环路热管在低温真空环境下的控温性能试验研究

针对某航天遥感器CCD器件在轨全寿命周期±2℃的控温要求,文章设计了一种采用陶瓷毛细芯的控温型环路热管。相比常用的金属毛细芯,陶瓷毛细芯具有更广的工质/壳体相容性、更高的开孔孔隙率、更低的导热系数和更小的孔径。上述优点使陶瓷毛细芯环路热管具有更高的运行效率和可靠性。文章通过低温真空试验验证了这种环路热管模拟空间环境下的启动和控温性能。该环路热管在储液器21.4℃、冷凝器–50.7℃的低温大温差条件下成功启动,在恒定驱动功率80W/70W/60W和交变功率30W/60W加载下,蒸发器九个冷板控温精度分别可以达到±0.4℃和±0.5℃。控温型陶瓷毛细芯环路热管可以满足分布式间歇工作多热源系统的精确控温,具有非常广阔的在轨应用前景。文章结论可为控温型环路热管在轨应用提供参考。     

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。     

制冷机与深冷环路热管集成系统传热特性试验研究

基于红外探测器光学敏感元件深低温热控需求,开展了脉冲管制冷机和氮工质深冷环路热管集成系统的传热特性的试验研究。文章针对单脉冲管制冷机和单氮工质深冷环路热管的集成系统(单回路),进行了深冷环路热管超临界启动特性、传热能力、漏热量及隔离机械振动特性的试验研究;针对双脉冲管制冷机和双氮工质深冷环路热管的集成系统(双回路),进行了正常运行模式、无缝切换模式、故障切换模式及共同运行模式的试验研究。试验结果表明,该集成系统可以满足未来红外探测载荷光学敏感元件深低温热传输及排散的需求,并有效隔离制冷机机械振动的影响。     

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。     

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。     

热管技术简介

热管的概念早在1942年就提出来了,但直到60年代初它被用于航天器上的热离子交换器,人们才对其良好的特性有所认识,并开始重视其研制工作。 简单的热管就是一根密封着的管子(一般为金属管,如铝、不锈钢和铜管),管内有一定量的液态和气态工质(如氨、甲醇和水)。管子在整个长度上均设有毛细结构。毛细结构可以是简单的轴向槽(目前的卫星所用的热管大多数都采用这种结构),也可以是形状较复杂的槽或由金属管构成的     

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。     

多热源工况下燕尾形轴向槽道热管的热响应特性

建立了燕尾形轴向槽道热管应用于多热源时的瞬态传热及流动的理论模型并进行了数值求解,研究了该型热管应用于多热源时从启动开始直到达到稳态过程中,壁面温度、弯月面毛细半径、液体速度的实时变化。结果显示：毛细半径沿轴向单调递增;蒸发段有热源与无热源的连接处的温度阶跃变化;在蒸发段热源处,液态工质流速变化激烈,在蒸发段无热源处,液态工作速度变化比较平缓;同时,开展了热管瞬态特性测试实验,实验测量值与数值计算值符合较好。     

环路热管启动性能实验与分析

通过一系列环路热管的启动地面实验测试,发现了环路热管蒸汽槽道和液体干道中不同气液分布情况下的启动现象,揭示了环路热管的启动过程,研究了蒸发器内气液分布、储液器和蒸发器的相对位置以及不同的启动功率对环路热管启动特性的影响。为环路热管在空间应用提供了重要依据。     

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。     

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。     

钠热管传热极限过渡数值模拟分析

钠热管在空间核电源领域具有广泛应用。文章以2 m长钠热管为研究对象,通过引入动量源项描述毛细力,模拟钠热管遭遇不同传热极限过渡时管内的相变流动过程。钠热管在主要工作温度范围内,主要受到黏性极限、声速极限、夹带极限和毛细极限的影响,因此存在3个过渡点。模拟分析结果表明：黏性极限与声速极限过渡时,热管蒸发段未出现液体团聚和蒸气阻塞现象;声速极限与夹带极限共同作用时,既出现了蒸气阻塞和液体夹带现象,又伴随着新的液体堆积现象;夹带极限与毛细极限共同作用时的现象与各自单独发生时的现象都有所区别。文章研究结果可用于深入理解钠热管工作机理和优化设计,为更加高效的空间核电源系统设计提供科学参考。     

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。     

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。     

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。     

空间大功率热排放系统设计

根据空间大功率热排放系统的要求,参考美国航天局提出的双翼热管式辐射散热器,提出了在结构上改进的热管式辐射散热器.总体设计为四翼对称式辐射散热器,四翼均为相同独立工作.散热器由主回路管道、泡沫碳换热器、热管和散热板四部分组成,主回路管道选取钠钾合金为工质,换热管选取水为流体工质.系统废热通过钠钾合金冷却回路传递到泡沫碳换热器,泡沫碳换热器再传递给水热管辐射板,通过辐射换热释放到太空.对热管散热器进行了结构设计以及初步热设计,为大功率深空探测器热排放系统提供了最优的设计结构及参数.     

液氧／甲烷的膨胀循环发动机

提出液氧/甲烷的膨胀循环发动机的概念.介绍利用甲烷的焓-熵图进行涡轮泵功率平衡和涡轮工质循环的计算.研究该种发动机的参数范围.讨论该发动机的实现的可行性.     

深冷环路热管传热性能研究

通过实验,从超临界启动特性、传热能力、周期性载荷适应能力等方面,对自行设计的一套小型深冷环路热管进行了研究,并对实验现象进行了描述与分析。结果表明该深冷环路热管能够顺利完成超临界启动过程,且副蒸发器功率越大,主蒸发器降温越迅速;完成启动后主蒸发器具有独立运行能力,主蒸发器独立运行时具有12W×0.5m的传热能力;该深冷环路热管对周期性载荷具有很好的适应能力。     

硬X射线调制望远镜卫星深冷热管设计及试验研究

针对硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星低能探测器(CCD)的散热需求,开发了一种乙烷工质深冷槽道热管。在传热性能测试设备中,采用抽真空方式,对深冷热管的传热性能及最大热流密度进行试验。结果表明:所设计的乙烷工质深冷槽道热管在-80℃时最大传热能力不小于18W·m,热管最大传热温差3.2℃,满足低能探测器晶体的散热需求;深冷槽道热管设计过程中,应考虑气液剪切力对最大传热能力计算结果的影响。该设计可为其他工质深冷槽道热管的设计提供参考。     

速度突变状态下高温热管的毛细极限与性能分析

基于一种已有的V型高温热管结构,对速度突变状态下高超声速飞行器高温热管的毛细极限与性能进行了仿真分析。推导了加速作用下热管的毛细极限方程,讨论了在典型方向上存在加速度时热管的工作性能,并提出了对热管结构设计改进的建议。