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。     

回路热管性能的地面实验研究

一倍重力条件下，通过一系列地面实验研究了回路热管的运行机理、温度控制及其传热特性。给出了回路热管温度分布及其随传热功率的变化曲线图。对回路热管的传热过程进行了分析。通过实验数据描述了工作温度随传热功率的变化规律并进行了解释。分析了回路热管热导随传热功率变化的规律。实验结果表明有两个因素影响系统总热导变化——冷凝器有效冷凝面积(积极因素)和过热度(消极因素)。讨论了蒸发器和冷凝器的方位对系统运行、温度控制特性的影响。得出反重力工作对回路热管的工作温度、温度控制性能、系统热导都会产生消极影响的结论。     

深冷环路热管瞬态数值仿真研究

针对深冷环路热管运行性能预测需求,基于组件内部工质分布、热力状态变化及流动传热特性,构建了具有辅回路的深冷环路热管瞬态数值模型,仿真分析了深冷环路热管在固定辅热载荷作用下的传热特性变化规律,对比实验结果验证了模型的可行性,得到了深冷环路热管稳态工作性能曲线和系统内部工质分布状态、热力学状态变化路径及系统压降等,指出文献关于液相回路必须具备足够过冷度的第三使役条件应正确表述为液相回路不能过热,即气、液两相共存的饱和状态同样满足第三使役条件的要求,并且更有利于系统的稳定运行。     

航天器热传输技术研究进展

文章对航天器用热传输技术近期的发展进行了汇总,主要包括：导热材料、微小型热管、槽道热管、泵驱动两相流体回路、深冷环路热管、喷雾冷却系统以及基于MEMS技术的微型热传输技术。这些新技术是航天器高热流密度散热、大功率热传输、分散点热源散热及深低温热传输未来主要的解决途径,可供航天器热控研究及设计者参考。     

月球着陆器两相流体回路性能衰退分析与验证

针对嫦娥三号着陆器两相流体回路12个月球昼夜的寿命需求，开展了氨分解导致两相流体回路传热温差增量的分析和试验验证，结果表明寿命末期不凝气体引起传热温差增量不超过2.2 ℃，同位素核热源(RHU)向探测器的供热量减小0.6 W，设备温度整体降低0.6 ℃，对热控系统影响可忽略。根据在轨遥测，寿命周期内，两相流体回路工作在45 ℃~50 ℃时不凝气体引起的传热温差增量不超过1.5 ℃，与地面验证结果吻合较好；经历52个月球昼夜周期内，传热温差在3.5 ℃~4.7 ℃内波动，在轨工作良好。     

环路热管启动性能实验与分析

通过一系列环路热管的启动地面实验测试,发现了环路热管蒸汽槽道和液体干道中不同气液分布情况下的启动现象,揭示了环路热管的启动过程,研究了蒸发器内气液分布、储液器和蒸发器的相对位置以及不同的启动功率对环路热管启动特性的影响。为环路热管在空间应用提供了重要依据。     

环路热管的地面实验研究现状

环路热管技术是目前航天器热控制领域内最前沿的热控技术,而双储液器环路热管更是凭借其正常工作不受蒸发器和储液器方位限制成为航空和民用领域的研究热点.分析了环路热管及双储液器环路热管的地面实验研究现状;对可视化实验研究成果进行了总结分析;针对目前关于环路热管在某些方面的传热机理和运行特性的研究还不够深入,提出在稳态、动态、主动控温等方面还需进行大量的可视化实验研究,对一些既往的理论和猜测还有待可视化的验证.      

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.      

加速度环境中环路热管稳态工作性能对比

环路热管在机载电子设备冷却领域具有较大的应用潜力。为了获得环路热管在加速度环境中的工作性能，针对2套具有不同蒸气管线和液体管线结构尺寸的不锈钢-氨双储液器环路热管，搭建了加速度环境中环路热管工作性能实验台，实验研究了2套环路热管在重力环境和1g～7g逆加速度环境、100～300 W热载荷下的稳态工作性能，结合工质受力分析，建立了加速度环境中双储液器环路热管系统流阻预测模型，分析了不同加速度大小、热载荷、热管结构形式对环路热管工作性能的影响规律及作用机理。结果表明：在重力环境中环路热管工作温度随热载荷变化呈“V”型趋势。逆加速度会引起回路流阻增大，导致工作温度升高甚至超温，对液体管线较长的环路热管尤为明显。1g和3g逆加速度、小热载荷时液体管线较长的环路热管工作温度低于蒸气管线较长的环路热管，而在5g和7g逆加速度时则相反。在重力环境和逆加速度环境中，蒸气管线较长的环路热管的可变热导区与固定热导区临界热载荷均在200 W左右。研究结果对机载电子设备冷却用环路热管的设计具有指导意义。     

用于大功率航天器的3D打印钛水热管设计及试验研究

针对应用于空间核动力及大功率航天器的高温热排散技术,介绍了一种基于3D打印增材制造技术的钛水热管,满足100～300℃温区热量的远距离传输需求。该热管壳体及毛细芯结构通过3D打印技术一体成型,解决了中高温热管在制造方面的诸多难题。文章对热管的传热能力进行了理论分析,分析结果表明热管在180～250℃区间内传热能力最佳,同时搭建了热管启动以及传热能力的试验验证平台,对热管在水平以及逆重力姿态的传热能力进行了试验验证,并与理论分析结果进行了比较。试验结果表明:3D打印技术可成功应用于槽道热管的制造。该钛水热管后续将应用于航天器高温热排散系统的地面演示系统中,用于连接高温两相流体回路冷凝器和碳纤维材料辐射板。