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【科技动向】美国航空航天学会年度回顾:推动热物理学的新技术
2019-01-22 07:31

  年航空技术进展的年度回顾,第三章“航空航天科学”的回顾文章清单(美国航空航天学会图片)

  热物理技术委员会正在推进相关研究,以阐明热能在气体、液体和固体中传递和储存机制,并促进研究成果的应用。

  位于加利福尼亚州的美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心于2018年10月开始了一项试验测试,使用新型激光增强电弧喷射装置(LEAF-Lite)对试验件进行加热,使试验件同时接收对流与辐射两种形式的加热热流,以营造更接近实际飞行条件的试验环境。LEAF-Lite使用多个50千瓦连续波激光器,从而模拟对热防护材料的辐射加热。辐射加热常见于具有较高的大气进入速度的任务中,如“猎户座”飞船或行星际科学探测器。使用这种新的测试系统,研究人员可以使用激光和电弧喷射的方式在试验件上同时模拟辐射和对流换热两种形式的加热过程。在2017年10月的初步测试中,激光器对6英寸×6英寸(152毫米×152毫米)Avcoat(一种酚醛烧蚀材料)楔形样品施加辐射,功率密度达到405瓦/平方厘米;同时,电弧喷射提供160瓦/平方厘米的对流加热;辐射与对流加热的总热流量为565瓦/平方厘米。2018年10月针对“猎户座”飞船的热防护系统的测试活动中,激光加热尺寸扩大到17英寸×17英寸(432毫米×432毫米)。

  美国航空航天局酚碳烧蚀材料FiberFormd的微观形貌。渲染图为边长1.66毫米的立方体(美国航空航天局图片)

  2018年研究者首次采用显微断层扫描技术,对NASA航天器返回大气层过程中使用的热防护微观结构进行解析研究。位于加利福尼亚州的劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源实验中心利用一年时间开展了相关实验,利用上述技术能够在数百纳米到厘米的区间内对三维结构进行非破坏性成像。材料的纤维结构以三维模式进行解析,呈现了前所未有的细节水平,采用该方法能够对材料进行高分辨率交互式检查,并对其结构的可变性进行统计表征。对显微断层扫描获得的数据进行分析,能够支撑材料特性的计算和微米尺度材料响应的模拟。为了拥有微米级的材料数据,美国航空航天局和学术界已向该研究方向投入了积极的研究工作,希望开发基于数字显微结构的大规模计算方法。

  2018年3月,对NASA的X-57“麦克斯韦”(Maxwell)实验飞机高升力电机系统进行了初步设计审查。X-57旨在作为分布式电力推进技术的测试平台,该飞机在翼尖处安装了两个螺旋桨,在起飞和着陆期间由分布在机翼上的12个高升力电动机和螺旋桨增强升力。这些技术提供了有益的推进-机身相互作用,通过减小机翼平面区域等方式大大提高了巡航效率。在用于高升力电动机和相关电动机控制器的新型热管理技术中,热管是一种有效的被动冷却方式。热管利用对流换热形式,将电力系统产生的热量传递到机翼短舱,进而通过蒙皮将热量排散。计划于2019年开始的飞行试验将利用新的任务规划工具,在轨迹优化计算中考虑电力系统热负荷,在满足全电动推进系统特殊的热管理要求的同时,最大化其航程。

  美国航空航天局分布式电推进实验飞机X-57“麦克斯韦”想象图(美国航空航天局图片)

  2018年9月,美空军研究实验室(AFRL)的第2型先进结构嵌入式散热器(ASETS-2)在5号轨道测试器上通过了一年的在轨飞行试验。ASETS-2由3个轻质、低成本振荡热管和1个电子试验控制箱组成。3个振荡热管具有不同的配置型式(均为中央加热,冷却为单侧或双侧)和不同的工作流体介质,以控制感兴趣的特定性能参数。截至2018年11月,ASETS-2在飞行试验中没有表现出任何性能退化,通过测量初始在轨热性能和服役后热性能,ASETS-2已实现了两个主要的科学目标。ASETS-2今年进行了多次为期6周的测试,创造了最长的连续在轨运行记录。飞行试验硬件在返回后将进行测试,以观测热管在轨道上运行是否形成了不凝气体。

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