炭/炭复合材料在空间光学遥感器热控制中的应用

提出在金属表面粘贴炭/炭复合材料来解决空间光学遥感器光机结构材料导热率低、温度梯度较大的问题.概述了炭/炭复合材料的基本特点并建立了钢板表面粘贴炭/炭复合材料的热传导数学模型.对钢板的裸板和单面分别贴0.5mm和2 mm复合材料的3种状态进行了理论分析与温度测试试验,获得了钢板在3种状态下的等效热导率.利用IDEAS-TMG有限元软件对模型进行了仿真分析并对钢板在上述3种状态下的传热性能进行了比较.对比结果显示,粘贴炭/炭复合材料能很好地改善钢板的传热性能.最后,将0.5 mm厚的炭/炭复合材料应用于低热导率的星敏感器安装支架(材料为TC4)的热控,并对星敏感器支架粘贴炭/炭复合材料前后两种情况进行了温度测试试验.试验结果显示,表面粘贴炭/炭复合材料后,星敏感器支架测点温差由28℃减小为5℃,提高了星敏感器支架温度均匀性,表明该措施对改善空间光学遥感器上低热导率结构件的温度梯度很有意义.     

轻型空间相机支撑桁架的精确控温

由于长焦距相机中支撑桁架的温度变化会降低光学系统成像质量,本文研究了空间相机支撑桁架的热控设计。根据某高分辨相机的结构参数、光学系统对支撑桁架温度的要求及卫星的轨道参数分析了桁架杆的吸收外热流并确定了加热功率;讨论了桁架热平衡公式,并确认桁架杆的轴向温差主要与桁架杆加热片功率和加热片粘贴位置有关。在对桁架杆简化数学模型理论分析的基础上,得到了杆的温差方程,进而提出两种满足支撑桁架精确控温的热设计方法:增大加热片面积和增加杆的等效导热率。实验证明了新型导热材料PGS(Pyrolytic Graphite Sheet)可以很好地满足支撑桁架等效导热率及轻型化的要求,使用0.076mm厚的PGS时,可以将支撑桁架的轴向温差由7.9℃减小为0.83℃,且每根桁架杆质量只增加12g。最后,通过热分析模型进行仿真实验,证明了理论分析的正确性,通过对桁架杆温差测量试验和热真空试验,验证了仿真分析结果和PGS的空间适应性。得到的结果证明了本文提出的空间桁架的精确控温方法是适用且有效的。     

连续碳纤维铝基复合材料横向等效热导率的模拟分析

对连续碳纤维铝基复合材料的横向等效导热性能进行预测,建立不同结构的代表性体积单元(RVE)模型进行仿真模拟,探究了其结构对复合材料等效热导率结果的影响,并对等效热导率公式进行了修正。     

同轴空间相机碳纤维复合材料桁架结构的研制

从某空间相机的任务需求出发,提出了采用基于碳纤维复合材料的高精密桁架作为主次镜间的支撑结构,完成了相关设计和工程分析,并在加工制造过程中,对相关工艺流程进行了探索.确定了相关结构的制造工艺流程,实现了该结构的高精密加工.最后,深入开展了相关振动、力学和温度稳定性试验,搭建了基于光学测量方法的自动测试平台,排除了人为因素的影响,实现了快速多次自动测量,从而提高了测试精度.分析和试验结果表明:所研制的大型碳纤维桁架质量仅为13 kg,基频达到119 Hz,在重力、10℃温升和4℃温差条件下的变形均小于4″,各组件φ864 mm安装接口的平面度优于8μm,同时实现了高度轻量化和高稳定性.该桁架已成功应用于某空间相机中,提出的设计、试验方案和工艺流程可以作为其它同型空间相机结构设计的技术参考.     

空间遥感相机碳纤维机身结构设计

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求,采用碳纤维复合材料制备关键部件,设计了合适的相机机身结构.设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32％.机身结构为非对称形,光学系统中主、次镜间距为850 mm,反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″.通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验,完成了机身结构的优化设计.计算结果表明,该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量,能够满足光学设计对间隔,偏心和倾斜的要求.对总装完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验,结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好,其一阶谐振频率在120 Hz以上,相机调制传递函数在0.2以上,满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求.     

离轴多反射镜系统支撑结构的设计与装调

针对离轴多反射式空间相机设计了一种胶接桁架支撑结构。采用T700碳纤维复合材料制造桁架杆,钛合金材料制造杆接头,J133环氧树脂胶作为黏合剂,桁架杆两端的钛合金接头作为相机各组件的接口。给出了装调和胶接的辅助设备及相应的方法和步骤:即利用工装进行预装调,确定杆接头位置;然后通过抹胶完成正式装调,利用定位销钉实现杆接头复位;最后在室温下固化5~7天,拆除工装和销钉后桁架装调完毕。有限元分析和力学振动试验表明,固化完成的桁架一阶谐振频率优于90Hz,所支撑镜头的一阶谐振频率优于70Hz。对力学试验前后桁架的各反射镜接口平面度进行了测量,结果显示其最大相对偏差为5.3%,平面度均优于0.15mm。得到的结果表明该桁架的刚度及尺寸稳定性均满足设计要求。     

同轴轻型空间遥感器支撑桁架的设计与试验

为满足空间遥感器的高度轻量化要求,提高其结构的基频,减少100 Hz以下低频振动的影响,研究了高比刚度的轻型支撑桁架结构。针对同轴长焦距光学系统,基于三角形稳定的原理设计了一种6杆碳纤维复合材料桁架结构,并基于有限元法完成了其优化设计,使其质量降低了11%。为验证其可行性,研制了力学模拟件,进行了工程分析和动力学试验,并讨论了分析和试验的误差来源。分析和试验显示,模拟件的固有频率超过了120 Hz,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间遥感器的使用要求。该结构在质量为13 kg的前提下,解决了目前该型遥感器基频较低的难题,该设计已成功应用于某相机结构中。     

织物增强形状记忆复合材料大型空间可展桁架研究进展

围绕新型织物增强形状记忆复合材料空间可展桁架,总结了材料研制、结构制备、形状记忆行为、多尺度力学模型和地面试验的相关研究进展。可展桁架纵杆为织物增强复合材料制成的薄壁管,复合材料是将二维碳纤维织物添加到环氧形状记忆树脂中制备而成,通过调整基体树脂和固化剂的配比可控制材料的形状记忆性能。基于相变理论构建了形状记忆本构模型,并应用三点弯曲试验验证。通过微观、细观、宏观多尺度方法,计算了复合材料的均匀ABD刚度矩阵,依据Kirchhoff假设推导了薄壁管等效空间梁单元。搭建地面技术演示平台,验证形状记忆可展桁架单元收纳比达到50:1,形状恢复率约为100%。     

长焦距大视场光学系统的光机结构设计

为了实现某长焦距大视场轻型离轴三反空间相机的光机结构设计,基于SiC材料空间反射镜,采用适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构,对离轴TMA系统的支撑结构进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式.采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化相机光机结构设计过程,提高结构固有频率,增强相机热稳定性适应范围.相机结构设计基频>93 Hz,在±4℃均匀温变工况和重力作用下,相机光学系统传递函数(MTF)达到0.37;反射镜组件加速度响应最大放大倍数<6倍.结果表明,采用该方法设计的相机结构固有频率高,重力变形、抗振性能、热变形等方面均能满足使用要求.     

空间相机温度-离焦特性分析与试验

为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量,本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型,以此模型为基础,对系统的温度-离焦特性进行研究,得到了相机温度调焦曲线,并开展了热光学试验。首先,分析了温度变化对光学系统的影响,特别是对最佳像面位置的影响,得到了相机离焦量与光学元件参数的关系;介绍了光机热集成分析的一般方法,即将热分析的温度场,经过映射,作为结构分析的边界条件,然后进行结构有限元的热弹性分析,通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合,得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵;在此基础上得到了相机温度调焦曲线;最后,开展了相机热光学试验。试验结果表明,基于集成分析结果的温度调焦,空间相机在20℃±8℃内的最大误差小于0.1mm,基本满足相机在轨自动调焦的要求,并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。     

用红外热成像技术对碳纤维织物的热传导性进行评价(英文)

采用红外热成像技术对碳纤维织物的热传导性进行测算与评价。首先通过采集到的热图进行分析和计算,得到了碳纤维织物的温度时间曲线,进而推导出热传导性能参数。其次分析了影响测量准确度的各种因素,红外热像测温法为碳纤维织物的导热性能评价提供了一种新的方法和途径。     

高导热能力的蓄热装置传热性能研究

固液相变材料的导热系数极低,往往不能在规定时间内完全相变融化以吸收电子设备工作的热负荷,导致电子设备出现局部超温现象。文中采用数值仿真和试验测试的方法对高导热能力蓄热装置进行研究。采用均温板与蓄热装置一体化设计,均温板将点热源转换为面热源消除了电子产品温度峰值导致局部超温的问题,也增加了相变材料的吸热面积。同时在相变材料中设置铝合金板以及铝合金波纹板。通过上述设计,增大了石蜡的当量导热系数,增加了短时间内石蜡的融化量进而提高了蓄热能力。     

石墨烯–铝复合冷板散热性能试验研究

传统散热冷板以铝合金为主,其导热能力有限且本身密度较大,已无法满足嵌入式计算机对高效散热及轻量化的需求。针对该问题,文中提出将具有超高导热性能的石墨烯散热片粘贴在铝合金表面得到石墨烯–铝复合冷板,以石墨烯–铝复合冷板代替传统散热材料的方法,并对不同厚度、不同功耗下的石墨烯–铝复合冷板的导热效果进行了试验研究。测试结果表明,在铝合金表面贴石墨烯散热片可保证在整体质量增加较小的情况下显著提高冷板的导热能力,在3 mm厚的铝合金表面粘接2 mm厚的石墨烯散热片时导热性能最佳,导热系数达到360 ~ 370 W/(m·K),而质量仅占6 mm厚铝板质量的66.5%。因此石墨烯–铝复合冷板可应用于高性能、高集成、小型化嵌入式计算机的散热设计。     

闭孔泡沫纯铝的导热性能

采用隔热测试仪研究了闭孔泡沫纯铝的孔隙率和孔径对其导热性能(导热系数)的影响.结果表明:闭孔泡沫纯铝的导热性能受传导、对流、辐射三者的综合影响;孔隙率为83.2%～91.0%的闭孔泡沫纯铝的导热系数随孔隙率的增大而减小,而孔径对导热系数的影响没有一定规律;在孔隙率为83.2%～91.0%、孔径为2.5～5.3 mm时,闭孔泡沫纯铝的导热系数在常温下为0.297～0.752 W/(m·K).     

纳米铜对蓖麻油酸流体热导率提升机制的分子动力学模拟*

为了研究铜纳米粒子对蓖麻油酸基础流体热导率提升的作用机制,基于分子动力学模拟(MD)方法,以铜纳米粒子直径、添加量、形状、布朗运动及系统温度为变量,对纳米流体热导率的影响机制进行研究。结果表明:纳米粒子的布朗运动会提高纳米流体的热导率;纳米铜(Cu)的加入改变了蓖麻油酸基流体的部分区域密度,产生的液体吸附层对基础流体导热性有阻碍作用;纳米流体的热导率随纳米粒子直径、添加量、系统温度的增加而增加;当纳米粒子体积相同时,表面积大的形状会提高热导率。     

空间摄像机热控系统设计

根据摄像机所处空间环境和结构特点,设计它的热控系统,同时进行了热平衡试验来验证热设计的合理性.首先,总结了摄像机热设计的准则,分析了摄像机所处的空间热环境.然后,对摄像机的各个部分进行了热设计;采用被动热控措施进行热隔离和热疏导,充分利用了摄像机所搭载的卫星平台的热容;采用主动热控措施将温度控制在热控指标范围之内.最后,根据摄像机的热环境和各种工作模式设计了4种极端试验工况,并进行了热平衡试验.试验结果表明,摄像机在存储工况时,其温度与安装面温度相差3℃左右,满足存储温度指标要求;低温工况和高温工况时,其整机温度为-3.1℃和45.7℃,镜头温度为-4.5℃和46.8℃,均满足热控指标要求.试验结果证实设计的空间摄像机热控系统合理可行.     

导热硅胶垫选型和性能探究

通过不同加强材料下导热硅胶垫性能的比对,不同导热系数下导热效果的验证,以及不同厚度相同工况下绝缘性能差异的探究,选择更适合实际工况的导热硅胶垫。通过进一步验证PI膜对导热系数的影响,不同压力/压缩变形量下的热阻变化,以及导热系数随时间的变化情况,探究PI膜导热硅胶垫关键性能的变化,并为后续导热硅胶垫的选用提供理论依据和数据支持。     

悬臂式柔性支撑柱面气膜密封力学性能研究

基于三维SolidWorks软件建立柱面气膜悬臂式柔性支撑结构模型,分析柔性支撑结构对柱面气膜密封结构稳定性的影响;采用单向流固耦合的仿真方法,研究悬臂支撑板厚度、支撑结构材料、悬臂支撑数量,以及气膜操作参数转速和压差,对悬臂式柔性支撑结构和浮环的最大变形、最大应力应变有影响。结果表明：随悬臂支撑板厚度增大,平均变形量和平均等效应力减小;随悬臂支撑板数量增加,最大变形量逐渐减小,最大等效应力先增大后减小;研究的铝合金、铍青铜、不锈钢及钛合金4种悬臂支撑板中,不锈钢材料悬臂支撑板的最大变形量最小,承受的最大等效应力最大;随着转速和压差的增加,悬臂支撑板最大变形量以及最大等效应力均逐渐增加。在研究范围内,柔性支撑结构可以减小浮环的变形量,浮环变形量小于最小气膜厚度,保证了密封结构稳定运行。     

耐火材料水流量平板法导热系数的测试及其不确定度分析

导热系数是耐火材料重要的热学性能参数,也是炉窑设计重要的热工技术参数,通过阐述水流量平板法导热系数的测试原理,分析其不确定度。