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变密度真空多层绝热的理论与实验研究

作　者: 朱浩唯
导　师: 吴静怡; 黄永华
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 变密度真空多层绝热层与层模型最优化布置实验验证
分类号: TB611
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着深空探索的不断深入，空间轨道低温推进剂长期储存技术有望成为解决未来月球资源开发和其他如火星等深空探测所面临的大载荷、长距离问题的有效途径之一。为了能够实现这一技术，必须设计开发相应的高效、轻巧、可靠的真空低温绝热形式。这一应用背景对传统的真空多层绝热技术在重量和绝热性能方面提出了新的要求。由于以往传统真空多层绝热大多采用统一的反射层层密度而很少考虑其内部径向方向上参数的变化尤其是反射层与间隔材料间的配置方案，使得多层材料的绝热性能并不能达到最佳，或者在相同性能的情况下重量偏重。在斤斤计较的航天应用上，变密度多层绝热有望解决上述问题。变密度多层绝热主要通过改变反射层密度配置的方式使间隔材料布置在较为合理的地方，从而提升多层材料的绝热性能。本文以变密度多层绝热材料的绝热性能为优化目标。首先介绍多层绝热技术的应用现状与影响因素，随后引出变密度多层绝热的概念，之后对于变密度优化提出了自己的观点：即变密度多层绝热的性能优化需要综合地考虑多层绝热内部的规律以及间隔材料本身的特性。然后从理论计算方面着手，选择层与层模型作为描述变密度多层绝热的理论模型，并突破性地采用了类似自然界生物进化方向的自主选择的方法对间隔材料的最优化布置进行了求解。鉴于连续变化的层密度布置方式在实际应用中难以实现，本文通过采用分段变密度的方式，计算了变密度配置对多层材料绝热性能的影响，从理论上得出了变密度优化配置的结论：适当地减小内层的层密度，可以显著地改善多层材料的绝热性能，且内层最优层密度约为平均层密度的1/2。同时，还分析了热边界温度对变密度优化配置的影响。此外，通过进一步的研究还表明，分段变密度多层绝热在布置方式以及性能优化方面都有着非常好的扩展性。为了验证理论模型的的预测结果，文中还根据多层材料绝热性能的测试要求，完成了变密度多层绝热材料实验系统的设计、加工、集成以及实验研究工作。并根据得到的实验结果，分析了变密度多层绝热中优化配置的方案以及采用实际最优化配置时所得到的绝热性能的提升量。通过进一步比较，分析了变密度布置所造成的绝热性能差异随着热边界温度的变化规律，以及支配这种规律的原因。结合理论分析与测试所得的实验结果，发现理论计算较好地吻合了实验数据，从而验证了理论模型在变密度多层绝热分析中的适用性，同时也印证了变密度多层绝热在绝热性能优化方面的优势。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
符号与标记  9-12
第一章绪论  12-23
  1.1 多层绝热的应用背景  12-13
  1.2 多层绝热的研究现状  13-14
  1.3 多层绝热的影响因素  14-20
  1.4 变密度多层绝热的提出  20-22
  1.5 本章小结  22-23
第二章变密度多层绝热的理论研究  23-36
  2.1 数学工具的分析选择  23-27
  2.2 层与层模型的迭代求解  27-30
  2.3 最优化层密度布置的求解  30-33
  2.4 分段变密度的理论研究  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章变密度多层绝热的实验系统  36-45
  3.1 实验方法简介  36
  3.2 试验装置的设计  36-39
  3.3 实验系统的集成安装  39-43
  3.4 实验测试步骤  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章变密度多层绝热的实验验证  45-60
  4.1 多层绝热测试的降温过程  46-47
  4.2 实验数据的可重复性验证  47-48
  4.3 大气压波动的影响  48-50
  4.4 表观真空度的影响  50-51
  4.5 温度分布曲线的对比  51-53
  4.6 流量数据反映绝热性能  53-55
  4.7 温度分布与流量的综合分析  55-59
  4.8 本章小结  59-60
第五章基于实验结果的系统改进  60-64
  5.1 背压稳定装置的原理  60
  5.2 装置的三维建模  60-62
  5.3 弹性薄膜的选择  62-63
  5.4 实验装置的加工  63
  5.5 本章小结  63-64
第六章全文总结  64-67
  6.1 全文总结  64-65
  6.2 创新点总结  65-66
  6.3 研究展望  66-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  71
攻读硕士学位期间获得的专利  71
攻读硕士学位期间参与的科研项目  71

变密度真空多层绝热的理论与实验研究

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