航天器常压热循环试验系统流场优化设计

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地面环境试验是保证航天器安全性和可靠性、避免航天器事故发生的必要措施,是航天器研制过程的重要环节。热试验能够检验航天器热设计的正确性、暴露产品材料和制造的质量缺陷,是对于航天器可靠性筛选最重要的地面环境试验。热循环试验作为常压条件下进行的热试验,温度变化速率较大,试验效率较高,试验周期较短,温度可控范围更大,成本显著降低,试验相对简单,更有利于高效地发现早期故障,近年来已经成为国内外航天器研制工序中的常规试验项目。航天器常压热循环试验系统箱体保温性能、空间内湿度水平以及温度均匀性是其重要的性能指标。相对于其他航天大国,我国关于航天器常压热循环试验系统中传热与流动机理等理论问题的研究起步较晚,对于热循环试验中超低露点温度实现、温度均匀性控制等关键技术的突破有迫切的需求。本文面向航天工程对常压热循环试验系统的应用需求展开研究,围绕试验空间内超低露点温度的实现、温度均匀性的控制等问题,应用理论分析与数值计算相结合的方法,通过探究系统空间热湿传递机理,进行系统流场气流组织的优化设计,为航天器常压热循环试验系统在实际工程应用中的除湿与变温工况提供指导。具体内容如下:首先,以常压热循环试验系统的箱体内空间为研究对象,确定系统关键性能指标,根据试验保温需求,通过热计算设计了包覆玻璃丝棉、橡塑棉和聚氨酯泡沫联合保温层的箱体保温结构,并由此测算了试验系统在不同工况下的冷热负荷,为系统冷热源供给设备的选型提供了指导。之后,通过数值计算方法,验证了反向浮升力作用下的箱体内流场具有更好的温度均匀性,并分析试验空间不同送回风方式在变温效率和温场分布上的优劣,由此确立了系统气流组织方式设计的原则,即保证流场受反向浮升力的竖直方向孔板送风及中央回风,并设计了系统除湿、变温及保温等工作流程,为实际工程的搭建提供了参考。继而,对现有除湿技术进行了适用性分析,采用冷却除湿和吸附除湿技术对航天器常压热循环试验系统除湿流程进行设计。提出了以大气制取干燥空气后、对箱体内湿空气进行置换的开式循环方法,和直接鼓动试验空间内气体进入除湿设备、进行循环除湿的闭式循环方法,并对两者进行工程分析和数值计算验证。经过经济性校核,最终选择采用吸干机的闭式循环除湿方案。进而,以常压热循环试验系统除湿工况下的试验空间为研究对象,考察箱体内湿度场的稳态分布和动态变化,并探究同向或反向的浮升力以及相应的回流结构影响箱体内湿度场分布的作用机理。数值计算结果表明同向浮升力作用下的湿度场在竖直方向明显分层、置换效率较高,而反向浮升力作用下的湿度场分布复杂、置换效率较低。结合浮升力对温度场分布的作用机理结论,设定了一定应用需求,对同时进行变温和除湿的系统工况进行了浮升力参数取值的最优化设计。最后,以负载有被试航天器的常压热循环试验空间为研究对象,应用数值计算方法,探究负载工况下温度场分布相对于空载工况的变化。结果表明,被试航天器的热容以及其对气体来流的阻挡和粘滞作用,对试验变温流程及箱体内温度场均匀性均产生了干扰。为了解决该问题,设计为试验空间提供垂直于原气体来流的补偿气流、促进流场充分换热的补偿方案,通过仿真验证其在一定程度上能够抵消被试航天器对流场温度的影响,修正效果显著。
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