航天遥感器用泵驱两相流体回路热真空试验研究

针对航天遥感器核心组件的高精度与高稳定度的控温需求,设计并搭建了一套泵驱两相流体回路(MPTL)试验装置,该装置使用了一套具有被动冷却能力的两相控温型储液器。为验证MPTL系统在高真空、极低温与变化外热流条件下的工作能力,在真空罐内对MPTL系统在不同工况点下的散热与控温能力进行了测试,并通过温度和压力等数据研究了主回路的运行特性、储液器内热力学变化特性及两者之间的传热传质过程。结果表明：MPTL系统的控温点可通过储液器进行快速调整,蒸发器温度的变化受外热流与热源开关影响较小;进入毛细管中的过冷液与储液器中的液相形成的温差保证了储液器冷量的供应;主回路发生相态转变时,储液器与主回路工质交换特性引起了系统压力降脉动。     

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件（CCD）作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路（MPTL）用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响;MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。      

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。      

载人运输飞船流体回路试验研究

详细介绍了载人运输飞船热控船流体回路主要技术方案,包括系统组成与流程设计、工作模式设计、主要技术状态等,并列出了流体回路全部试验工况及相关试验结果,试验结果表明流体回路具有良好的温度调控能力和适应能力。重点对流体回路辐射器、冷凝干燥器、冷板、换热器等设备换热能力及低温情况下工质体积补偿、低压情况下工质溶气释出导致泵压头波动等问题进行了分析。最后根据分析和试验结果对系统提出了优化改进建议。     

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管（LHP）在轨应用需求，建立了高分九号卫星电荷耦合器件（CCD）用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法，考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比，发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃，冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃；预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响；热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下，研究LHP内部各参数的变化规律，预测LHP系统的瞬态工作特性，并指导后续产品的设计与研发。      

平板型MLHP温度波动研究

环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是一种靠蒸发器的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。研制了一套平板式蒸发器、风冷式冷凝器的小型环路热管(MLHP),MLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮,蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。主要研究了平板型MLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,并重点研究了倾角以及充灌量等对MLHP系统温度波动的影响,且给出相应的合理解释。实验结果表明,平板式MLHP在2~3W/cm2热流密度区间范围内容易发生温度波动。     

加速度场中环路热管温度波动现象分析

基于离心机系统,搭建了双储液器环路热管（DCCLHP）工作特性实验台,实验研究了环路热管在地面重力场和过载加速度场中的运行性能,热载荷范围为25～300 W,过载加速度大小为3g～9g,分析了不同热载荷、加速度方向、大小对环路热管温度波动的影响。结果表明,过载加速度会改变环路热管的启动模式和运行性能,可抑制或激发冷凝器出口温度波动甚至整个环路的波动,但相同热载荷下蒸发器运行温度基本一致。回路中气液两相流动自身固有的不稳定性在过载加速度效应下更易受到激发,加剧回路中流动不稳定,进而加剧蒸发器向储液器漏热的不稳定。冷凝器的冷却作用可以有效削弱冷凝器段的温度波动。      

多回路耦合CPL系统的几种失效情况分析

毛细抽吸两相流体回路(CPL,CapillaryPumpedLoop)在运行过程中可能会发生蒸发器失效的现象,严重影响了其可靠性。文章对CPL在变工况过程中可能引起蒸发器失效的一些因素进行了分析,并通过实验研究了一个多回路耦合CPL系统在某些热边界条件发生骤变时,系统的瞬态响应以及部分蒸发器失效的过程。     

卫星单相流体回路热控系统前馈PID控制

利用传热学相关理论,对卫星单相流体回路热控系统的传热机理进行了分析与简化,建立起一个包括卫星单相流体回路各热组件模型、受控对象模型与控制系统模型的系统动态热模型。针对卫星单相流体回路系统惯性比较大,温度经常超调的特点,提出在现有PID反馈控制的基础上,引入系统热负荷作为反映系统扰动信号的前馈控制,以减少系统温度的动态偏差。利用热力学模型进行了仿真研究,仿真结果表明:采用以"系统热负荷"为信号的前馈PID控制温度超调量更小,具有更好的控制性能。仿真结果也可用于指导工程设计。     

单相流体回路系统的性能集成分析

文章概述了对流体回路系统研究时可采用的 3种方法 ,介绍了单相流体回路热性能和流动性能的分析计算过程 ,并以一个流体双回路系统为例 ,进行了MATLAB编程计算与SINDA/FLUINT建模计算 ,通过对两种结果的比较 ,初步验证了利用SINDA/FLUINT软件对该系统进行热性能和流动性能集成仿真分析的可行性。     

单相流体回路在卫星热控制中的应用研究

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,设计了一个可参考的流体回路方案,在SINDA/FLUINT中建立数值仿真模型进行分析计算,并评价了其应用性能,结果显示,将单相流体回路系统应用于卫星,可取得很好的控温效果。     

毛细芯蒸发器启动和运行特性

通过对毛细芯蒸发器(相当于环路热管在没有连接蒸气管路的情况)进行试验研究,巧妙地避开了工质循环和冷凝器等带来的影响,专注于研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响。结果表明:在某些条件下,毛细芯蒸发器启动时温度会出现剧烈的波动;毛细芯孔隙率越大,产生温度波动所对应的热源功率越小;毛细芯相同时,热源功率越大,越容易出现温度波动,并且温度波动的程度越剧烈。温度波动的原因是毛细芯孔隙率与热源功率等外部参数不匹配。     

用一维恒温相变界面模型研究毛细芯蒸发器温度场

对ＣＰＬ毛细芯蒸发器提出了一维恒温相交界面模型：蒸发器壁、液体、蒸汽分别在横截面上的温度相同，即温度只有沿轴向才有变化；蒸发器壁、蒸汽分别和液体之间存在温度为饱和温度的汽液交界面，蒸发器壁、液体、蒸汽通过该交界面进行换热。根据此模型，应用带有特殊内热源项的一维能量守恒方程求解了温度场。在计算中估计并推荐了几个换热系数，给出边界条件后可得到蒸发器内温度场的数值解。蒸发器壁温的计算值与实验结果符合较好。     

基于硬脂酸复合相变材料的被动热沉性能

固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立了石墨烯纳米片/硬脂酸复合相变材料物性,采用更为精确的双温度数值模拟方法分析了不同导热强化方式的控温效果,并研究了环境温度对热沉控温效果的影响。结果表明:高热流密度下的相变温控过程采用双温度数值模拟更为精确;当导热增强体的体积组分相同时,提高泡沫金属的孔密度对相变温控效果提升有限,而同时采用泡沫金属与石墨烯纳米片能更有效改善相变控温效果;环境温度的剧烈变化对温控时间和控温温度均能产生影响。      

空间流体回路单点恒温控制方案

空间流体回路的载荷支路来流温度在一定范围内随机变化,需采取有效热控措施消除来流温度变化对回路单点位置处恒温工作载荷的热影响.传统电加热方式需要额外能耗并且会产生废热,本文提出一个PID控制下的冷热回路交混控温方案,在充分利用工质吸收的废热、提高机柜内能源利用率的同时,实现对恒温设备冷板入口温度的精确控制,以满足冷板上载荷的恒温工作需求;设计流体回路组成与控制方案,并通过仿真分析对方案进行了验证.结果表明,该流体回路系统可以满足对来流温度的高精度控制要求,且相比于PID控制算法,模糊PID的控制效果更好,具有响应快、超调量小、控制精度高等特点,应优先选择模糊PID作为控制算法.      

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

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。     

卫星热控系统的动态特性建模与仿真

受控对象的动态特性是卫星热控系统设计的基础,为了更加简便地进行卫星热控系统的动态特性计算,根据卫星各部分的温度变化特点及它们之间的热量传输关系,将其划分为外壳、辐射器、舱内环境、关键仪器设备以及相变蓄热装置5个集总参数热控环节,建立起各热控环节温度变化的数学模型.应用这一模型可以十分简便地计算内部热源强度及空间外热流变化时卫星各热控环节的温度变化趋势,其计算过程较常规的卫星瞬态温度场计算简单、方便,满足了对卫星热控系统进行仿真研究和控制策略优化的迫切需要,这对发展各种主动热控制技术来说具有尤其重要的意义.     

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。     

空间两相环路热控系统的动力学特性

针对两种典型的两相环路热控系统——毛细力驱动的平板型环路热管和机械泵驱动的两相环路热控系统(硅微条探测器控温系统, TTCS)展开讨论, 分析其工作原理, 介绍地面测试实验系统, 使用SINDA/FLUINT和Maltab/Simulink软件分别建立其动态模型. 研究结果表明, 平板型环路热管和TTCS均存在启动问题; 平板型环路热管运行时可能有较严重的稳定性问题, 而TTCS的稳定性相对较高; 重力对平板型环路热管的性能有较大影响, TTCS受重力的影响不大; 双通道平板型环路热管可以比单通道环路平板型环路热管有更优异的传热性能, 而TTCS的双辐射器结构可以有良好的流量和热量自调节能力. 在选择两相环路热控系统时, 需考虑热源的分布特点、寿命要求、控温要求以及系统尺寸和质量等因素, 这两种两相热控技术未来可交叉借鉴、优势互补.