多回路耦合CPL系统瞬态特性的实验研究

包含有毛细力驱动两相流体回路的多流体回路耦合系统将会成为未来大型航天器热管理系统的重要组成部分。目前国内外针对单个毛细抽吸两相流体回路(CapillaryPumpedLoop,CPL)的基础研究和应用研究已经进行的非常深入。建立了与两个液态水单相流体回路直接耦合,与两个空气通风回路间接耦合的多蒸发器CPL系统,并通过实验对该系统的瞬态运行特性进行了研究。不仅验证了系统的可行性,而且与单个CPL相比,针对多回路耦合CPL系统的实验更加侧重于系统整体的协调运行特性,体现出了某些独特的运行规律。     

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。     

CPL系统温度波动现象分析

即使在稳态运行时，两相流体回路系统也经常会发生压力振荡现象。压力振荡会影响系统内部工质的运动，从而使系统各个部位的温度也随之波动。引起压力振荡的原因比较复杂，其中除了两相系统固有的不稳定特性外，由于它们对温度边界条件变化非常敏感，边界温度周期性波动同样会引起系统发生压力振荡。建立了一个毛细抽吸两相流体回路（CPL）实验台，通过实验观察了系统的温度波动现象，同时分析了引起系统发生温度波动的部分重要因素。分析结果表明，贮液器的控温偏差是引起CPL系统产生周期性温度波动的一个重要原因；蒸发器发生失效后，两相流体自身的不稳定性总会引起系统产生温度波动现象。     

载人航天器主动热控系统热负荷布局优化

针对典型的含有低温内回路、中温内回路和外回路的载人航天器主动热控单相流体回路系统,研究了给定温度的热负荷布置在低温或中温内回路对系统总质量的影响,给出了根据热负荷温度和功率进行布置的原则。根据系统质量的数学模型和能量平衡关系,采用Lagrange乘子法对热控系统进行了轻量化建模和求解。结果表明,存在一个热负荷的临界温度使两种布置方案系统的总质量相等：热负荷温度低于该临界温度时,布置在低温内回路可使系统总质量更小,反之应当布置在中温内回路。热负荷布置在低温内回路还是中温内回路需要根据其温度和功率来选择。最后,对热负荷布置原则从换热温差分配的角度进行了定性上的分析。     

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。     

嫦娥四号着陆器月夜热电联供系统设计与验证

为了实现嫦娥四号着陆器在月球表面长期生存并完成月夜阶段温度采集任务,研制了一套高效的月夜热电联供系统。该系统主要由同位素温差电池(RTG)和两相流体回路组成。RTG发电废热在其端面集中排散,两相流体回路通过平板式蒸发器与RTG安装连接,收集热量传输到舱内。通过地面试验对系统功能进行了初步验证,试验中两相流体回路启动、断开正常,运行稳定。在轨飞行结果表明,该系统工作正常,实现了93%以上同位素核热源的热量用于温差发电器产生电能,并且收集了67%的发电废热用于舱内平台设备控温。     

带环向槽环路热管主芯中流动和传热的数学模型和数值模拟

蒸发器是环路热管中最重要的部件,蒸发器主芯中的流场是设计中关注的焦点。建立了一个轴对称二维数学模型来模拟流体工质在圆柱形蒸发器主芯中的流动、传热和蒸发现象。模型充分考虑了流场和蒸发界面间相互作用对于蒸发界面的位置和孔隙中弯曲液面曲率半径的影响。模拟了瞬态和稳态流场,并研究了热负荷的影响。模拟结果在一定工况下是合理的。     

多舱耦合流体系统在功耗调配模式下的模拟分析

结合某种航天器,设计了一种多舱耦合的集成式热管理的流体回路系统。介绍了该系统的结构和功耗调配模式、流体回路热耦合方式,运用商业软件SINDA/FLUINT建立回路的流体和热模型,对不同功耗调配模式下流体回路不同热耦合方式进行分析。模拟结果表明,该回路最佳的工作模式为中、低温功耗调配与中温回路热耦合相结合,在这种工作模式下,调配效率可保持在η≈1,即功耗调配量与热耦合的传递热量总能近乎相等。     

辐射器展开角度对航天器热控能力影响的研究

为了在有限的结构尺寸下提高航天器热控系统的散热能力,提出与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案,建立可展开式辐射器空间散热模型,分析辐射器不同展开角度下系统的热控特性。结果表明,随着辐射器展开角度的变化,辐射器吸收的空间热流也随之发生变化,并最终决定热控回路的流量分配。在工程应用中,基于热控流体回路,通过调节可展开式辐射器的展开角度,可以有效提高航天器热控系统的能力范围。     

一种可主动控制工作温度的低温回路热管

低温回路热管是一种应用前景广阔的航天器热控设备。为了利用低温回路热管实现航天器低温部件的主动控温,进行了低温回路热管传热性能试验,并对试验中发现的低温回路热管控温性能进行了理论分析,进而对现有低温回路热管的结构进行了改进。改进后的低温回路热管能够在全功率范围内保持系统温差（主蒸发器与冷凝器温差）恒定,并能通过调节储液器上的加热功率,实现一定温度范围内的主动温度控制,使低温回路热管具有了毛细泵回路的控温功能。     

多支路并联流体回路流量分配影响因素分析

多支路并联流体回路热控技术在载人航天器上获得了广泛应用。外热流、重力场和管路阻力特性等因素会影响流阻，进而影响流量分配和散热能力，这可能会造成工质冻结并引起回路失效，威胁航天器安全，因此亟需针对影响流量分配因素开展分析。基于梦天实验舱6条并联流体回路建立简化模型，分别研究外热流、重力场和管路阻力特性对流量分配的影响，发现辐射散热带来的工质物性变化会导致各支路流量分配不均，外热流变化带来的回路散热量增加，以及重力场存在会加剧流量分配不均匀性。另外，回路在设计和运行时都要避免工质温度进入黏度剧烈变化区域，否则各支路流量容易受外部环境变化影响而发生较大波动。     

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。     

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。     

平板式小型环路热管的实验研究

设计一套蒸发器尺寸为74 mm(D)×14 mm(H)的平板式小型环路热管(mLHP),工质为甲醇,冷凝方式采用冰水混合物冷却,研究其换热性能。实验表明,该环路热管能够实现重力和无重力辅助启动。倾角为18 °、充灌率为60%时,热负荷从20 W增加到140 W,整个环路热管热阻从2.58 ℃/W减小到 0.44 ℃/W 。无重力辅助启动时,mLHP能够散去130 W的热量而壁面温度低于80 ℃。当热负荷一定, 无重力辅助启动时的蒸发器壁面温度高于重力辅助启动时的壁面温度。在保证系统启动的工质裕量前提下,减少工质充灌量有利于降低蒸发器壁面温度。mLHP运行存在低热负荷区和高热负荷区,在低热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加降低;在高热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加升高。     

单相流体回路安全性设计

结合国内外单相流体回路设计的一些经验和方法,从单相流体回路系统安全性设计的角度,重点介绍利用回热换热器进行流体回路工质防冻的原理、采用真空脱气技术在工质加注前进行工质处理的方法、利用膨胀节等部件进行系统压力控制的方法以及流体回路防静电设计方法,并给出了设计实例。对提高深空探测器、空间站等长寿命、复杂工况下流体回路系统的设计安全性和可靠性具有一定的参考价值。     

微泵驱动流体回路主动热控系统在轨测试试验研究

简要概述了"浦江一号"卫星流体回路系统的设计方案和地面测试试验情况,并在此基础上详细介绍了在轨开展的流体回路系统的开环和闭环控制测试,以及微泵A和微泵B的长寿命测试。在轨测试结果表明:微泵驱动流体回路系统各部组件满足空间环境使用要求;系统软、硬件在轨各项性能长期稳定良好;流体回路系统可以实现航天器热量的快速收集与传输,具有灵活的热管理能力。     

载人航天器主动热控制系统流体回路的优化设计

载人航天器一般采用主动热控制技术为主的热控制系统,废热的排散主要通过泵驱动单相流体回路。分析了主动热控制系统的主要设计任务,如系统方案、工质的选择、回路部件的选型、系统参数的确定、控制算法等;提出了主动热控制系统方案及参数选择应满足适应性要求、安全性要求、可靠性要求以及经济性要求,指出主动热控制系统的设计是一个以系统总体质量最小为目标的约束优化问题,并讨论了优化设计的思路与实现流程。最后基于一个具体的设计案例对设计方法进行了验证。     

低温推进剂热分层研究

通过详细分析热分层产生的机理,阐述了低温流体热分层所引起的流体温度分布、气液界面现象以及箱体压力增加过程。对有关流体热分层的试验研究以及数值模拟的文献进行了整理;对不同低温流体工质、箱体初始设置参数及尺寸参数、箱体形状、壁面曲率大小、壁面是否加肋片以及箱体晃动旋转等对热分层的影响进行了分类总结;对不同热分层数学物理模型进行了系统对比。介绍了不同重力水平下,流体流动状态与热分层的关系。归纳了有关热分层现象的一些重要结论,阐明了我国在该领域开展研究的必要性。最后指出低温流体热分层对推进剂箱体优化设计及安全运行的重要意义。     

与流体回路耦合的空间辐射器流动/传热分析

流体回路作为一种主动热控技术,在载人航天器及空间站上发挥着重要的作用。作为航天器的对外散热界面,辐射器与流体回路之间往往存在直接热耦合关系。在进行简单理论分析的基础上,针对载人飞船的圆筒形辐射器,实现了流体回路与辐射器流动/传热及外热流计算的集成分析,反映了典型工况条件下辐射器的温度水平及外热流对流体回路流量分配和控温过程的影响。     

平行微细通道内流动沸腾换热的重力无关性研究

为验证微细通道内流动沸腾散热技术在空间的适用性,用实验方法研究了平行微细通道内流动沸腾换热的重力无关性。搭建了两相流体回路系统,设计了水力直径0.91mm、倒梯形截面的平行微细通道铜基热沉,通过电火花腐蚀技术在铜基加热器表面刻蚀制作微细通道,两者集成一体。由实验分析了-90°~90°不同重力倾角下微通道内的流动沸腾特性。结果发现:不同流量下不同重力倾角的微细通道的沸腾曲线基本吻合,临界热流值基本一致,表明微通道不仅强化换热能力,而且削弱了重力对沸腾换热的影响。实验结果处于文献中Bo准则和Fr准则的重力无关性区域内,验证了微细通道内流动沸腾换热具一定程度的重力无关特性,地面上测得的微通道内流动沸腾换热系数和临界热流等实验数据能安全有效用于空间环境的热控设计。