航天器熱控的案例
清華大學——航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
任健勛 張信榮 陳澤敬 梁新剛 清華大學工程力學系
摘要：為了對航天器熱控、環境控制生命保障系統進行減輕質量化研究，建立其熱網絡優化模擬的試驗系統，研究不同布局下熱網絡工作特性，以尋求熱網絡中熱組件布局對系統質量的影響規律。實驗結果表明：熱組件布局方式對系統換熱有明顯影響；熱組建的優化布局能使系統質量下降，其幅度與平均換熱溫差有關。實驗結果同理論分析及數值模擬結果相吻合。
關鍵詞：航天器熱控系統，環控生保，傳熱，熱網絡，優化
內容簡介：
1 實驗原理及系統
1.1 實驗原理
1.2 實驗系統
2 實驗過程
3 數據處理及誤差分析
3.1 模擬熱組件的換熱量
3.2 傳熱系數K
3.3 換熱面積及質量推算
4 實驗結果分析
4.1 換熱實驗結果
4.2 輕量化分析
5 結論
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展開 航天器熱控系統的可靠性設計與分析
針對國內外航天器熱控制、熱管理技術的發展現狀,在詳細調研各種航天器熱控系統組成原理與功能實現方式的基礎上,從可靠性的角度出發,歸納、總結了航天器熱控系統中串聯、并聯、表決、儲備四種常見的可靠性設計模式及其相應的可靠性分析計算模型,介紹了其在空間站、月球探測
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綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術研究進展
美國先進冷卻技術公司研制的用于航天器應用領域的環路熱管往往與恒定熱導率熱管和變熱導率熱管結合用于將航天器負載的熱量傳輸至輻射器，其在-40～70℃的范圍內最常用的工質為氨，而在更低的溫度范圍內則采用的工質為丙烯和乙烷．此外，美國先進冷卻技術公司還研制了用于70～250℃范圍的鈦-水環路熱管．
2.3 相變儲能材料的應用
由相變儲能技術發展而來的相變溫控技術作為一種新興熱控技術越來越受到航天領域的廣泛關注，美國國家航空和航天局早在1970年代就對各種相變材料在航天器熱控領域的應用進行了相關研究，相變材料熱控技術的兩個優點是溫度控制的穩定性和沒有運動部件．Collette
等
發表的綜述中對相變材料在航天熱控領域中的應用進展進行了分析，根據相變材料的潛熱、相變溫度、熱導率和密度等主要物性，討論了不同相變材料在航天領域的應用前景．
潘艾剛
等
分析了基于相變材料的熱控技術及相變材料在熱控領域的研究現狀，并對一種含有Cerrolow-136合金的相變溫控裝置進行溫控實驗，結果表明金屬類相變材料具有導熱性好、密度大、化學性質穩定等特點，更適合應用于相變溫控領域，最后對金屬相變材料在航天熱控領域的應用進行了展望．
展開 多物理場仿真助力航天器再入大氣層：熱燒蝕現象的建模
同時還可以假設當材料轉化為氣相后，就不再吸收大量的熱。當周圍有其他氣流將蒸發的材料攜帶走時，這個假設很合理。將材料表面加熱到氣態并迅速移除固體周圍氣體的過程叫燒蝕。
要發生燒蝕，材料表面必須吸收大量熱通量。在此類熱源中，最實用的例子之一便是激光。此方法已廣泛用于各行業中，包括激光加工、外科手術和激光雕刻，以及其他應用。當然，熱源未必是激光。事實上，燒蝕熱屏蔽一直用于協助飛行器承受重返大氣層時產生的高熱載荷。
一位畫家繪制的再入飛行器上的熱屏蔽。
燒蝕建模要求設置一個計算固體材料溫度隨時間變化的模型并對其求解，同時要考慮升華熱和產生的材料去除。首先，必須設置一個熱邊界條件，確保固體材料溫度不超過升華溫度。其次，要制訂一種方法，對相關域中的質量去除建模。讓我們來看一下如何在 COMSOL Multiphysics 中完成這兩項任務。
在 COMSOL Multiphysics 中對熱燒蝕建模
首先，我們考慮為上方展示的飛行器上的熱屏蔽建立一個高度簡化的模型。假設分布在熱屏蔽上的熱通量在時間和空間上一致。另一個假設是，熱屏蔽的材料屬性不變，并且與沿厚度的溫度變化相比，屏蔽平面上的溫度變化忽略不計。在這兩個假設條件下，我們可以將模型簡化成一個一維域，如下圖所示。
熱通量一致的熱屏蔽（上一張圖中）可以簡化為一個一維模型。
一維域的熱邊界條件開始于一側的熱絕緣條件，這意味著飛行器機身不排熱。另一側的熱通量一致且固定，與重返大氣層時大氣傳熱的效果相似。
最后，我們需要加入一組邊界條件，用于對材料燒蝕引起的熱損耗模擬。材料溫度達到其燒蝕溫度時轉化為氣態，并從我們的建模域中去除。因此，固體材料的溫度不可能比燒蝕溫度高，當材料溫度達到其燒蝕溫度時，表面會損失一定的質量，具體取決于材料密度和升華熱。
展開 
CFD仿真與測試協同創新,構建“仿真 + 實測”閉環
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展開 CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。
盡管熱管在實際應用中已經展現出了其優越的性能，但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。
熱管模擬仿真目的
通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的：
設計優化：基于仿真數據，可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數，以最大化其熱傳輸效率。
性能預測：通過CFD技術，可以預測熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應速度等關鍵參數。
流動與傳熱特性分析：揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性，觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。
穩定性與可靠性評估：評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。
熱管仿真的難點
物理模型復雜性：熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數學模型來描述。
邊界條件設置：準確設定熱管兩端及壁面的熱通量、壓力、濕度等邊界條件是仿真結果準確性的關鍵，而在實際情況中這些條件可能會隨時間和空間變化。
微尺度效應：部分熱管內部結構具有微觀特征，如微槽、多孔介質等，這類微尺度效應對傳熱有顯著影響，但建模難度較大。
展開 CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
<p>熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。</p><p>盡管熱管在實際應用中已經展現出了其優越的性能，但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。</p><p><strong>熱管模擬仿真目的</strong></p><p>通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的：</p><p><strong>設計優化：</strong>基于仿真數據，可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數，以最大化其熱傳輸效率。</p><p><strong>性能預測：</strong>通過CFD技術，可以預測熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應速度等關鍵參數。</p><p><strong>流動與傳熱特性分析：</strong>揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性，觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。</p><p><strong>穩定性與可靠性評估：</strong>評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。</p><p><strong>熱管仿真的難點</strong></p><p><strong>物理模型復雜性：</strong>熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數學模型來描述。
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