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。     

高分七号卫星激光测高仪热设计及验证

针对高分七号(GF-7)卫星激光测高仪的热设计任务需求,采用被动热控和基于环路热管的毛细泵驱流体回路技术,解决了光机结构高精度控温以及后光路组件热量收集、传输和排散的难题。在轨飞行数据表明:激光测高仪热控系统为光机系统成像和激光器工作提供了良好的温度条件;基于环路热管的毛细泵驱流体回路,实现了头部电子设备、4台激光器、后光路电子设备等多点热源热量收集、传输以及高精度控温。     

储液器在被动式热交换下环路热管的热性能研究

环路热管是应用于航天器、航空器、舰船等设备的新型换热器件,热性能是评价环路热管的主要性能参数。通过试验和系统级数值模拟研究了当储液器处于自然对流的被动式热交换时,环路热管在不同冷源温度下的温度分布特性和换热性能,说明环路热管总热阻和冷凝器利用率受冷源温度的影响规律。环路热管存在可变热导和固定热导区:在可变热导区,环路热管总热阻随热负荷的增大迅速减小,而升高冷源温度有助于降低总热阻;进入固定热导区后,总热阻则趋于稳定。蒸发器换热系数随着热负荷的增大先增大后减小,但其变化幅度在冷源温度较高时明显减弱。     

基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器设计

航天器废热排放问题是制约其有效载荷容纳量增长的主要因素。文章针对目前可折叠辐射散热器折展比低的问题,设计基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器,提出了一种基于对称六连杆Waldron机构设计的高折展比折叠方案,采用柔性环路热管作为热量收集和传递单元,实现辐射可动板间的柔性连接。通过对1/8等比样机的仿真数值模拟和试验研究,分析了基于环路热管的可折叠辐射散热器的传热特性。研究结果显示：该样机最大可传输200 W热量,展开后可获得更大的散热面积。     

高效深低温热收集与热传输技术

以深冷热管、深冷环路热管等为基础的深低温热收集与热传输技术主要用于军用天基红外探测、对地观测及天文卫星中光学仪器的冷却及深低温制冷系统的低温废热排散。本文介绍了国外从深冷热管、深冷环路热管等基本传热元件的研制到系统集成试验、飞行搭载，成功应用于航天器深冷热控的发展情况。还简单介绍了我国在该技术领域的发展现状，提出了面临的技术挑战和任务。     

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。     

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。     

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。     

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局，提高流体回路的散热效率，降低流体回路温度，本文基于(火积)理论，分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明，排散相同热量时，流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好，流体回路散热过程(火积)耗散越小，系统散热过程越优。进一步，对于2个辐射器的情况，分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流，对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明，辐射器与流体回路串联时，系统散热性能要优于两者并联，系统的流体温度水平最低，结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。     

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。     

平板蒸发器环路热管的性能研究

作为一种新型的热控元件,环路热管依靠其可靠性高、传热能力强和等温性好等特性,能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,因而被广泛地应用于卫星、飞船及电子产品等的热控。特别是具有平板蒸发器的微型环路热管具有很广阔的应用潜能。文章建立了环路热管运行的热力学和动力学模型,在此基础上用C++程序语言设计了相应程序,对某给定环路热管进行了热力特性计算。研究表明,蒸发器内部的压力降在环路总压降中占主导地位。     

基于机械泵控制的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统仿真分析

文章分析用于空间环境下的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统原理,通过节点网络法建立该热控系统4节点热网络模型;运用数值仿真方法,以机械泵为控制对象,对该系统分别采用PID控制和模糊增量控制方案的热控效果进行对比。结果表明,模糊增量控制与PID控制相比,超调量较小且达到稳态时间短,具有良好的控制鲁棒性。     

热管技术在航天器热控制中的应用

热管技术在航天器等温化、热传递、散热和仪器设备热控制等方面具有广泛应用。文章介绍了热管的工作原理、分类及热控制应用考虑的因素;评述了热管技术在国内外航天器热控制中的应用进展;指出了热管技术进一步发展的方向。发展新型热管和提高热管传热能力将是今后热管技术的研究重点。     

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。     

嫦娥一号卫星热控设计中热管的应用及验证

为克服由于月球热环境的特殊性给热控设计带来的困难,尤其是卫星度过月食的极端状态条件,首次采用了舱外两舱热耦合热管、相变材料热管技术,为最终嫦娥一号卫星热控状态满足总体的技术要求发挥了关键作用。由于两舱热耦合技术的采用,两舱的热能量得到了相互补偿,因此减少了整星散热面,减少了热补偿功率需求,提高了月食结束时蓄电池的温度,使热控技术方案成为相对优化的方案。文章对热管技术在嫦娥一号卫星热控设计中的应用进行了总结,并给出了热分析及热平衡。     

先进太阳能热动力系统单元热管吸热器仿真分析

研究的目的是验证热管吸热器有良好的热性能。通过对先进太阳能热动力系统单元热管吸热器进行数值仿真,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,并把仿真结果同NASA计算结果进行了对比。分析结果表明,热管吸热器由于热管良好的导热性和理想的等温性,热管在轴向的温差很小,这就使得热管在不同位置上的容器内的PCM都能同步、均匀的熔化;另外热管吸液芯的正常工作使得热管周向温度分布均匀,从而避免热斑现象;热管吸热器由于热管在轴向和周向上良好的等温性,在阴影期末,各蓄热容器内的PCM能够同时凝固,并最终达到完全凝固,从而避免热松脱现象。因此,热管吸热器提高了系统的效率,能避免热斑和热松脱现象。     

回路热管工作温度的控制方式

对比传统直热管,回路热管具有启动迅速、传输距离远、热量大、温差小等优势,但在实际应用中,如在航天器热控、电子元器件散热等场合,又会对回路热管工作温度的精确控制能力又提出新要求。对此要求,文章主要介绍几种目前已经使用以及研发中的回路热管工作温度的主动控制方式,并且比较了它们各自的优缺点。     

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。     

载人航天器的可重构式控温回路系统设计

文章提出了载人航天器的可重构式控温回路系统,它由独立的中低温内外回路系统组成,可改善低温内回路由于控温点温度较低而对辐射器散热能力带来的影响,还可在某个外回路辐射器故障时进行系统重构,维持回路功能。建立了控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式下和某外回路故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和载人航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,双外回路系统比单外回路系统散热能力高27%。当双外回路中某回路故障时,通过系统重构,外回路系统可维持1850W散热能力,能保障载人航天器平台安全,表明可重构式控温回路系统能提高系统可靠性。