为提高空间相机的控温稳定度以保证成像质量，本文提出一种基于空间光机热模型的自适应比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制方法。该控制器的设计从空间光机的热平衡方程出发，能够实时根据光机及与其辐射换热对象的温度修正光机的热模型，继而采用极点配置的方法实时校正 PID控制器参数，最终确定本控温周期的加热占空比。本文通过建立抽象的空间光机热模型，分别施加上述自适应 PID控制方法与固定参数 PID控制方法，对控温效果进行了仿真及实验对比。结果表明，对环境扰动引起的温度波动，该自适应 PID控制器始终保持最佳动态响应，控温稳定度优于 ±0.1 K，具有更好的控温稳定性和环境适应性。

飞秒激光精微修正技术是采用具有高能量密度的超短脉宽激光对面齿轮齿面进行精微加工的一种新型加工方法。考虑到齿轮材料成分间互温感应，建立了飞秒激光烧蚀面齿轮材料动能量热模型，仿真分析了飞秒激光修正面齿轮齿面温度场的变化规律，发现随着激光能量密度的增大，电子温度急剧升高，电子温度远大于晶格温度，烧蚀凹坑的深度和直径均增大。实验中观测到烧蚀凹坑的齿面形貌，证实了动能量热模型的正确性，为飞秒激光精微烧蚀面齿轮的研究提供理论指导。

利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。

星载光机电设备兼有光学系统和运动机构的特点, 前者温度指标要求高, 后者构型复杂并且相对星体其他部分运动, 这给热设计的验证带来困难。文章以光机电设备激光通信终端为例, 提出了热设计的间接验证方法, 即通过地面试验数据修正热分析模型、再由热分析模型预示在轨温度, 进而验证热设计。设计了热平衡试验, 并根据试验结果修正了模型, 修正后的试验模型计算结果与试验结果基本一致, 81%的测温点偏差小于5 ℃, 模型较好地反映了真实的热物理状态, 其预示的在轨温度可用于验证热设计。对比了轨道计算温度与飞行温度, 81%的测温点偏差小于4 ℃, 证明了间接验证方法的正确和有效, 满足星载激光通信终端的应用要求。所述的验证方法显著降低了热试验的难度, 对多姿态与高温度指标的光机电设备具有借鉴意义。

通过建立光电热(PET)模型，研究了发光二极管(LED)光源相关色温(CCT)的模型预测控制方法，实现了多主色LED光源的相关色温控制。首先，提出了热平衡状态稳定假设和修正的非对称高斯函数作为基函数的假设; 根据软模型建模思路,用最小二乘估计求解各个模型参量的回归子模型，分析光谱敏感系数曲线随CCT变化的关系。 然后，通过重力线法调试出在3 000，4 500和6 500 K 下3个常用色温点处所需的电流控制量。最后，在调设好的电流控制量上加以一定的无规则扰动产生一组验证数据，用于评价模型精度。实验结果表明: 建立的多主色LED光源的PET数学模型能够很好地通过电流控制量和环境温度来预测LED的热沉温度和多主色合成光谱功率分布函数，进而能够预测控制色温，具有很好的模型精度。得到的色度坐标预测精度优于±0.005，CCT预测精度优于±150 K。提出的基于模型的控制方法不仅适用于常用LED光源的CCT调控，还可推广到更多通道的LED光源的色度及CCT控制中。

为了对霍尔推力器的热分析研究提供准确的能耗加载条件,开展了霍尔推力器稳态工况下的热模型研究。基于等离子体理论,分析放电室内各项能量损耗机理,并建立各能量损耗与推力器工作参数、性能参数和结构参数的相关函数,系统地得到了霍尔推力器的完整热模型。以LHT100推力器为研究对象,热模型计算结果显示: 额定工况下束流能量损耗约889 W,壁面能量损耗约300 W,阳极能量损耗约44 W,电离能量损耗约43 W,辐射能量损耗约34 W等。以此能量损耗作为热边界条件进行有限元分析,并开展热平衡试验进行验证,计算结果与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。

为解决常用经验计算公式参数复杂、产热项考虑不足等问题，采用优化的激光器热模型分析了激光器连续工作时有源区温度的变化并进行了实验验证。通过分析有源区注入载流子产热机制，建立了替代传统的热源计算公式的经验计算公式，考虑了载流子通过激光器内部渐变异质结时的势垒电阻以提高焦耳热计算精度。制作了电极尺寸为10 μm、台面尺寸为20 μm的半导体激光器件并对器件热特性进行了模拟。由于未考虑热载流子注入效应，利用传统经验公式得出的有源区热功率密度比提出的优化模型偏低，因而理论模拟的器件内部温升也偏低。对激光器出光特性进行测试，推导出不同注入电流下激光器内部有源区的温升。测量与理论分析对比表明，采用经验公式得出的结果比实际测试结果偏低，而优化的热模型解决了该问题，利用该方法得出的有源区温升与测试结果最大偏差仅为0.2 K，且温升随注入电流的变化趋势一致。

为实现建筑物墙体目标局部红外辐射特征的外场模拟，充分考虑影响目标表面温度 的环境因素，建立了目标热模型，并对墙体目标表面温度进行了计算。在此基础上，利用一种电加热 布作为红外辐射材料，设计了一套外场目标模拟系统，并进行了相关试验。试验结果表明整套模拟 系统能够在一定精度范围内实现建筑物墙体目标的二维红外辐射特征的外场模拟，其模拟精度换 算为辐射温度约为2 K。

根据传热学原理，建立了假目标和真目标的简单传热模型，计算了一日内假目标和真目标温度随时间的变化，结果表明：假目标表面温度可以通过热平衡方程求解；真目标温度日变化受厚度的影响最大，厚度越大，温度变化越平缓，厚度越小，越接近假目标。表面发射率对真目标或假目标温度变化有相同的影响，发射率越低，一日内表面温度就越高。太阳能吸收系数仅在白天具有太阳辐射时对温度有影响，它与发射率对温度的影响刚好相反。

根据传热学原理，建立了涂层目标的传热模型，计算了一日内目标真实温度和辐射温度随时间的变化以及涂层对目标真实温度和辐射温度的影响，结果表明：涂有低发射率涂层的冷静态目标的真实温度和辐射温度白天都有所降低，尤其是辐射温度，白天降低明显，但真实温度和辐射温度夜间变化都不明显；低发射率涂层对抑制目标红外辐射有一定的作用，而且采用不同发射率级差的涂层实施热斑点是可行的。