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。     

液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

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。     

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。      

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件（CCD）,采用基于环路热管（LHP）的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。     

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。     

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.      

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。      

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.      

环路热管内工质流动特性的研究

由于环路热管（LHP）具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点，使LHP在航天热控领域有着广泛的应用前景。文章对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算；对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测，并结合实验研究综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。     

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。      

环路热管复合芯传热与流动特性分析

环路热管是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一,而高性能的毛细芯是其高效可靠运行的保证.为不断提升毛细芯的综合性能,目前毛细芯由单一结构向着复合结构发展.建立了圆柱型蒸发器环路热管应用的双层复合结构毛细芯的数学模型,对其传热与流动特性进行了分析,重点考察了热载荷以及复合芯内外层厚度比的影响,并同单一结构的毛细芯进行了比较.分析结果表明:复合芯在获得高的毛细抽吸力和蒸发效率的同时,可实现低的流通阻力与径向热导,其传热与压降特性明显优于单层芯,是高性能毛细芯的发展趋势;当复合芯的整体尺寸一定时,复合芯内外层的厚度比越大,复合芯的径向热导和流通阻力越小,有利于提高环路热管的运行性能.     

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。     

热电致冷器和毛细泵驱动的小型热公用回路

适合卫星应用的小型热公用回路,可以实现发热设备在星内立体布局,摆脱对散热面的依赖,使卫星的集成度提高,满足大型有效载荷按功能集成后的散热需要。用毛细泵代替机械泵,可以实现无运动部件的高可靠、长寿命、适合卫星应用的小型两相热公用回路。该回路需要对毛细泵主动加热促使工质流动,需要消耗一定的功率。如何降低毛细泵的功耗,是毛细泵驱动的热公用回路实用化的关键。理论和实验证明,热电致冷器在小温差下有较高的热泵系数,用热电致冷器加热毛细泵比直接电加热更经济。     

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。      

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。     

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。      

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.