【2014电设赛前准备】热设计的主要内容
热设计在广义上讲,是指热管理,包括热分析、热测试、热仿真、具体的热设计、热实验;在狭义上讲,是指热控制,即温度控制. 从热控技术实现的角度,可分为被动热控技术和主动热控技术. 被动热控技术 被动热控技术主要依靠合理地设计系统的机械结构,适当地选取不同热物理性能的材料,正确地组织系统内外的热交换过程,使仪器设备能在复杂的热环境下运行工况都不超出允许的温度范围.被动热控技术本身没有自动调节温度的能力,因此在这种热控制方法中,合理地选择系统的总体设计参数和总装布局,正确选用热控涂层、导热和隔热材料等措施是非常重要的.被动热控技术的优点是技术较为简单,运行可靠,使用寿命长.一般地说,如果系统的内热源和外热流变化不大,而又没有不允许温度波动的仪器设备,仅仅使用被动方法就完全能够达到热控目的,将被控对象的温度控制在要求的范围内 . 主动热控技术 当系统的内热源或外热流随时间的波动较大时,为保持设备的工作温度稳定,保证系统正常工作,仅仅使用被动热控技术是不足以把系统的内部设备的温度控制在规定的范围之内的.在这种情况下,必须配合使用主动热控技术,当系统的内、外热流状况发生变化时,通过某种自动调节系统的动作,使系统设备的温度保持在指定范围内. 与被动热控技术相比,主动热控技术的主要优点是具有可调节的热交换特性,它能根据被控对象运行中的实际热状况自动调节其热性质,从而调节对象的温度.因此装有主动热控系统会具有较大的适应内、外热状况的能力,具备较大的热控制能力.比起被动热控技术,主动热控要通过一定的机构动作或者通过电子控制线路来实现,因此,主动热控系统较为复杂. 热控设计是根据任务要求以及系统在工作期间所要经受的内、外热负荷的状况,采取各种热控制措施来组织系统内、外的热交换过程,保证系统在整个运行期间所有的仪器设备、生物和结构件的环境温度水平都保持在规定的范围之内. 热控设计根据所针对领域不同,有其不同的任务和设计原则.比如下面是航天领域: 进行旱田热控设计的任务是确保受控系统的所有仪器设备、生物以及系统本身的构件的环境温度处于要求的范围之内.但是,系统中各种物体对温度的要求往往是不一样的.这是因为各温度的提出,其根据不尽相同.比如,有的是出于结构安全的要求,有的则是考虑工作性能的稳定,还有的是出于设计上的考虑,等等.可将各种温度的要求归于下面几类:1 )常温要求;2 )恒温要求; )高、低温要求; 4 )等温要求等. 进行航天热控设计时一般需要考虑如下原则: 1 )妥善处理热控系统与其他分系统(诸如结构、能源、控制、无线电等分系统)之间的矛盾;妥善处理包括地面段、上升段、轨道段和返回段各不同飞行阶段热控技术要求之间的矛盾,以求得最佳的折衷方案. 2 )应使热控系统具有较高的适应性.即当飞行热环境以及内热源状况在某种程度上偏离设计值时,要有一定的适应能力.同时,设计中应考虑留有更换热载荷和局部修改设计的余地.这种更换和修改,对处于未定型阶段的设备,常常是难以避免的.另外,在某些情况下,可以考虑将热控系统设计成通用舱型式. 3 )尽可能减轻热控系统的重量.进入轨道的每一千克有效载荷都需花费巨大的代价.依运行轨道的不同,有效载荷与运载器的重量比大约为 0.1 %~ 1 %.因此,节约重量是航天系统设计的普遍原则之一.一个典型的热控系统的总重量大约不超过被服务系统整体重量的 3 %~ 5 %. 4 )尽可能少地消耗星上电能.航天器上的电能一般由化学电池、燃料电池或太阳能电池提供.因此,多使用一份电能,必然使电池多增加一份负担,并带来增加重量、增加配电系统以及结构系统的负担等一系列问题,甚至于会影响到轨道、寿命等问题.所以,热控设计必须优先考虑不消耗电能加热的热控技术,尽量利用被控系统内部废热以至吸收一部分星外热量作为热控使用.只有在不得已的情况下才考虑使用电能加热,而且往往仅对个别零部件而已.对于中小型不载生物的航天器,尤其如此. 5 )热控方案设计应该考虑便于分析计算和热模拟试验.航天热控系统的设计与热计算和热模拟试验的关系极为密切.随着航天任务的日益复杂化和设备的大型化,分析计算工作更加复杂,地面模拟设备日趋庞大,试验费用迅速增加.因此,在进行设计时,就需考虑实现地面试验的可能性和经济性以及热计算的可能性.否则,不适当的处理将可能导致增加研制费用、延长研制周期以及降低设计的可靠性. 6 )热控设计应顾及热控措施在工艺上的可行性;应考虑工厂的安装、测试,顾及试验中心进行的各种例行试验以及发射前的种种准备过程中所需进行的各种操作.就是说,热控设计时不仅要考虑到便于进行上述各种操作,而且要计及由此类过程可能对热控系统的性能带来的影响.同时亦应考虑在较长的存放期内,各热控表面及热控元件的保护、清洗,以保证长期存放而不变质.7 )热控设计应保证热控系统具有一定的可靠性.它在经历发射、轨道运行和回收等过程中,将经受力学环境、热真空环境以及宇宙空间高能粒子流的考验.热控系统中任何一个环节发生严重损坏都可能导致飞行任务的更改乃至完全失败.因此,热控系统以及各种热控材料、元件都必须具有高度的可靠性,都需按环境模拟条件通过验收试验. 8 )热设计中应考虑降低航天器的投资费用.投资费用是系统工程的主要综合设计指标之一.要实现低费用,不仅在选择热控元件、材料时要详细分析论证,在保证航天任务的前提下选择费用最低的方案,而且还应考虑使研制过程本身就要节约人力物力、减少环节、提高效率、缩短时间.就是说,既要从航天器的技术指标的合理、使用器材的适当方面来减少费用,又要从研制过程的合理组织方面节省开支.
