【2014電設(shè)賽前準(zhǔn)備】熱設(shè)計的主要內(nèi)容
熱設(shè)計在廣義上講,是指熱管理,包括熱分析、熱測試、熱仿真、具體的熱設(shè)計、熱實(shí)驗(yàn);在狹義上講,是指熱控制,即溫度控制. 從熱控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度,可分為被動熱控技術(shù)和主動熱控技術(shù). 被動熱控技術(shù) 被動熱控技術(shù)主要依靠合理地設(shè)計系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),適當(dāng)?shù)剡x取不同熱物理性能的材料,正確地組織系統(tǒng)內(nèi)外的熱交換過程,使儀器設(shè)備能在復(fù)雜的熱環(huán)境下運(yùn)行工況都不超出允許的溫度范圍.被動熱控技術(shù)本身沒有自動調(diào)節(jié)溫度的能力,因此在這種熱控制方法中,合理地選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計參數(shù)和總裝布局,正確選用熱控涂層、導(dǎo)熱和隔熱材料等措施是非常重要的.被動熱控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)較為簡單,運(yùn)行可靠,使用壽命長.一般地說,如果系統(tǒng)的內(nèi)熱源和外熱流變化不大,而又沒有不允許溫度波動的儀器設(shè)備,僅僅使用被動方法就完全能夠達(dá)到熱控目的,將被控對象的溫度控制在要求的范圍內(nèi) . 主動熱控技術(shù) 當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)熱源或外熱流隨時間的波動較大時,為保持設(shè)備的工作溫度穩(wěn)定,保證系統(tǒng)正常工作,僅僅使用被動熱控技術(shù)是不足以把系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備的溫度控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)的.在這種情況下,必須配合使用主動熱控技術(shù),當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)、外熱流狀況發(fā)生變化時,通過某種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動作,使系統(tǒng)設(shè)備的溫度保持在指定范圍內(nèi). 與被動熱控技術(shù)相比,主動熱控技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有可調(diào)節(jié)的熱交換特性,它能根據(jù)被控對象運(yùn)行中的實(shí)際熱狀況自動調(diào)節(jié)其熱性質(zhì),從而調(diào)節(jié)對象的溫度.因此裝有主動熱控系統(tǒng)會具有較大的適應(yīng)內(nèi)、外熱狀況的能力,具備較大的熱控制能力.比起被動熱控技術(shù),主動熱控要通過一定的機(jī)構(gòu)動作或者通過電子控制線路來實(shí)現(xiàn),因此,主動熱控系統(tǒng)較為復(fù)雜. 熱控設(shè)計是根據(jù)任務(wù)要求以及系統(tǒng)在工作期間所要經(jīng)受的內(nèi)、外熱負(fù)荷的狀況,采取各種熱控制措施來組織系統(tǒng)內(nèi)、外的熱交換過程,保證系統(tǒng)在整個運(yùn)行期間所有的儀器設(shè)備、生物和結(jié)構(gòu)件的環(huán)境溫度水平都保持在規(guī)定的范圍之內(nèi). 熱控設(shè)計根據(jù)所針對領(lǐng)域不同,有其不同的任務(wù)和設(shè)計原則.比如下面是航天領(lǐng)域: 進(jìn)行旱田熱控設(shè)計的任務(wù)是確保受控系統(tǒng)的所有儀器設(shè)備、生物以及系統(tǒng)本身的構(gòu)件的環(huán)境溫度處于要求的范圍之內(nèi).但是,系統(tǒng)中各種物體對溫度的要求往往是不一樣的.這是因?yàn)楦鳒囟鹊奶岢?其根據(jù)不盡相同.比如,有的是出于結(jié)構(gòu)安全的要求,有的則是考慮工作性能的穩(wěn)定,還有的是出于設(shè)計上的考慮,等等.可將各種溫度的要求歸于下面幾類:1 )常溫要求;2 )恒溫要求; )高、低溫要求; 4 )等溫要求等. 進(jìn)行航天熱控設(shè)計時一般需要考慮如下原則: 1 )妥善處理熱控系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)(諸如結(jié)構(gòu)、能源、控制、無線電等分系統(tǒng))之間的矛盾;妥善處理包括地面段、上升段、軌道段和返回段各不同飛行階段熱控技術(shù)要求之間的矛盾,以求得最佳的折衷方案. 2 )應(yīng)使熱控系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性.即當(dāng)飛行熱環(huán)境以及內(nèi)熱源狀況在某種程度上偏離設(shè)計值時,要有一定的適應(yīng)能力.同時,設(shè)計中應(yīng)考慮留有更換熱載荷和局部修改設(shè)計的余地.這種更換和修改,對處于未定型階段的設(shè)備,常常是難以避免的.另外,在某些情況下,可以考慮將熱控系統(tǒng)設(shè)計成通用艙型式. 3 )盡可能減輕熱控系統(tǒng)的重量.進(jìn)入軌道的每一千克有效載荷都需花費(fèi)巨大的代價.依運(yùn)行軌道的不同,有效載荷與運(yùn)載器的重量比大約為 0.1 %~ 1 %.因此,節(jié)約重量是航天系統(tǒng)設(shè)計的普遍原則之一.一個典型的熱控系統(tǒng)的總重量大約不超過被服務(wù)系統(tǒng)整體重量的 3 %~ 5 %. 4 )盡可能少地消耗星上電能.航天器上的電能一般由化學(xué)電池、燃料電池或太陽能電池提供.因此,多使用一份電能,必然使電池多增加一份負(fù)擔(dān),并帶來增加重量、增加配電系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)等一系列問題,甚至于會影響到軌道、壽命等問題.所以,熱控設(shè)計必須優(yōu)先考慮不消耗電能加熱的熱控技術(shù),盡量利用被控系統(tǒng)內(nèi)部廢熱以至吸收一部分星外熱量作為熱控使用.只有在不得已的情況下才考慮使用電能加熱,而且往往僅對個別零部件而已.對于中小型不載生物的航天器,尤其如此. 5 )熱控方案設(shè)計應(yīng)該考慮便于分析計算和熱模擬試驗(yàn).航天熱控系統(tǒng)的設(shè)計與熱計算和熱模擬試驗(yàn)的關(guān)系極為密切.隨著航天任務(wù)的日益復(fù)雜化和設(shè)備的大型化,分析計算工作更加復(fù)雜,地面模擬設(shè)備日趨龐大,試驗(yàn)費(fèi)用迅速增加.因此,在進(jìn)行設(shè)計時,就需考慮實(shí)現(xiàn)地面試驗(yàn)的可能性和經(jīng)濟(jì)性以及熱計算的可能性.否則,不適當(dāng)?shù)奶幚韺⒖赡軐?dǎo)致增加研制費(fèi)用、延長研制周期以及降低設(shè)計的可靠性. 6 )熱控設(shè)計應(yīng)顧及熱控措施在工藝上的可行性;應(yīng)考慮工廠的安裝、測試,顧及試驗(yàn)中心進(jìn)行的各種例行試驗(yàn)以及發(fā)射前的種種準(zhǔn)備過程中所需進(jìn)行的各種操作.就是說,熱控設(shè)計時不僅要考慮到便于進(jìn)行上述各種操作,而且要計及由此類過程可能對熱控系統(tǒng)的性能帶來的影響.同時亦應(yīng)考慮在較長的存放期內(nèi),各熱控表面及熱控元件的保護(hù)、清洗,以保證長期存放而不變質(zhì).7 )熱控設(shè)計應(yīng)保證熱控系統(tǒng)具有一定的可靠性.它在經(jīng)歷發(fā)射、軌道運(yùn)行和回收等過程中,將經(jīng)受力學(xué)環(huán)境、熱真空環(huán)境以及宇宙空間高能粒子流的考驗(yàn).熱控系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞都可能導(dǎo)致飛行任務(wù)的更改乃至完全失敗.因此,熱控系統(tǒng)以及各種熱控材料、元件都必須具有高度的可靠性,都需按環(huán)境模擬條件通過驗(yàn)收試驗(yàn). 8 )熱設(shè)計中應(yīng)考慮降低航天器的投資費(fèi)用.投資費(fèi)用是系統(tǒng)工程的主要綜合設(shè)計指標(biāo)之一.要實(shí)現(xiàn)低費(fèi)用,不僅在選擇熱控元件、材料時要詳細(xì)分析論證,在保證航天任務(wù)的前提下選擇費(fèi)用最低的方案,而且還應(yīng)考慮使研制過程本身就要節(jié)約人力物力、減少環(huán)節(jié)、提高效率、縮短時間.就是說,既要從航天器的技術(shù)指標(biāo)的合理、使用器材的適當(dāng)方面來減少費(fèi)用,又要從研制過程的合理組織方面節(jié)省開支.
