道理论和热控策略,给出了计算航天相机温度场的热网络数学模型,使主动热控系统能在模拟的空间热环境中连续工作,实现了对主动热控系统的闭环仿真测试。采用两个数字电位器相串联的方法模拟温度传感器的走势,得到的最大阻值为100 kΩ,精度达到10Ω,符合设计中对总电阻和电阻变化率的需求,实现了对主动热控系统的功能、性能以及可靠性的仿真测试。

航天器用丙烯环路热管的研究现状与展望

环路热管是一种依靠毛细力驱动的高效两相传热装置,可解决高精度控温、大功率、远距离热传输等热控难题,广泛应用于各航天器。目前,大功率的航天器平台(例如新一代大功率通信卫星等)在存储或故障工况下,为维持辐射器生存温度需额外消耗能源,补偿较大的加热功率;木星系、太阳系边际等深空探测任务要求热控系统拓展其低温适应性。上述空间任务对具有低温适应性的丙烯环路热管技术提出了迫切需求。相比常用的氨工质,丙烯具有低冰点(–185℃)特性,丙烯工质环路热管可在低温下存储和运行,空间应用时不存在冻结风险(航天器辐射器温度一般不低于–150℃),无需额外补偿加热,提高了热控系统的低温适应性和可靠性。本文分析了丙烯环路热管的理论建模、稳态性能和动态特性实验研究现状及典型空间应用形式,对未来研究工作提出了建议。

某高功率星载SAR可展开天线的热设计

针对某大型星载合成孔径雷达可展开天线尺寸大、结构柔度大、天线单元面积小、有源通道排布紧凑、热流密度大、热稳定性较差等问题,进行了泵驱动流体回路配合可展开式辐射器的系统散热方式可行性研究。建立了星载相控阵天线在轨辐射换热计算数值模型,通过模拟计算对极端外热流工况的天线阵面在轨温度场进行了分析;同时,针对天线T/R模块内部进行了散热设计和仿真分析,对该热控方案的合理性进行了分析验证。数值计算结果显示,天线阵面具有良好的在轨温度性能,芯片结温满足I级降额需求,泵驱动流体回路的可展开式辐射器能够解决某星载相控阵天线的散热难题。