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。     

高冰点热管工作特性实验研究及在"嫦娥四号"探测器上的应用

文章针对月球探测器设备月昼高效传热和月夜阻断传热需求,设计了一种以八氟环丁烷为工质的开关式高冰点槽道热管,对其常温下传热性能及启动特性开展了地面实验研究。结果表明:热管工作温度35～55℃范围内的最大传热量大于40 W;工作在35～55℃温度范围、传热量为25 W时,蒸发段测点与冷凝段测点温差小于5℃;在相同传热量情况下,工作温度越高,传热温差越小;管体与水平面夹角分别为10°、30°两种情况下,热管均能在90 s内正常启动。该热管已在"嫦娥四号"探测器中得到成功应用。探测器地面热平衡试验和在轨数据表明,高冰点热管在月昼高温工况传热效果良好,月夜低温工况热管工质冻结、可以实现设备保温,确保了探测器相关设备在轨的高性能工作。     

空间膜式水蒸发散热理论分析与试验研究

针对空间膜式水蒸发器(SWME)中水工质蒸发过程的散热问题,应用管内对流换热和努森扩散-泊肃叶流动混合传质模型对该过程进行了数学描述。通过开展地面试验与数值计算,对工作参数与膜式水蒸发原理试样件稳态散热量之间的作用机理进行了研究,结果表明:流体入口温度和环境压力通过影响膜式水蒸发过程的压差驱动力,对该过程的稳态散热量产生显著影响,稳态散热量随流体入口温度线性增加,而与环境压力呈现负相关性。在小功率散热情况下,膜式水蒸发原理试样件散热量的单管数学模型计算值与试验结果之间的偏差更小。研究结果可为后续空间膜式水蒸发器的设计提供参考。     

多孔板结冰自强化效应对水升华器性能的影响

水升华器是一种利用水作为消耗性介质的相变散热装置,在航天器热控及生保系统中得到了广泛应用。在水升华器启动及运行过程中多孔板内部发生的结冰膨胀现象会对多孔板微观结构进行再加工;由于形变硬化效应,水升华器多次工作后,多孔板的塑性将逐渐降低,结构参数将逐渐固化,将这一过程定义为多孔板的自强化。而多孔板微观结构的变化,将对水升华器防击穿能力、稳态散热功率等宏观性能产生影响。在对水升华器工作机理进行分析的基础上,从微观角度定性研究了水升华器多孔板的结冰自强化机理,并针对自强化效应对水升华器宏观性能的影响开展了实验研究。结果表明：对于本文结构的水升华器,在同一条件下,稳态散热功率随着启动次数的增加而减小,且每次减小的幅度逐渐降低,在启动3~4次后稳态散热功率逐渐趋于稳定。由实验数据得到了水升华器稳态散热功率与启动次数之间的拟合关系式;渗透率越大的多孔板,水升华器工作过程对多孔板的再加工程度更大,因而自强化效果更明显;自强化效应还可以提高水升华器的防击穿能力。研究结果为探月三期工程嫦娥五号探测器提供了一定的设计依据。     

热负荷及给水压力对水升华器启动和使用策略影响

热负荷、给水压力等参数的匹配设计,对水升华器启动及运行过程中内部气 固 液相变界面的位置具有重要影响,从而影响其运行稳定性和使用策略。开展了水升华器分别在低热负荷低给水压力、高热负荷高给水压力工况下的启动试验研究,及水升华器在低热负荷低给水压力下启动运行至稳定后调整为高热负荷高给水压力运行的响应特性研究。阐明了热负荷及给水压力对水升华器启动和稳定运行策略的影响。试验结果表明：水升华器在较高热负荷及较高给水压力工况下启动,可以在更短时间内建立稳定状态,但发生“击穿”风险大;水升华器需在高热负荷、高给水压力下运行时,采用在低热负荷、低给水压力下启动,然后在高热负荷和高给水压力下运行的方式,可以减小启动过程的“击穿”风险,且不影响其稳态散热能力。     

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。