一种临近空间浮空器热控系统的研究

摘要

随着临近空间飞行器技术的不断发展，大功耗电子设备在浮空器上的应用将是大势所趋，然而由于临近空间独特的空间热环境，使得临近空间热控系统不同地面动力设备，也不同于大气层外飞行器，因此本文结合20km高度处一种浮空器的载荷与环境情况，对该浮空器的热控系统进行详细研究。 首先，对临近空间热环境特性与0～20km大气热物性参数进行归纳分析。结果表明20km高度处大气环境稳定，终年昼夜温差变化较小，并总结了0～20km空间大气的热物性参数在本文研究温度压力范围内的变化规律；随后根据浮空器载荷舱的内外环境特点建立正确的载荷舱热平衡模型，提出对流与辐射热控方案，在相同热载荷的工况下，对两种热控方案的能耗、重量、稳定性等进行分析，结果表明采用对流热控方案优于辐射热控方案。 其次，对20km高空浮空器载荷舱对流热控方案进行设计与分析。在确定热控环路系统设计指标的基础上，给出满足环控指标热控系统方案的最终设计结果，并计算热控系统液侧流动阻力、空气侧风机风速为相应部件选型提供依据，给出整个热控系统高空稳定运行时乙二醇水溶液的工作点温度：接着对热控系统地面运行进行分析，得到系统地面实验运行时内外环境的必要控制条件；随后对浮空器热控系统的升空与下降进行数值模拟，结果表明文中选定的控制条件能够满足升空与下降过程中系统的环控要求；最后核算热控系统的重量与能耗，满足系统设计要求。 最后，对保压舱内温度场与流场的分布进行数值模拟研究。对于保压舱内电子设备采用不同布局方案进行数值模拟，结果表明合理的布局方案能够明显的降低舱内电子设备的工作温度，从而保证设备更加稳定的工作；经过不同布局方案模拟结果的对比，选择风道方案1作为保压舱内电子设备的布局方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2临近空间浮空器热控技术研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3载荷舱热控技术简介

1.3.1主动热控技术

1.3.2被动热控技术

1.4论文提出与本文研究的主要内容

1.5本章小结

2平流层浮空器热环境特性研究与浮空器载荷舱热控方案分析

2.1平流层浮空器的热环境特性

2.1.1对流层环境

2.1.2平流层环境

2.1.3 0～20km空间大气物理环境参数分析

2.1.4大气辐射分析

2.2浮空器载荷舱热控方案分析

2.2.1浮空器载荷舱热力学模型建立与分析

2.2.2载荷舱对流与辐射方案比较

2.3本章小结

3载荷舱对流热控环路系统方案设计与分析

3.1载荷舱设备及环控要求

3.2换热器芯体结构

3.3载荷舱换热器热设计过程

3.3.1外界大气参数

3.3.2载冷剂

3.3.3热计算方法与计算参数选取

3.3.4载荷舱换热器计算总体思路

3.4载荷舱热控环路系统方案设计与系统性能分析

3.4.1方案介绍

3.4.2换热器计算结果

3.4.3流体回路阻力计算结果

3.4.4泵与风机、主管路的选型

3.4.5载荷舱热控环路系统地面性能计算

3.4.6热控环路系统升空与降落性能计算

3.4.7热控环路系统保障措施

3.4.8载荷舱热控环路系统重量

3.4.9载荷舱热控环路系统耗能

3.5本章小结

4保压舱内温度场与流场数值模拟

4.1保压舱与保压舱内电子设备基本参数

4.2 FLUENT模型及求解

4.2.1保压舱模型

4.2.2网格划分、解算器与算法

4.2.3边界条件

4.3数值模拟结果与分析

4.3.1无风道方案布局数值模拟结果与分析

4.3.2风道方案数值模拟结果与分析

4.3.3风道方案1、2与无风道方案3数值结果对比

4.4本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致 谢

参考文献

附录