液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究

空间二维指向机构与红外探测器配合,有利于实现对空间目标大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能。将深冷环路热管（CLHP）与二维指向机构耦合,可以大大降低系统机构的复杂程度,实现远距离热传输,提高探测精度和转向灵活性。为此,设计研制了液氮温区二维指向CLHP。对设计流程和部件参数进行了介绍,通过伺服电机驱动实现了俯仰、偏航±90°以上的转动。通过开展热真空实验,研究了不同工作参数对超临界启动和传热极限的影响。结果表明：所设计的系统具有最大13 W的传热能力,适当提高充装压力有利于提高系统的稳定性和传热能力,增大次蒸发器辅助载荷有助于提高最大传热能力。     

负压式平板型环路热管试验

为解决高热流密度电子器件的散热问题,设计了一套负压式铜 甲醇环路热管,其蒸发器设计成平板型。研究表明,该平板型环路热管具有较高的散热能力,能够在无重力姿态和重力姿态下顺利启动。当重力倾角分别为0°、18°和30°,热负荷为160W时,蒸发器壁面温度分别达到85.8℃、66.3℃和64.6℃。按照环路热管启动状态,其启动过程可分为3个阶段：加热阶段、预启动阶段和后启动阶段。在低热负荷区域,环路热管会出现温度波动现象。增大重力倾角,有利于降低蒸发器壁面温度和热阻。当重力倾角为30°,热负荷从10W递增到160W时,环路热管的热阻从4.97℃/W降低到0.39℃/W。     

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。     

环路热管蒸发器毛细芯传热流动特性的一维分析

文章通过对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的两种蒸发状态——表面蒸发状态、汽膜蒸发状态的分析，对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算，理论计算表明：在毛细芯正常工作状态下，液体在毛细芯中的蒸发属于表面蒸发，只有在进口液体存在过冷度时，汽膜蒸发才有可能存在。另外，文章还对毛细芯的壁厚、毛细芯的导热系数、进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响进行了讨论。     

双储液器环路热管的设计与实验研究

设计了一套双储液器环路热管以解决其重力场中运行受方位限制的问题,介绍了通过储液器体积和工质充装量的匹配设计避免最难启动情形发生的方法,并进行了相关的实验研究。实验验证了双储液器环路热管重力场中运行不受方位限制的特性,并且发现,在可变热导区的一定的热载荷范围内,双储液器环路热管在不同姿态下稳态运行温度不相同,而其他热载荷区域内却基本一致。文章分别从储液器能量平衡和回流液体过冷量有效利用率的角度进行了分析和解释。     

环路热管温度波动现象的实验分析

对实验中观察到的环路热管温度波动现象进行了描述和解释.实验发现,较小热载荷和较大热载荷下环路热管容易出现温度波动现象.对于蒸发器充满液体的启动情况,小热载荷启动容易出现毛细芯内的工质蒸发现象,芯内蒸发继而引起冷凝器入口处的温度波动,并且最终导致可变热导区的稳态工作温度偏高.冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容积的不匹配,冷凝器出口的温度波动可以通过对工质充装量的控制来避免.     

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。     

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究,重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现,容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下,能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管,蒸发器和补偿器之间相变换热强烈,引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动,且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快;随着充装量增加,环路热管传热热阻减小,280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端,得到280 K以下最大传热量为40 W,对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下,补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端,随着充装量增加,环路热管传热热阻增大,280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量,这是充装量影响环路热管性能的重要原因。      

环路热管地面实验平台的热设计

文章旨在建立环路热管的地面实验平台,模拟环路热管在太空轨道运行的热环境。首先建立了地面实验舱的物理模型,对其如何实现在地面模拟太空中该环路热管的热环境进行了热分析计算,其次确定了满足环路热管轨道运行最冷工况和最热工况下的实验舱的壁面温度,最后对实现该轨道环境所需要的壁面绝热材料、制冷剂、制冷设备进行了选择,初步完成了实验平台的热设计。计算结果表明,在同时考虑舱内对流和辐射换热的条件下,要实现空间热边界条件,实验舱内舱的壁温要保证在-62.1~-10.9℃之间变化。     

加速度作用下环路热管工作特性实验

针对单储液器环路热管在过载加速度作用下可能出现的温度波动甚至无法运行的问题,基于恒加速度离心机系统,建立了双储液器环路热管(DCCLHP)工作特性实验台,实验研究了双储液器环路热管在重力场稳定运行后再施加过载加速度时的工作特性,分析了不同加热功率、不同加速度大小和方向对其运行性能的影响.结果表明,双储液器环路热管在加速度为7g时仍可达到稳定工作状态,加速度作用导致其稳定运行温度低于地面重力场的温度,且随加热功率和加速度不同,运行温度降低程度不同;加速度方向沿储液器2指向储液器1时其达到稳定状态所需时间比其反方向时更短.实验还观察到了加速度作用下冷凝器出口和液体管线出口温度波动现象.      

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。      

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

Experimental study on drilling basalt with self-vibratory drilling head

Based on the goal of improving the rock breaking ability when drilling asteroid rock samples under limited energy conditions, this paper proposes a method of drilling rock using self-vibratory drilling head and develops a small self-vibratory drilling head for drilling rock. In order to analyze the dynamic characteristics of drilling rock with self-vibratory drilling head, a rock model hypothesis that the rock consists of a series of micro-segment uniform continuous media is put forward. Base on the hypothesis, the model of drilling rock is constructed, the stability lobes diagram of self-vibratory drilling head drilling basalt is plotted, and the energy mechanism of drilling rock system with self-vibratory drilling head is discussed. The comparison tests of drilling basalt by three kinds of self-vibratory drilling head with different spring stiffness and the conventional method are carried out. The rotational speed is a variable in the comparative tests. The test results show that under the specific rotational speed and spring stiffness, self-excited vibration is produced in self-vibratory drilling head drilling basalt. When self-excited vibration drilling is conducted, although the amplitude fluctuation range of the drilling thrust force is wider than that of conventional drilling, the average drilling thrust force is smaller than the conventional drilling. The amplitude of drilling thrust force increases with an increase in spring stiffness. The method of drilling rock by self-vibratory drilling head is proved to be a potential method for viable drilling of asteroid rock samples.     

矩形通道中亚尺度肋片的流动换热数值分析

对装有不同结构亚尺度肋片矩形通道的流动和换热进行了数值模拟,获得了通道流场、温度场分布以及平均努塞尔数的基本特征,对各种肋片通道的换热特性进行了对比分析.计算结果表明:亚尺度肋片距主肋片根部越近越有利于散热;在远离热面区域,亚尺度肋片的比表面积越大传热效果越好.当扩展表面积相同时,亚尺度肋片的长宽比越大换热效果越好;计算结果及分析揭示了控制肋片最优几何形状的统一原则——广义温度梯度均匀化原则,并依照此原则确定了可以强化换热的较优的肋片结构.计算分析表明广义温度梯度均匀化原则可以控制对流换热过程的传热强化.      

Experimental study of impact-cratering damage on brittle cylindrical column model as a fundamental component of space architecture

The cylindrical column of brittle material processed from soil and rock is a fundamental component of architectures on the surface of solid bodies in the solar system. One of the most hazardous events for the structure is damaging by hypervelocity impacts by meteoroids and debris. In such a background, cylindrical columns made of plaster of Paris and glass-bead-sintered ceramic were impacted by spherical projectiles of nylon, glass, and steel at velocity of about 1–4.5 km/s. Measured crater radii, depth, and excavated mass expressed by a function of the cylinder radius are similar irrespective of the target material, if those parameters are normalized by appropriate parameters of the crater produced on the flat-surface target. The empirical scaling relations of the normalized crater radii and depth are provided. Using them, crater dimensions and excavated mass of crater on cylindrical surface of any radius can be predicted from the existing knowledge of those for flat surface. Recommendation for the minimum diameter of a cylinder so as to resist against a given impact is provided.     

旋转方位角对斜肋通道内部流动与换热的影响

数值模拟了静止及旋转状态下径向出流60°斜肋通道的内流动与换热分布,研究了3种旋转方位角:0°,-45°及+45°.分析了哥氏力与肋片对旋转通道内流及换热的耦合作用机理.计算结果表明:旋转方位角对通道的内流与换热影响显著.在0°旋转方位角下,通道前后缘的换热差异最大;在-45°方位角下,通道整体换热性能最差;在+45°方位角下,通道具有最佳的整体换热性能.     

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。