微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。     

载人航天器单相流体回路分析

对载人航天器热控分系统单相流体回路进行了简化,建立了氨工质单相流体回路的软件仿真模型,对仿真模型添加瞬态外热流,施加比例、积分和微分（PID）控制器。仿真结果给出了单相流体回路在典型工况下控温点温度波动、辐射器出口温度波动、温控阀主旁路流量分配的响应情况。据此分析了单相流体回路在典型工况下的动态响应性能、控温性能及低温防冻性能。总结评价了氨工质单相流体回路的低温防冻能力,确定了影响单相流体回路控温性能的因素,可用于指导我国单相流体回路进行优化设计及防冻设计。     

卫星用两种单相流体回路方案对比研究

单相流体回路系统是航天器主动热控技术中的一种重要方式。文章概述了流体回路的工作原理及理论基础，总结了单相流体回路的设计思路，结合某卫星型号，设计了两种流体回路方案，在SINDA／FLUINT中建立数值仿真模型进行分析计算，并比较了两种方案的应用性能。结果显示，将单相流体回路系统应用于卫星，可取得较好的控温效果。     

短时大功率排热系统控温波动分析

针对航天器短时大功率有效载荷排热问题提出单相流体排热系统、蓄冷一单相回路组合排热系统、热泵一单相回路组合排热系统、蓄冷一热泵组合排热系统4种排热方案，采用理论分析和数值方法计算了各方案控温组件的温度波动。结果表明：对于蓄冷排热方案，在给定条件下，控温组件温度波动可以控制在约7℃以内。对于单相流体排热回路，按照器件平均功率设计时，辐射器的面积较小，但功率器件的温度波动会加大；按器件最大功率设计时，器件的温度波动较小，但辐射器面积会变大，导致系统重量增加。对于热泵一单相流体回路热控系统，温度波动可以控制在大约10℃左右。     

飞船单相流体回路热设计

单相流体回路热控技术在国外载人航天器上普遍得到使用,也是发展我国载人航天器必须解决的关键技术之一。本文概要论述了飞船单相流体回路热控设计有关问题,包括控温方法、泵的性能参数确定、冷板热设计、液液换热器热设计、辐射器热设计等,给出了相应的设计方法和实际在轨运行结果。     

单相流体回路地面试验研究

为了对流体回路系统设计参数确定提供指导,通过地面试验方法,研究了低温和外界环境变化时单相流体回路的阻力特性、工质补偿、控温算法等。介绍了地面试验系统的组成、试验方法和相关试验结果,并重点对外界环境突变时的控温结果、控温目标点与控温装置作用点分离时的控温震荡以及低温下补偿器的补偿能力测试结果进行了分析。试验结果表明,在外界环境剧烈变化时会出现温度过冲,过冲可达到10 oC;此外,由于控温点和控温装置作用点的分离引起的相位差,会导致系统控温失败。这些结果对载人航天器流体回路的泵、换热器设计以及工作状态分析具有一定的参考作用。     

航天器热控单相流体回路水击效应仿真研究

针对航天器单相流体回路水击效应对设备及管路的危害,文章基于特征线法提出了水击效应仿真的数学模型,建立相关边界条件和数值计算方法,对一种含并联支路的单相流体回路在阀门闭合工况进行了瞬态水击仿真分析,得到了阀门动作与水击效应之间的关系和规律。分析表明:回路中阀门关闭的顺序与时间间隔会引起不同程度的水击。为此,提出流体回路先关闭上游或先开启下游阀门、同时增大阀门动作的间隔时间以抑制水击风险的方法,可为航天器单相流体回路可靠性设计提供参考。     

感温蜡温控阀对航天器热控系统动态性能的影响

为了提高航天器热控系统的控温适应能力,提出了一种基于感温蜡温控阀的单相流体回路热控方法,利用感温蜡温控阀的全自动流量、温度比例调节特性实现温度控制。通过集总参数法建立感温蜡温控阀、热源载荷和空间辐射器等部件的数学模型,运用数值仿真方法分析该热控系统的温度动态特性。仿真结果表明,感温蜡温控阀的布局方式,以及感温蜡熔程、时间常数和温度延迟等热特性对单相流体回路热控系统温度动态性能有显著的影响,对基于感温蜡温控阀的单相流体回路优化设计提供了理论依据。     

单相流体回路工质的优选研究

流体工质的选择是单相流体回路设计的一项重要内容,文章概述了流体工质的基本性能参数与选择标准,简要介绍了单相流体回路的分析计算过程,提出了能初步衡量工质优劣的一个特征性能参量热耗比F,设定3种工况条件,分别绘制了6种工质的热耗比F随温度的变化曲线,将比较结果应用于一个流体双回路系统的内回路,在SINDA/FLUINT中建立数值仿真模型,计算结果显示利用热耗比F可以对流体工质进行初步的优选。     

一种并网式载人航天器控温回路系统设计

提出了一种单舱辐射器并网和组合体舱间并网相结合的载人航天器控温回路系统,能够实现单舱层次功能备份和舱间层次功能备份。建立了单舱和组合体控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式和几种不同故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,对于单舱辐射器并网回路,在单条辐射器支路故障情况下,系统总散热能力损失不超过28.5%,单舱外回路完全故障时启动舱间并网回路,故障舱段可维持的热负荷水平占标准工作模式热负荷水平的63.5%,表明双层次并网控温回路系统可将设备温度有效控制在指标要求范围内,并能显著提高载人航天器所能承受的热负荷水平,提高系统的可靠性。     

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局，提高流体回路的散热效率，降低流体回路温度，本文基于(火积)理论，分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明，排散相同热量时，流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好，流体回路散热过程(火积)耗散越小，系统散热过程越优。进一步，对于2个辐射器的情况，分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流，对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明，辐射器与流体回路串联时，系统散热性能要优于两者并联，系统的流体温度水平最低，结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。     

行星际航天器主动热控系统模糊控制

对行星际航天器主动热控系统进行了研究。以“火星探路者”号为例，在其机械泵式单相液体循环冷却系统设计布局的基础上，使用更高换热效率、更低压力降的分形微管道网络换热器传递电子设备散发的热量，利用模糊控制策略对系统进行控制。通过合理的简化和假设，应用集总参数法建立系统动态特性模型，进行仿真研究。结果表明此主动热控系统能对航天器电子设备温度进行有效控制。     

回路热管工作温度的控制方式

对比传统直热管,回路热管具有启动迅速、传输距离远、热量大、温差小等优势,但在实际应用中,如在航天器热控、电子元器件散热等场合,又会对回路热管工作温度的精确控制能力又提出新要求。对此要求,文章主要介绍几种目前已经使用以及研发中的回路热管工作温度的主动控制方式,并且比较了它们各自的优缺点。     

月球无人采样返回探测器一体化热管理方案

针对我国首个月球无人采样返回探测器"嫦娥五号"所面临的散热难题,在调研国外月球采样返回探测器热控方案的基础上,通过论证提出一种"泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器"的一体化热管理方案。该方案能够实现"嫦娥五号"着陆器、上升器热量与热沉的综合管理与利用;同时在国内首次将高适应能力主动热控体系结构应用到深空探测航天器中,推动了我国深空探测航天器热控技术的跨越式发展。     

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。     

载人航天器密封舱温湿度独立控制方法及实验研究

针对目前载人航天器密封舱温湿度控制存在的强耦合问题,提出了一种基于绝对含湿量控湿的温湿度独立控制方法,设置中温和低温两个热控回路,并通过中温温控阀和低温温控阀的独立调节,进行冷凝干燥器组件控湿和气液换热器控温的双目标控制,实现了密封舱空气温湿度解耦控制,以满足精细化控制的需求。文章给出了密封舱温湿度独立控制系统的典型系统配置及控制策略,并搭建地面实验验证系统开展了相关实验验证工作。实验结果表明采用温湿度独立控制方法可以达到温度±0.5℃、湿度±2%RH的良好控制效果。