一.研究背景

1.空天飞行器的热管理问题日益严重

飞机与发动机

• 电子设备发热功率显著增加（三代机苏-27约18KW，四代机F-22约55KW）

• 四代机使用隐形蒙皮和嵌入式系统等技术使得飞机散热更加困难

• 燃油既是飞机的唯一能量来源，也是最主要的热沉，故燃油系统的热管理是整机能量综合管理的核心

空间飞行器

• 以空间站为代表的航天器的发展趋势呈现出功耗越来越高、系统越来越复杂、设备寿命需求越来越长的特点，加剧了对热管理技术研究的挑战

2.发动机燃油系统和空间站具有复杂的拓扑结构和动态环境

• 发动机燃油系统是一种多泵和多回油支路的热-流体网络，系统各处的状态参数相互关联，增加了工作特性研究的复杂度

• 燃油系统和空间站的运行均是复杂的动态过程，热载荷和工作需求均不断变化，需要重点研究其动态运行规律

  
  

二.总体思路

1.数值模拟：一维动态仿真软件开发

• 考虑到系统的复杂性，将热组件沿流向作一维简化，分别建立控制方程，联立求解状态参数

• 现有商业软件存在数学求解内核不可见、模型修改和拓展困难等缺陷，需采用完全自主编程的方式开发一维动态仿真软件，专门用于热管理数值模拟研究

  
  

三.研究内容

1.自主开发了Thetapy工具包，可用于热-流体系统的建模、优化和动态仿真

• Thetapy采用Python语言，运用面向对象技术，可读性好、复用性高和拓展自由

基于Thetapy的燃油系统一维仿真软件模块引用关系图

• 建立了针对含多泵和多回流支路的热-流体网络的高效建模和求解算法，提高了复杂系统的人工建模效率，降低了复杂网络流动计算中非线性方程的数量

2.空间站热管理系统模拟与地面半物理仿真

• 利用制冷系统模拟辐射器散热随空间位置的动态变化，研究舱内温度的动态响应

• 研究了多种温度控制的动态算法

半物理仿真试验台

热控制系统回路示意图

热载突变时不同温控算法的响应