载人航天器停靠封存期间防止热辐射器冻结的方法

提出了一种新的防止辐射器冻结的方法——辐射器低温循环系统方法,并对该系统进行了数值模拟。结果表明:辐射器内工质的流动对辐射器的温度分布有明显的改善作用;辐射器节点间的温差随回路中工质流速的增加而明显降低;回路中工质存在最佳流速,当超过该值时对辐射器的温度分布已无明显作用。     

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

“接触-导热”式热管辐射散热器设计与分析

针对空间核反应堆电源中的热排散系统，新设计出“接触-导热”式热管辐射散热器结构，根据此散热器结构提出了“划分节点-分层耦合”的传热计算模型，计算了其辐射散热特性，并以JIMO(木星冰卫星轨道器)空间探测任务为背景，对散热系统整体进行了性能分析与对比。结论如下：为提升单块辐射板以及系统整体的散热性能，除可通过增加NaK⁷⁸入口温度途径外，还可采用增大NaK⁷⁸循环流量的方法；对于单块辐射板而言，散热面积固定情况下当NaK⁷⁸流量由1 kg/s增加至10 kg/s,辐射板散热量可增大14.14%,而对于系统整体而言，散热量固定工况下当NaK⁷⁸流量由1 kg/s增加至10 kg/s,所需辐射板总面积可减小67.73%;为提高系统循环流量，可采用“串-并联”相结合的辐射板连接方式实现；JIMO散热系统采用新型辐射板结构，散热总面积最大可减小59.06%,散热板总质量最大可减小4.24%,新型散热板结构具有一定的高效与轻质性。研究结果对空间堆电源系统热管式辐射散热器设计具有指导意义。     

肋片参数对辐射器散热性能的影响研究

采用蒙特卡罗法计算等截面圆管直肋式辐射器的肋片和外管壁相互间的辐射换热,数值模拟了第一类换热边界条件下散热器的散热过程。分析了辐射器的肋片数、肋片高度、肋片厚度及管壁温度对肋片散热性能的影响。结果发现,在肋片质量一定的条件下肋片数及肋片高度均存在一优值,在该值附近肋片的散热效率最高,且该值受管壁温度的影响,温度越高该值越小;在肋片外形不变的条件下,增加肋片的厚度来提高辐射器的散热性能并不是经济的途径;肋片的散热效率随管壁温度的升高而减小,壁温较高时安装肋片的必要性降低。     

一种并行式CPL/LHP冷凝器的流动/传热分析

针对航天器的可展开式辐射器 ,对比分析了辐射器内冷凝管路的两种布局方式 ,并利用SINDA/FLUINT对微重力条件下并行式冷凝器内的两相流动 /传热进行了计算分析 ;研究了冷凝器后端节流管对冷凝管内汽 /液界面位置的影响 ,为冷凝器的设计和提高辐射器性能提供了相应的依据     

并联蒸发器环路热管实验研究

采用并联蒸发器环路热管作为传热元件,并联冷却管辐射器作为散热部件,建立了包括热量收集、传递与排散的环路热管(LHP)集成试验系统,并进行了实验研究。实验结果表明:在并联蒸发器LHP系统中,蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式;在LHP运行过程中,当LHP工作在可变热导模式下,只有一个液体补偿器中保持汽液两相状态,并控制着LHP的运行温度,另一个液体补偿器则被充满液体,且处于过冷状态;在总热负荷不变的情况下,随着热负荷在蒸发器之间的分配不同,LHP的运行温度改变。当LHP工作在固定热导模式下,LHP的运行温度只与总热负荷有关,而与热负荷的分配情况无关。     

基于热管散热平台的热光伏系统实验研究

针对深空探测同位素电源的发展需求,设计了一套基于热管散热平台的热光伏系统,采用分离型热管实现了热光伏系统的热控要求,并实验验证了热光伏系统的热电转换性能。研究了加热功率、充液量对热管启动特性、壁面温度的影响,分析了辐射器温度、电池温度对系统电输出特性的影响,并对系统的转换效率进行了评估,结果表明：采用热管散热器可有效将半导体电池温度控制于25℃以下,在辐射器温度为1 173℃时,系统热电转换效率达到12.1%。     

空间科学实验平台分布式风回路优化设计

空间科学实验平台是集机械、热控、电子学及通信等系统于一体的综合平台, 能够为有效载荷提供适宜的工作环境. 为减小通风回路的流动阻力, 提高空气流量及其散热能力, 对采用强迫通风冷却散热方式的空间科学实验平台分布式风回路提出三种结构布局并进行对比. 利用计算流体力学方法对三种布局的压力场和速度场进行了计算, 得到空间科学实验平台内部阻力和速度分布. 综合考虑三种布局的结构及流场阻力特性, 得到空间科学实验平台分布式风回路的优化设计结果.      

单相流体回路辐射器性能优化方法

文章以“神舟”飞船辐射器为例,对管肋式单相流体回路辐射器的肋宽进行了优化分析。采用理论分析与数值求解相结合的方法,分析了管肋式辐射器常用性能评价方法--能质比及微元能质比（单位质量散热能力）随肋片宽度的变化规律;而后以提高辐射器能质比为优化目的,对辐射器肋宽进行了优化,得出了辐射器的最佳能质比对应的肋宽表达式;最后给出了“神舟”飞船辐射器优化前后的参数对比。文章对管肋式辐射器的优化设计具有很好的参考价值。     

两相控温型储液器进出流量的瞬态数值模拟

两相控温型储液器是泵驱两相流体回路（MPTL）系统中的一个重要部件,承担着工质存储、供给、气液分离及精密控温的作用。采用Navier-Stokes方程建立了MPTL系统瞬态模拟的仿真模型,可用于研究热源功率变化时储液器与主回路的动态传热和传质特性。通过仿真与试验对比发现,数值模型的流量误差在±10%以内,验证了模型的有效性和准确度。数值模拟结果表明:热源开关机时,储液器与主回路发生工质交换,气液两相的温度和压力受到影响,系统的流阻也受到影响;随着热源功率的增加,工质交换速率和交换总量随之增加,储液器内气液两相的温度和压力变化趋势随之增大。该模型可用于研究不同工作条件下的流量、温度和干度的变化特性,指导MPTL设计,并在系统搭建前预测系统特性。      

在轨加注用超声波流量计的设计与试验

针对航天器在轨加注对推进剂流量的精确测量要求,研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时间法研究的基础上,提出流量计管路布局的设计要求,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响,对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器,通过阈值比较法,保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后,在量程（0～150g/s）范围内可达到0.1%的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用,在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验,试验表明超声波流量计在推进剂在轨加注中使用是可行的和必要的。     

多级降压调节阀内部流动特性数值模拟

为研究多级降压调节阀内部流动过程和各降压级的压降影响因素及规律,基于Mixture两相流模型和Schnerr-Sauer空化模型的数值计算方法,建立了多级降压调节阀内部流场的计算模型。通过数值模拟计算,获得了调节阀内部的流动特性,分析和探讨不同压差和不同阀门开度下各降压级压降特性。数值计算结果表明:流体流经阀门节流元件时,由于多股流体的强烈掺混和剪切使得阀门内存在大量的漩涡;各降压级的压降存在一定的差异,第3级套筒处的空化程度最大,阀座处更易发生空化;阀门在同一开度下,工质沿各降压级的压降在不同压差下的变化趋势相同;第3降压级的压降随阀门开度的减小而增大,在25%开度下阀门第3降压级的平均压降最大,达到了8 MPa,相同流量下该降压级小孔中工质的速度也增加。研究结果为降压阀的合理设计提供了理论依据和参考价值。      

空间在轨流体输运稳定性落塔实验

空间流体管理是微重力流体科学的重要研究方向之一,而有外力驱动的开口流道毛细流动界面稳定性研究是其重要的内容.设计研制了一种微重力双流道流体输运实验装置,采用的两个流道分别为截面相同的对称内角和非对称内角,并有相同的开口长度,在百米微重力落塔进行了10次双舱实验.通过分析不同流量下的液面特性,判定流动的类别,将流动形态分为亚临界、临界和超临界三种,确定了两个流道的临界流量,并对两个流道毛细流动的特征进行了比较.      

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋（0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm）、外覆多孔烧结层的粗糙针肋（粒径为73~53 μm）。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5 mL/s下,随着加热热流密度由5 W/cm2增加至100 W/cm2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6 W/cm2、80.5 W/cm2改变工质流量（射流雷诺数）的实验工况,当工质流量由7.5 mL/s逐渐降低至1.0 mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。      

高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究

用实验的方法对高位垂直进气的转静系旋转盘在非稳态情况下的流动与换热特性进行了研究,主要研究了冷气流量系数和旋转雷诺数的变化对盘面温度和平均努塞尔数的影响.结果发现:冷气流量的改变对盘面的换热影响非常明显,盘面各点温度随时间的变化率是相同的;旋转雷诺数增加使盘面平均努塞尔数增大,旋转雷诺数变化的方式导致盘缘区域温度随时间的变化率与中心区域的不同.      

自由分子流微电热推力器流动模拟与性能预示

为了精确的预示自由分子流推力器(FMMR)在不同工质、工况下的性能,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法模拟FMMR内气体流动,计算了不同工质气体、工作压强和加热温度条件下的FMMR推力、比冲等性能,分析了工质、工作压强和加热温度对FMMR性能的影响。计算和分析结果表明,工质气体的选择不影响FMMR的推力性能,但随着工质气体相对分子质量的减小,推力器比冲迅速增加;在总压50~500Pa,温度300~600K条件下,推力器的比冲随总压和加热温度的增大而增加,推力随加热温度增大而减小,随总压增大而增大。     

FC72-氮气混合气体流动冷凝效率研究

混合气体（可凝蒸气与不可凝气体）相对于纯可凝蒸气,其流动冷凝过程更为复杂,冷凝效率受不可凝气体的浓度及冷凝温度影响.为对空间任务蒸发冷凝实验平台排放的废气FC72进行清理回收,针对所研制的FC72气液分离与收集器,在地面环境下对不同浓度的混合气体在不同冷凝温度下进行了流动冷凝效率实验.结果表明,对于FC72与氮气的混合气体,当冷凝器温度一定时,随着FC72浓度的增加,该气液分离与收集器的冷凝效率提高.在冷凝器温度约为-10℃,FC72浓度高于70%时,流动冷凝效率达到80%以上;当冷凝器温度降低至约-13℃,FC72浓度高于30%时,流动冷凝效率达到70%以上;当冷凝器温度降至约-15℃,FC72浓度高于20%时,流动冷凝速率均达到60%以上.      

热开关热管在月面探测光学设备中的应用

在月面-180~+90℃的极端高低温环境下,月面探测光学设备的月昼远距离散热和月夜保温矛盾异常突出。针对设备热耗的传输、排散,以及月夜生存时的热能存留问题,利用热管工质的汽、液、固相变特性,提出一种无源热开关热管作为设备和散热面间长距离传热手段,即依据设备温度指标选择具有合适凝固点和传热能力的工质,当月昼工作期间通过热管内工质两相传热实现热量的高效收集和传输,到月夜期间冻结热管内全部工质,完全切断热管与散热面间的两相传热,维持设备温度。地面试验和在轨飞行数据表明,热开关热管凝固点附近热导比达30以上。热管工作时,7℃时传热能力大于15W,传热温差小于4℃,且能够适应着陆器±15°的倾斜,确保了嫦娥三号着陆器月基光学望远镜在轨的高性能工作。     

航天器用丙烯环路热管的研究现状与展望

环路热管是一种依靠毛细力驱动的高效两相传热装置,可解决高精度控温、大功率、远距离热传输等热控难题,广泛应用于各航天器。目前,大功率的航天器平台（例如新一代大功率通信卫星等）在存储或故障工况下,为维持辐射器生存温度需额外消耗能源,补偿较大的加热功率;木星系、太阳系边际等深空探测任务要求热控系统拓展其低温适应性。上述空间任务对具有低温适应性的丙烯环路热管技术提出了迫切需求。相比常用的氨工质,丙烯具有低冰点（–185℃）特性,丙烯工质环路热管可在低温下存储和运行,空间应用时不存在冻结风险（航天器辐射器温度一般不低于–150℃）,无需额外补偿加热,提高了热控系统的低温适应性和可靠性。本文分析了丙烯环路热管的理论建模、稳态性能和动态特性实验研究现状及典型空间应用形式,对未来研究工作提出了建议。     

热电致冷器和毛细泵驱动的小型热公用回路

适合卫星应用的小型热公用回路,可以实现发热设备在星内立体布局,摆脱对散热面的依赖,使卫星的集成度提高,满足大型有效载荷按功能集成后的散热需要。用毛细泵代替机械泵,可以实现无运动部件的高可靠、长寿命、适合卫星应用的小型两相热公用回路。该回路需要对毛细泵主动加热促使工质流动,需要消耗一定的功率。如何降低毛细泵的功耗,是毛细泵驱动的热公用回路实用化的关键。理论和实验证明,热电致冷器在小温差下有较高的热泵系数,用热电致冷器加热毛细泵比直接电加热更经济。