航天器热控制技术原理及其应用  082500M02003H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:张汉勋,焦斌斌,陈博
授课时间: 星期一,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼230
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期六,第8、9、10、11 节
授课地点: 教一楼230
授课周次: 6
课程编号: 082500M02003H 课时: 48 学分: 2.00
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:张汉勋,焦斌斌,陈博 助教:崔海英
英文名称: Principles and Applications of Spacecraft Thermal Control Technologies 召集人:

教学目的、要求

为空间飞行器设计专业和卫星工程等专业的研究生系统了解航天热控技术的基本理论、掌握该学科的基本研究方法、了解学科前沿动态,并为从事相关科学和工程技术研究提供理论和工程基础,为进一步深入研究打下基础。

预修课程

大学物理、计算方法、工程材料

教 材

1、自编讲义课件;
2、主教材:航天器热控制技术-原理及其应用(侯增祺,胡金刚编著)
3、辅助教材:(1)卫星热控制技术(闵桂荣著)
(2)Spacecraft Thermal control(Jose Meseguer, et.al. 著)
4、其他文献和资料

主要内容

课程介绍:航天器热控制是随着航天技术发展起来的一门多学科综合的新技术,是航天器设计与实现中必不可少的技术环节和重要研究学科。由于真空等空间环境的特殊性,航天器热控制与地面的热控设计和传热路径都有很大差别,真空中无法利用对流散热,导热热环境变差,从系统、单机到芯片的热设计都需要重新考虑。航天器热控制涉及热学、材料学、计算数学、流体力学、电子学、计算机科学以及试验测试技术等诸多学科领域。本课程针对航天器热控制需求,进行其专业基础和工程实践的衔接,为培养航天器热控制专业人才提供支持。

一、绪论,航天器类型、热控需求及任务(计划3学时):陈博主讲
1、引论、航天器概述:航天器分类、航天器轨道;2、航天器热控制系统的需求分析:常温(室温)要求、低温要求、恒温要求、温度均匀性要求;3、航天器热控制系统的任务:热控任务各个阶段、热控的任务;
二、航天器传热学理论基础(计划6学时):陈博主讲
1、热传导:温度场合温度梯度、导热微分方程式、导热过程的单值性条件、具有内热源的一维稳态导热、非稳态导热、导热问题的数值解法;2、热辐射:热辐射相关概念、热辐射能量表示方法、黑体辐射基本规律、非黑体辐射与霍尔基夫定律、角系数、表面间的辐射换热计算、包壳内具有镜射表面的辐射换热;3、对流换热:对流换热及其影响因素、对流换热微分方程组、相似原理及其在对流换热问题中的应用、单相强迫对流换热、自然对流换热;
三、空间环境(计划3学时):张汉勋主讲
1、地球轨道的空间热环境:大气层、自由分子加热和大气阻力、真空和低温、太阳辐射、地球反照、地球红外辐射、近地空间的粒子辐射、原子氧;2、地球轨道的空间外热流:太阳直接辐照、地球反照外热流、地球红外辐射热流;3、月球和行星的空间热环境:热环境、水星的热环境、金星的热环境、月球的热环境、火星的热环境、外行星的热环境;4、发射和上升段的热环境;5、航天器热平衡基本原理;
四、航天器被动热控技术(计划3学时):陈博主讲
1、热控涂层:热控涂层的作用、热控涂层的分类、热控涂层的使用原则、热控涂层研发的几个问题;2、多层隔热组件:多层隔热的基本原理、多层隔热组件构成及其影响分析;3、热管:热管基本工作原理、工质的流动和最大传热能力、热管设计和选用中主要考虑的因素、热管在航天器上的应用举例;4、相变材料热控:相变材料热控工作原理、相变材料热控系统的热分析、相变材料的性质、相变材料热控装置在航天器上的应用举例、相变材料热控装置设计;5、安装界面热阻:接触热阻的定义、固体接触界面的热阻、影响接触热阻的因素、扩热板;
五、航天器主动热控制技术(计划3学时):陈博主讲
1、辐射式主动热控方发:热控百叶窗、热控旋转盘;2、导热式主动热控制方法:接触式热开关、低温热开关、可变热导热管、热二极管;3、对流式主动热控制方法:气体循环对流热控系统、液体循环热控制系统、两相流体回路热控制系统;4、电加热主动热控方法:电加热控制技术、电加热主动热控制的应用;5、航天器低温制冷方法:辐射式制冷器、热电制冷器、储存式(液体或固体)深冷系统、机械式制冷机、深冷传输系统;
六、空间热辐射器(计划3学时):张汉勋主讲
1、被动结构辐射器;2、热管辐射器:热管辐射器的热分析计算、热管辐射器的优化设计、正交热管网络辐射器;3、体装式辐射器:扁平导管流体循环辐射器的热分析、管道-肋片式流体循环辐射器的热分析;4、可展开式辐射器:泵驱动单相流体回路的展开辐射器、回路热管(LHP)展开辐射器;5、新型辐射器及热泵:柔性辐射器、液滴式辐射器、热泵-辐射器热排散系统;6、辐射器排热系统的设计考虑:辐射器排热系统的选择、辐射器排热系统中的热耦合问题;
七、航天器热分析计算(计划6学时):陈博主讲;
1、航天器在宇宙空间的热平衡;2、轨道参数计算:坐标系、轨道六根数、轨道参数计算、集中典型轨道简介;3、轨道空间辐射外热流计算:太阳直接辐射、地球反照热流、地球红外辐射热流、地球反照角系数的近似计算、外热流角系数的周期平均值;4、航天器温度计算:热网络模型的数学描述、热分析模型的建模依据、简化条件和节点划分、常用热分析软件简介;5、热网络的修正:引起热网络模型计算结果误差的原因、热网络模型和系数修正、热网络综合辐射系数修正方法;6、航天器内部温度简化计算:轨道周期积分平均热流法、计算举例;
八、航天器热控制系统设计(计划3学时):陈博主讲
1、热控系统设计:热控制系统的设计要求、热控制系统设计的基本原则、热控系统设计的主要阶段;2、典型部件热设计:卫星推进系统的热设计、蓄电池热控制、天线热设计、太阳电池阵热设计;3、电子设备的热设计:电子设备的热设计的目的、电子设备的热设计的特点、电子设备的热设计、电子设备热分析技术简介;4、光、机、热一体化设计方法:光、机、热一体化设计的基本框图、空间太阳望远镜主镜的光、机、热集成设计实例;5、航天器热控制系统设计实例:主要设计输入参数、热设计简介、热设计方案简介;
九、航天器地面模拟试验:(计划3学时):陈博主讲
1、空间热环境模拟设备及其影响分析:真空模拟、低温和黑背景模拟、空间外热流模拟;2、外热流模拟方法及其装置:太阳灯热流模拟技术、非太阳灯热流模拟技术;3、模拟外热流测量;4、航天器热平衡试验方法:试验模型、试验工况的确定、试验过程和方法;5、航天器不稳定实验方法:比差法、近似推算法;6、航天器热平衡试验与数学模型修正关联问题;7、充气密封舱热平衡试验;8、其他热试验简介:上升段热试验、地面调温试验;
十、电子芯片散热基础理论、技术及前沿(计划6学时):焦斌斌主讲
1、电子散热基础理论;2、空间环境下的电子芯片散热与地面的区别;3、电子散热技术发展;4、芯片的微流体散热技术;5、电子散热发展方向及前沿;
十一、航天器热控制技术的新发展(计划9学时):张汉勋主讲
1、推动热控技术发展的需求;2、航天器热控新材料:变色涂层、高导热率材料;3、高热流密度散热技术:喷射冷却、微槽道循环流体冷却;4、深冷系统传输技术;5、微小卫星通用化热控系统新概念;6、大型航天器的热管理概述:热管理基本概念、国际空间站热管理和热控系统简介;7、精密温度控制技术。

教学手段与方法:课堂PPT讲授、板书、和部分课堂讨论、文献讨论相结合

参考文献

(1)航天器热控制技术-原理及其应用(侯增祺,胡金刚编著),中国科学技术出版社,北京,2007
(2)卫星热控制技术(闵桂荣著),中国宇航出版社,北京,2009年8月第2次印刷,北京
(3)Spacecraft Thermal control(Jose Meseguer,et.al. 著),Woodhead Publishing Limited, First published in 2012, Printed in UK and USA