（工程热物理专业论文）可展开式热辐射器技术.pdf

摘要 g 前，我国研制并投入使用的备羊申卫星均仅以自己的蒙皮作为辐射器用，在 设计与制造过程中已越来越感到辐射器面积过小，已不能满足卫星所需的散热溪 求。 同时，针对各种后续卫星及其后续型号，b 于撼载设备多、测：蛩精度要求离， 必须通过热控技术的进步以提高系统的主动调节能力，改善温度条件，提高p 攫 整基魏可纛链，嫖证星羧设备捷用蕊可靠性穰禧缕馊，霆长卫氅寿念。 因此，与风石三号臣璺的研制糨结合，本课题开展了对可展开式热辐射秣从 理论、设计、试验到完成工程样机的整套研究工作，而这一研究二】：作在国内尚 震首次开震。 鉴于对热管及回路热管l h p 、罨镪抽吸两相凰路c p l 已有的大量研究和成 功运用，以及对各研究中或使用中的可展开式热辎射器的参考和分析，确定采用 以由柔淫秘辩譬爨组残款l h p 热矮竣系缓与可矮燹= 式辏射扳耪结合弱热控技拳 为研究和研制的重点，并有如下的关键控术： 柔性l h p 的研究：聚用柔性材料或柔性结构，嘲路长度大于3 m ，传热能力 弱1 5 0 w ，能完袋9 g 。1 8 0 。熬旋转； 叮展开式热辐射板：鼹备预紧、解锁、展开和锁定功能： 黍性l h p 与可展开式热辐射板的热羯台：特指l h p 回路和辐剜。板问的热最传 递，强路魏滠差爱冷凝器与疆袈蔽的潺羞矮被控露l 在3 以内。热藕合接零燕熬 个可展开式辐射器的个关键所在，涉及到辐射器的热容量设计、焊接技术、导 热技术等，如果热偶合性不良，既使l h p 回路和辐射板都相当精良，各自的热 效应稷努， l 会霞整令系绞自空瓣辐瓣瓣传热麓力犬豁舞拓。 综上所述，通过对可展开式热辐射嚣技术的研究，增加了卫凰的散热面面积， 以满足卫星功率或耗能嫩度增大对散热的需要、提礴卫星的可靠性、提高卫星公 爝乎台豹逶寝能力、延长里星毒翕，为黢划中戆裹功率翌墅蒙受麓乎夤蓰供褰效 热控新措艚。 a b s t r a c t t h er a d i a t o r sa r eo n l yf o r m e db yt h es a t e l l i t ec o v e rn o wi no u rc o u n t r y ，s oi nt h e p r o c e s s o fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，i ti sd i f f i c u l t t o s a t i s f y t h ed e m a n do fh e a t e m a n a t i o nb e c a u s eo ft h et o os m a l lr a d i a t o ra r e a m e a n w h i l e ，t ot h ea l lk i n d so ff o r t h c o m i n gs a t e l l i t e st h a tm o r ee q u i p m e n t sa n d h i g h e rm e a s u r ep r e c i s i o na r ed e m a n d e d ，t h ea c t i v ea d j u s t m e n tc a p a c i t yo fs y s t e m m u s tb ee n h a n c e dt oi m p r o v e t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，t oe n s u r er e l i a b i l i t ya n dv e r a c i t y a n dt oe x t e n dt h el i f e s p a no f t h es a t e l l i t eb yt h e p r o g r e s so f h e a tc o n t r o lt e c h n o l o g y s o , t h ei n v e s t i g a t i o nt od e p l o y a b l er a d i a t o rb e g i n st od e v e l o pw i t ht h es t u d ya n d m a n u f a c t u r eo ff y - 3s a t e l l i t e ，w h i c ht h et a s ki n c l u d e st h e o r e t i cs t u d y , d e s i g n ，t e s t i n g a n d e n g i n e e r i n gs a m p l e o fc o u r s e ，t h i si n v e s t i g a t i o ni st h ef i r s ti no u rc o u n t r y h e r e i nag r e a tm a n yo fs t u d ya n ds u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fh e a tp i p e ，l o o ph e a t p i p e ( l h p ) a n dc a p i l l a r yp u m p e dl o o p ( c p l ) a n dt h er e f e r e n c ea n da n a l y s e st ot h e o v e r s e a si n v e s t i g a t i o no f d e p l o y a b l er a d i a t o r , t h eh e a tc o n t r o lt e c h n o l o g ya s s o c i a t e d f l e x i b l el h pw i t hd e p l o y a b l er a d i a t o ri sd e t e r m i n e dt ob et h ee m p h a s e s t h ek e y i t e m sa r ea sf o l l o w ： t h es t u d yo f f l e x i b l el h p ：f l e x i b l em a t e r i a lo rf l e x i b l es t r u c t u r eu s i n g ，m o r et h a n3 m e t e r sl o o p l e n g t h 6 0 1 5 0 w h e a t t r a n s f e r c a p a c i t y , 9 0 1 8 0 。t u b er o t a t i o n ； d e p l o y a b l er a d i a t o r ：p r e f a s t e n i n g ，u n f a s t e n i n g ，d e p l o y m e n ta n df i x a t i o nf u n c t i o n p o s s e s s i o n h e a tc o u p l i n gb e t w e e nf l e x i b l el h pa n dr a d i a t o r ：s p e c i a lm e a n st h eh e a tt r a n s f e r b e t w e e nt h el h pa n dt h er a d i a t o r t h el o o pt e m p e r a t u r ed i f f e f e n c em u s tb ec o n t r o l l e d w i t h i n3 a st h eo n eb e t w e e nt h ec o n d e n s e ra n dr a d i a t o r h e a tc o u p l i n gt e c h n o l o g y i st h ek e yo ft h ed e p l o y a b l er a d i a t o r , w h i c hi n v o v e si nh e a tc a p a c i t a n c ed e s i g n j o i n t i n gt e c h n o l o g y ，h e a tc o n d u c t i v i t y a n ds oo ns ot h eb a dh e a t c o u p l i n g c a n d e c r e a s et h eh e a tt r a n s f o rc a p a c i t yf r o ms y s t e mt os p a c e r i om a t t e rh o w g o o d t h el h p a n dr a d i a t o rp r o c e s sa v a i l a b i l i t y a b o v eo f a l l ，b yt h es t u d yt od e p l o y a b l er a d i a t o rt e c h n o l o g y , t h es a t e l l i t ee m a n a t i o n h e a ta r e ac a nb ee n l a r g e dt o s a t i s f yt h ed e m a n do fp o w e ri n c r e a s i n g ，t oi m p r o v e r e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo fp u b l i cr o o f a n dt oe x t e n ds a t e l l i t el i f e s p a ni na l lk i n d s o fs a t e l l i t e st h en e wt h e r m a lc o n t r o lt e c h n o l o g yp r o v i d e sal a t e m o d e la n dh i g h e f f i c i e n tm e a s u r ef o rl a r g e s c a l es a t e l l i t ea n d p u b l i cr o o f 第一章前言 1 1 、任务概况 空间热辐射器是卫星排热系统的重要组成部分。目前，我国研制并投入使 用的各种卫星均仅以自己的蒙皮作为辐射器用。 随著对以空间为背景的通信、商用卫星系统、特别是军用卫星系统的要求的 持续增长以及卫星小型化、大刊化和共用平台应用的发展趋势，星上器件的热 功率不断增大，共用平台的有效载衙大量增加，使得整星的耗能密度越来越大， 其排热问题也越趋严重。据统计，2 0 多年来，卫星的内部发热量增加了约1 0 0 0 倍 1 】。 同时，当卫星上载有大功率电子设备、大功率长寿命的动力系统、生命保障 系统以及某些制冷系统时，往往不仅必须设置专门的热辐射器，而且辐射器的散 热面积急需进一步扩展。 而针对实际运用中出现的一些现象，如某些在轨卫星运行时的温度比设计及 地面试验时的温度都偏高，现尚无法给予明确的解释。如运用了可展开式热辐射 器的话，当遇到整星温度偏高时，可打开辐射器以调整之，这无疑为保障卫星正 常工作又提供了一个有利的手段，无可否认对今厉的各商用、军用背景型号也是 夫有益处的。 因此，现有的蒙皮辐射器已不能满足卫星日益增长的散热要求，若再不扩 大辐射器的散热面积，则势必对今后高功率、商精度卫星及卫星平台的研制和发 展起消极作用。 针对各种后续卫星及其后续型号( 包括“十五”后期、及“十一五”规划卫 星：导弹预警卫星、第一代电子侦察卫星、海洋监视卫星、三星星座、第二代 s a r 星、大机动平台以及小：卫星) ，由于星载设备多、测量精度要求高，必须通 过热控技术的进步以提高系统的主动调节能力，改善温度条件，提高卫星整星的 可靠性，保证星载设备使用的可靠性和精准性，延长卫星寿命。 而作为卫星通用性、服务性的保障技术，热控技术理应提前一步走在前面， 及早地开展研发工作，为各背景型号提供成熟的、高效的新型热控技术。 综上所述，增加卫星的散热面面积，以满足卫星功率或耗能密度增大对散热 的需要，提高卫星的可靠性，提高卫星公用平台的适应能力，延长卫星寿命，为 规划中的高功率卫星或卫星平台提供高效热控新措施，使得可展开式热辐射器技 术成为热控系统的必然发展趋势。 因此，结合研制中的风云三号卫星，f 1 丁展开式热辐射器技术成为热控系统的 一个新的组成部分。 f y - 3 气象卫星是我国第二代极轨气象卫星，而可展开式热辐射器是热控分 系统的一个新的组成部分，增加了卫星的散热面面积，以满足卫星功率增大对散 热的需要，提高热控系统的适应能力。在总体及热控分系统设计的条件下，将星 上仪器、设备的散热通过可展j 于式热辐射器辐射到空间，并将其工作温度维持在 规定的范围内。 可展开式热辐射器以柔性回路热管l h p ( 或c p l ) 热控技术与可展开式辐 射板及其动作装置相结合，辅以两者相互耦合的技术方案，使主动热控的技术得 到更进一步的发挥，扩大并提高其使用的范围和价值，这一将两项领先技术相结 合的研制和实际运用在国内外尚属首次。然而，这其中也蕴涵了大量成熟的技术 和运作，如l h p 热控技术、辐冷器防污抛罩的电磁铁，扭转弹簧的预紧展开机构、 太阳帆板的锁定装置等在f y - i 等一h 星上都己成功运用。因此，可展开式热辐射 器技术既具创新意义，又富含成熟魅力，符合航天事业勇于开拓，积极进敬，严 灌务实，稳妥可靠的刨业精神。 1 2 、研究( 设计) 过程及主要技术问题 研究( 设计) 过程参见图1 ，主要技术问题如下： 结合“风云三号”卫星的研制，进行对从卫星本体热载到可展开式热辐射器( 板) 的热传输技术柔性回路热管l h p 的研究，并确定其材料的选用； 进行可展开式热辐射器( 板) 的安装、解锁、伸展和锁定技术的研究，尽可能 利用卫星中已有的可展开式结构的设计思路，以便增加可靠性，简化结构，减轻 重量； 柔性回路热管l h p 与可展开式热辐射板的热偶合，热偶合技术也是一个较为 关键的环节，特指l h p 回路和辐射板间的热量传递，涉及到辐射器的热容量设 计、焊接技术、导热技术等，如果热偶合性不良，既使l h p 回路和辐射板都相 当精良，各自的热效应很好，也会使整个系统向空间辐射的传热能力大打折扣。 ( ! ) 在完成对可展开式热辐射器的理论研究和初步设计后，对其进行全面的热性能 试验、力学试验和真空试验，为此系统的后继研制提供可信服的依据。 1 3 、采用的主要技术措旖 首先，对可展开式热辐射器特别是关键部位柔性回路热管l h p 和可展 开式辐射板的研究： 与“风云三号”卫星及其平台结合，确定可展开式热辐射器的研发思路以及使 用对象、结构和结构阃的热耦合； 为下阶段的试验研究和实际运用提供可靠的依据，并确定行之有效的设计方 案。此研究过程包括： 细致的技术调研和技术任务的论证和确定，由于这方面的研究主要还局限于理 论和试验研究阶段，特别是在匿内还属首次研制，因此调研论证工作更要做得深 入详细： 在此基础上的，按照要求对该系统提出设计方案及相应的理论设计l h p ( 或 c p l ) 传热系统的设计、辐射板的设计、辐射器预紧释放机构的设计、辐射器展 开机构的设计以及锁定机构的设计； 技术任务卜_ _ 叫方案设计与选择r _ 叫理论设计与计算j 2 0 0 0 6 - 7 li 2 0 0 0 8 - 1 0 ll 2 0 0 0 1 1 - 2 0 0 1 5 ll 一帅i 0 0 0 - 1 12 博卜 _ 一2 f0 0 0 1警1 柑算卜 2 似0 0 1 碱5 - 6h 蠹勰h2 酞0 0 1 徽7 卜 1 磊蒜的设汁计算 l j2 【1 f 1 ，j 1 藤2 糕0 0 1 8 鼢- i1 喇h 籼2 0 0 1 川h2 0 0 1 1 2 试验卜 2 椁0 0 1 黼1 2 - 2 呲。h2 靴0 0 2 鼢2 3 锄进h 2 栅0 0 2 总4 髅配 图1l可展开式热辐射器技术流程图( 图表中的时间为预计时) 完成设计和校核后，进行l h p ( 或c p l ) 传热系统、辐射板、辐射器预紧释 放机构、辐射器展开机构以及锁定机构的制造加工： 其次，对可展开式热辐射器进行试验研究： l h p ( 或c p l ) 系统及其柔性结构的力学试验、热性能试验和热真空试验等， 以及各种地面模拟试验； 可展开式辐射板的安装、解锁、伸展和锁定功能的试验，以及各种地面试验： 进行对系统的整体研制和相应的整体热控试验，与系统的理论设计相辅相承： 最后，研制出适用于“风云三号”卫星及其平台的可展开式热辐射器系统的 原理样机，并针对工程应用进行进一步的研究，进而完成工程样机的研制。 第。二章可展开式热辐射器的关键技术 可展开式热辐射器是以秉性国路热管l t t p 热控技术与可展开式辐射板及其 动作装置相结合，并辅以两者相互耦合的一项新型技术。 2 1 、毛细抽吸两相回路c p l 2 1 1 、c p lj 二作原理及其主要组成部分1 2 ，3 】 c p l 是一种具有相变传热性能的热控系统，其热传输能力强、重量轻、安装 灵活等的特点与现代大型航天器的崛起相适应，使得在近年来重又成为各国航天 业研究开发的重点项目。 c p l 主要由蒸发器、冷凝器、它们间的汽、液联管及储液器等组成，如图所 示。当外部热负荷加于蒸发器时，热量通过管壁传入毛细芯内的液体，液体受热 蒸发，蒸汽通过蒸汽联管流向冷凝器；蒸汽在冷凝器凝结并放出汽化潜热，热量 通过管壁传递到外部热沉( 如辐射器、冷却液套管等) ：在冷凝器凝结下来的液 体则通过液体联管流回蒸发器；在此处，液体继续吸热、蒸发、流动，循环1 ：作， 连续有效地将热量传输到热沉。 i s o l a t o r s “c dr “皿 n d 啊u - e nt 埔i l _ j 慨 图21毛细抽吸两相流体回路原理图 c p l 回路主要由工质的流动和相变传输热量。液体蒸发时吸收的热量及凝结 时放出的热量均可计为：q = m l ，式中q 为热流量，m 为质量流率，l 为工质的 汽化潜热。由于是利用工质的汽化潜热而不是利用显热的变化来传递热量，该系 统可以做到结构简化、重量轻和小温差下传递大的热流量。 c p ，系统中，工质的循环是由蒸发器推动的。为了维持热量的连续传递，蒸 发器所提供的驱动压头必须能与整个回路的流动阻力平衡，即a p 。= p ，式中 p 。表示蒸发器提供的最大毛细驱动压头，p 。是整个回路的总流动阻力，它 是由下列阻力组成的：a p ，= a p 。+ a p l = a p 。十p i 。+ a p 。+ a p l 。+ a p g ，式中a p ，是工质蒸 汽的流动阻力，a p l 为工质液体的流动阻力，a p 。、a p l c 、a p 。、a p | c 平i ) a p 。分别为 蒸发器、蒸汽联管、冷凝器、液体联管和隔离器的流动阻力。 这种平衡是流体回路系统工作的必需条件。c p ，回路系统中，为实现这 种平衡而提供必要的流动驱动力的是蒸发器内的毛细芯结构，而不需要消耗任何 外力做功。此乃该种回路系统的最大特点和优点； c p l 除传递热量外，还有控制系统温度的能力。系统接有一个贮液室，室内 部分充以液体1 ：质，其余空间为饱和蒸汽。室外置有电加热器及温度传感器，温 度控制器通过它们控制贮液器的温度。如系统温度过低，则加热贮液窀，使其蒸 汽压力增加，推动贮液室内液体进入冷凝器。冷凝器内由于液体的增加而可用于 蒸汽凝结的长度减少，即减少了散热面积，从而维持系统的温度不再下降。相反， 当系统的温度升高时，贮液室加热器关闭，其巾1 i 质问外散热，温度下降，相应 的蒸汽压力减小，部分堵塞存冷凝器内的液体i ：质被压回贮液室，从而露出更多 的冷凝器面积，增加了系统的散热能力，使系统温度不致再上升，维持了系统温 度水平的稳定。 掖悼流燕汽流毛绷芯加热器蔫 疏槽道袖向槽遭臂 l i q u i df l o wv q ，o rf l o wc a ，i | l l r yw i c kh e n t 垤p o f f l o w 喇- u yg r o o - e dp i p e 图22 反向式蒸发器结构简图 蒸发器足c p l 的核心。蒸发器内装有特殊的毛细芯结构，对工质液体起毛 细抽吸作用。工质在此处吸热蒸发、流出，毛缅芯再将放出热量而凝结的液体抽 吸回来，以此循环流动。蒸发器为整个回路系统的连续流动提供足够的驱动力。 因此对它的要求是能够提供足够的毛细压头p 。它自身的流阻r 应最小，同 时还应承受尽可能大的热流密度q a 。如上图为具有此种高性能的毛细芯结构之 一种，称之为反向式蒸发器。管内壁为轴向槽道，中心有丝网组成的液体流动通 道。自中心通道至主管内壁的槽肋端面有金擒丝网组成的径向肋，其余扇形空间 则填充以直径细小的蒙乃尔颗粒小球。回流的工质液体进入中心通道后，沿轴向 流动并流经毛细丝网的径向肋达到其端面，此处即为蒸发面。工质液体在此处受 热蒸发后，流入管壁轴向槽内，沿轴向流入蒸汽联管。各扇形区内的多孔填料也 起到沿径向输送液体工质的作用。这种结构不仅毛细抽吸力强，还能承受较高的 热流密度。蒸发器的外形结构，应考虑与热源的最良好的热连接，一般设计为平 面。c p l 比热管优越的一个方面是其毛细泵可由数个蒸发器并联而成。并联蒸发 器可以相应增大系统的毛细抽吸力或减小蒸发器的流动阻力，并为多个热源与系 统的连接提供了一种基本模式。事实上，大多数c p l 正是采用了多个蒸发器的 结构形式。 冷凝器是c p l 系统中蒸汽凝结，放出热量的处所。由于蒸汽的凝结系数很 高，因此。般使用光管，也可采用内肋管强化凝结换热。冷凝器般多为管状， 其换热面积需满足蒸汽凝结的需要，也需要考虑减小流动阻力、减轻自身重量等 因素。此外，由于系统的温度水平的控制是通过阻塞部分冷凝器管道来实现的， 因此冷凝器管道尺寸、面积的设计必须兼顾系统的温度水平、温度控制范围、控 制动作的响应特性等方面的要求。再者，由于c p l 系统的温度水平很大程度受 冷源的影响，因此冷凝器与外部冷源( 或热沉) 的连续、匹配，甚至与冷源的性 质都关系甚大，在设计或选择上必须慎重考虑。冷凝器一般也并联使用。 蒸汽联管是将各个蒸发器的蒸汽集中输送到冷凝器的管道。它一般采用光 管，合理设计流速可以兼顾减小流动阻力和减小管道直径、重量这两方面的要求。 液体联管是将各冷凝器的凝结工质液体集中后回输到蒸发器的管道。其设计 考虑原则与蒸汽联管相同。 过冷段接于冷凝器后，其作用是使由冷凝器出n 的工质液体中尚未凝结的碱 留蒸汽全部凝结。为防止回流液体中混有蒸汽气泡而阻碍液体的回流，在过冷段 中继续使工质液体冷却，降温至饱和温度以下，成为过拎凝结液。这样虽然消除 了残留蒸汽，也将付出增加系统热负荷的代价。因此确定过冷度要适当，比如， n a s a t 3 s f c 设计的过冷度为5 ，附加散热负荷约增加2 。 气体捕集器是捕集混迹于工质中的不凝性气体的器件。设置于液体联管中间 的某一位置上，防止不凝性气体进入蒸发器的毛细芯结构中。 隔离器设置于回流液体进入蒸发器的入口处，以防l 上蒸汽自此处反向流入液 体通道而阻碍液体的同流。 储液器除了控制系统温度水平的作用外，还可在载热负荷及反抗重力作用的 条件下对系统进行压力充装。储液器的尺寸应满足系统运行的两个极端工况的要 求： 其一，在最小热负荷及最低热沉温度条件下，要使整个冷凝器近于全部阻塞； 其二，在最大热负荷及最高热沉温度条件下，冷凝器能全部开启。 当然，储液器始终不能全部被液体或蒸汽装满。 2 1 2 、c p l 的运行特性【3 ，4 1 毛细抽吸两相回路可分为五种：可变热导c p l 简称v c c p l ( v a r i a b l e c o n d u c t a n c ec p l ) ，是指带有储液器的c p l 。v c c p l 是通常所说的c p l ，是本 文的主要研究对象。固定热导c p l 简称c c c p lf c o n s t a n tc o n d u c t a n c ec p l ) ， 是不带储液器或储液器不起作用的c p l 。c c c p i 不能对系统运行温度进行控制。 随着蒸发器加热切率和冷凝器热沉温度的变化，系统运行温度变化很大。机械泵 辅助c p l 简称m p a c p l ( m e c h a n i c a lp u m pa s s i s t e dc p l ) ，m p a c p l 是在v c c p l 的液体回流管上加装辅助机械泵的c p l 。1 9 8 7 年，美豳国家航空和航天管理局 ( n a s a ) 为消除v c c p l 的不稳定特性和提高v c c p l 的传热能力，研制了 m p a c p l ，又称为混合型( h y b r i d ) c p l 或高功率宇宙飞船热管理系统( h i g h p o w e r s p a c e c r a f tt h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ，h p s t m ) 。热动力回路( t h e r m a lp o w e r l o o p s ) 简称t p ，是1 9 9 1 年g o t t s c h l i c h 和r i c h t e r 对c p l 的热力循环进行分析 后而提出的种毛细抽吸回路。t p l 蒸发器中的毛细芯起的是将蒸发器中液相和 汽相分开的二极管作用。t p l 采用平板型蒸发器，运行时不需要储液器、辅助泵 等，但在冷凝器巾也采用毛细芯结构。t p l 的主要优点有：在t p l 中汽、液两 相可实现完全分开，在t p l 中回流液体需要很小的过冷度。 c p i ，是以工质流体的蒸发、凝结方式进行热交换的，其的换热系数远远高于 单相流体的对流换热系数，系统能在很小的温筹下传递热量，即陔系统除r 有极 好的热导和很好的均温特性外，还嘲高密度地传递热流，现有的系统可传递密度 商达2 6 w c m 2 的热流。毛细抽吸两相刚路足个闭式循环系统，内部没有任侗 运动部件，故避免 单相流体尉路系统中的泵、阀门和旁路系统等复杂部件造成 的不可避免的】质泄露问题，而这些问题正是影响系统长期可靠运行的熏要闪 索，也避免了它们本身的_ 作和寿命所带来的不0 靠因素。因此，对于如长达 1 0 年的运行来说，c p l 的可靠性是有非常明昆的优势的。使用两相回路系统， ：j ：质的流率小，这样阻力也就很小，仅月毛细力就可完成系统的循环，省掉了泵 等辅件及其耗能。 c p l 具有控制系统温度水平的能力，冈为储液器内的液体随其饱和温度压 力的变化会使冷凝段的有效丁作长度发生变化，即当系统的热负荷或热沉温度发 生变化时，系统内自勺工作温度e 力电随之改变，处于设点温度f 的储液器将液 体推进至冷凝段，或将冷凝段内的阻塞液体推回储液器，冷凝段内阻塞液体的移 动使有效玲却f 瓤积发生变化，从而使总热导得以改变。 给储液器酉已以棚应的加热和散热设施，使其能有效地实施温度控制，进而控 制外调节c p l 的1 ：作温度。局郏热负荷过商时，某个蒸发器可能会于涸失效丽 其它蒸发器仍在t 作，此时可通过加热储液器使其饱和工作温度高于其它蒸发器 的远行温度，即在不关闭系统或反重力作粥的情况下进行压i 力灌注，迫使液体进 入冷凝段而暂刚将其阻塞，冷凝段处于空载状态且各蒸发器也不需提供毛细抽吸 力，这样液体即可被压进干涸的蒸发器，灌注完毕后再将冷凝段开启，系统则能 恢复正常1 j 作。 在并联蒸发器中的某个或几个 j 的热负衙小于其它蒸发器的热负荷时，由于 系统内压力平衡和各蒸发器毛细抽吸力的作用，各蒸发器的热负荷将自动分配， 负荷小的燕发器将起类似“冷凝器”的作用，吸收其它高热负荷蒸发器的部分热 负荷。 c p l 系统的冷凝器内部不发毛细结构，特此处受热，液体蒸发成蒸汽流向蒸 发段凝结后，不可能网流到原受热处，流动过狸只能中断，这种热流的单相性对 j ：航天器的热控制特别重要，因为它可有效地防止不需要的外部热量传入航天器 ：j 内部，而这。一点是一般吸液芯热管所做不到的。 2 1 3 、研究状况 概念的提出( 6 0 s 8 0 s ) ： 1 9 6 6 年，n a s a 的l e w i s 研究中心的s t e n g e r 教授首先提出了c p l 的概念【5 ， 发明并制造了世界上第一个c p l 环路一个以水为工质的不锈钢回路，在 重力场中能够成功运行，功率变化范围和温度变化范围分别为2 4 8 1 0 0 0 w ， 1 0 0 1 4 4 。c 。当时航天器或卫星的能量耗散功率较小，单相流体热控制技术已发 展成熟，c p i 。没有得到避一步的发展；更有甚者，在此后的1 4 年间，c p l 技术 都没有得到太大的发展。 地面试验阶段( 8 0 s 9 0 s ) ： 进入8 0 年代后，空间站等航天器的大型化和复杂化对热控系统的传输功率 和传输距离的要求大大增加了，使得单相热控系统远不能满足需求，为c p l 重 新打丌了研究的新天地。 1 9 8 1 年n a s a 的g o d d a r d 宇航中心开始必泣c p l 的研究并在该领域处f 。领 先地位【6 ，7 ，8j 设计了第一一个用于概念验证的铝制c p l 模型，并对一系列( ：p j 系统的组成和性能作j ：_ | j 糟辟的概述：对于包括大型空问站在内的高负荷航天e 机 的热控制要求，c p l 出其相变传热的特性使之成为目前最能满足这要求的系 统。c p i 系统的关键在于一蒸发器的毛细结构，此毛细结构j “生的毛细泵力使c p i 超越传统的甲相热传输系统而其有长距离传输大功，髻热载，且控瀣良好，蘑餐轻 等优点。c p l 的基本设汁组成为：组蒸发器，蒸汽传输通道，组冷凝过冷装 置，液体回流通道及一个储液器。 c p l 是种蒸汽与液体沿相同方向流动的闭式网路，在小温差状态下能长距 离地传输大量的热量，同时c p l 系统与传统热篱相比较其具有两大特点：具有 强控温能力和汽、液分流形成更好的传输能力：两相流散热系统非常适用于大功 率航天飞机及卫星的热处理要求。试验方面已证明对航天飞机的热量获取、传递 和温叟挡制都具有特别重要舟勺运用价值。 c p i ，在空间的运用多用予空间站或空问平台、先进的通信卫星和大功率航天 飞机。在对空间站的设计要求中，发现其产生犬嚣的热，j _ j 是运用c p l 来传递 热髓，并配以相应的辅助没计；通讯卫星的迅孺毁展，使得对其的热控制的要求 进。步提高，利用c p l 进行热排放。 此后分别于1 9 8 4 年和1 9 8 5 年，n a s a 航天航空中心建立了c p l l 和c p l 2 两个铝氨的工程模型 9 】：c p l l 系统包括八个平行蒸发器两个独立的蒸发器 和 个安装在- 一块冷板上的蒸发器编，蒸发器内侧轴向开槽，内鬣吸液：巷结构， 蒸汽联管直径2 4 5 c m ，壁厚1 3 9 7 m m ，液体联管直径o9 5 3 c m ，壁厚0 8 8 9 m m 均1 0 ml 丈的绝热光管，两个不凝性气体收集器，一个储液器，六个平行冷凝器 安装在块冷板匕，由结霜现象使凝结交界丽可视化，过冷器在冷凝器的出r 1 处， 吸液芯隔离器在蒸发器之i ”j ；c p i 2 与c p l l 的不同处仅在于其真。窀度略高。同时 做了大量的试验：传输极限、蒸发器热分享、储液器的充液和温度控制、热负载 f 的压力灌注启动、冷凝器的二二极管作用和特启动状态l - 的蒸发器的隔离等，其 目的在于了解c p l 的运行特性，两个模型都获得r 致的结果：在t 作温度为 1 5 4 5 之问c p ，1 和c p i ，2 的传输能力都达到丁1 英寸的提升高度，在2 5 且相应的输入热通蹙为1 5 w c m 2 列传输能力达6 0 7 0f 瓦米，每个毛细泵的热 处理能力达1 7 千瓦，而系统总负载达6 千瓦，蒸发器和冷凝器的换热系数高达 9 6 千瓦米2 。由此试验确定了c p l 系统非常大的使用条件范围，并因此建立 起了其作为大型航火飞机如n a s a 空削站的大功率热处理系统的存在价值。 1 9 9 3 年巴西圣卡特琳娜联邦大学的eb a z z o 和德囤斯网加特的核能与能源 系统研究所( i k e ) 的m o r o l l 和o b r o s t 在c p i 。设计思想的纂础上在l k e 的试 验室改计了。种开有周向槽的热管 1 0 ，这种两相回路以氨或氟里昂为运行介 质，包括七个平行毛细泵、+ 个传统式冷凝器、个机械辅助泵和一个用于在运 行中保持温度稳定的储夜器。针对该系统他们进行了一系列运行试验，其中以氟 避昂为工作介质并装有辅助机械泵的模型，其热通聚达到丁2 8 k w m 2 。 飞行试验阶段( 8 0 s 9 0 s ) f 3 ，1 1 ： 1 9 8 5 年和1 9 8 6 年，美国的两个飞行试验工程模型g a s 和h i t c h h i k e r 成功地 演示了在零重力环境fc p l 的运行，其中包括启动、储液器充液量及温度控制、 蒸发器间的热载分享、储液器设，托温度的可变性和对制动燕发器的隔离能力等。 传递限达5 6 0 瓦，在系统负载达5 0 瓦这一水平状态下可成功启动，另外，来自 1 二g a s 和h i t c h h i k e r 的飞行数捌均表明在储液器中设液体隔板有利于储液器在 零熏力状态f 的运行。在h i t c k h i k e r 的飞行试验中，系统在载荷2 8 4 瓦的状态r 连续运行“小时，这说明具有长期的稳定。h - ：，1 i 小时后停仁运行是因为冷凝器热 沈近于枯竭。 1 9 9 3 年和1 9 9 4 年，美国又进行了两次飞行试验，分别称为c a p l l 和c a p i ，2 ， 其目的是为了研究c p l 的启动特性。在试验中选用了3 0 m m 、1 6 m m 和1 4 m m 外 径的二种蒸发器，第一种蒸发器的地面和飞行试验结果相同目都能正常运行，而 两种小尺寸的蒸发器其地面试验中能正常远行，但在行试验中则不能i | _ j ：常运 行。因此认为：大外径蒸发器有较厚的毛细芯结构，能有效地防1 l = 蒸汽倒流，且 液体墨苎问也较大，过冷液体能导致倒流的气泡发生破灭。 最新的研究进展： c p l 的研究进入了理论分析阶段，如非稳态模拟和数值计+ 算模拟，但这一思 想争今还未完全建、z 起来，还需要不断探索卸更新。 1 9 8 9 年，a m k i p e r 、f ds w a n s o n 和rm c i n t o s h 9 对c p l 2 工程模型的非稳 态特性进行了研究，发现每个蒸发器的进液篱壁面温度和隔离器壁而温度都表现 厂波动特性，尤其当每个蒸发器的热负荷在3 0 0 w 5 0 0 w 的功褰水平时蒸发器 倒灌频繁。提出了一维非稳态物理模型和数学模型，得出了所谓的稳定性判定准 9 1 _ j 。 1 9 9 5 年，7 f r i e mh o a n g 和j e n t u n gk u 1 2 j 提出了单蒸发器和单冷凝器c p l 的 蒸汽弹性阻尼器理沦，制造r 一个小型c p i 一8 9 c m x 1 4 0 c mx15 c m ) ，目的是要 筏；i l 聂力波动瓣蘸蕊。蔼镪汲为c p l 系统孝擞缀蒎韵学璐究的振动系统宥稻儆 性，对整个c p l 回路庸用质辩守恒原理并对c p l 管蹄中的液体采用牛顿第二定 律，得到了两个。：元二：阶微分方程，通过对这豫个微分方程的分析指比：有九个 交遥控翻善c p i 。敬雾稳态将羧，僵这九个参鼗蘩不霆硼+ 裹接溪餐戆参数。 1 9 9 6 年，r 本t s u k u b a 航天中心的m a s a of i ) r u k a w a 1 3 l x 十c p l 系统的压 力和温度控制提出了其方法和分析：他认为c p i 一系统的设计是伴随赣它的重量 髅鬻模型薅出蠹熬，热鬣为箕裂毽计算魏变纯参数，c p l 理论鬟是建立在一一定翦 蒸汽潞度范崮内非线性热传输控制方程，并联立压力约寐方程的算法的基础j 二 的“对t l 丰 于改避c p i ，温度控制的功交导热镁罐 剔器也给出了理论分析和演算结 粱。 我謦研究发展状猊： 我国对c p l 的研究开始与八十年代永九十年代初，5 0 1 部在“8 6 3 ”计划的 支持f ，配合载入飞船、空剃乎台翻空间站鲍方案工作，确立了c p l 渫题。以 磊蘸黪c p l i i i 试验台为镶，叠隧可靠缝在0 5 0 c 黪范阐内艮时阁运行，蒸发器 的传输能力可达2 0 0 0 w - m 个，控温精度为056 c ，扁动鞭序简单，完仝符合未 来空削飞行器对热控系统提出要求。 侯增接、襄舜f 2 】等久建立了拐爱躲试骚螽一为遴盼馥念性论证磷建遗鼹 个玻璃制实验模型，并开展r 幸刀步的研究i 作，试验结粜证实c p l 的确具有 极好的传热能力、控温特性和热负衙自动分拳：等特性，表明c p i 。应用f 大型卫 震、字蜜一毽麓、窆瓣站等携熬控裁系统畜，、溷豁蘩爱。在此基礤毫，镑对c p l 的域关键部位蒸艘器做了专门的分析和试验研究工作，殴计了新型的毛细抽吸泵 和c p l 初级工作摸型，综合有关c p i 。的设亡1 、计算利试勰的结果，建立了- 个 传热能力为5 0 k w - m 稳王程试验搂婺，避露拟定了遂步的殛究飘划，力争尽 快达到实用群标，技术 迅速达到国际先避水平。随后，侯增祺、张汉舟等对 c p l 的工程模型谶行r 试验研究，试验包括启动试验、热负荷变化试验、控温特 性试验、最大熟负荷试验郓压力灌注试验篱，其结果诞磷了c p i ，鹣良好的热传 镰私热控秘能办。 张加迅、米蛋瞰j i l 拍伟f 14 等人在已有的两个模型的试验的基础l ，对它们进 行了深入的试骏研究，将各种现琢归类，并给以初步鲍分析，其丰璎试黢包括盛 动试狳、低功率廷行试验、晦没点溢凄试验移热负箭变化试验；斟阏，铮对不凝 气体与气泡的存在不利于系统的j f 常运行，而对气泡形成帆理以及他们对系统 的影响擞了分析，指出系统运行失败是各种黝索综台作用的结累，与气溆的形成 和系统内不凝气体有很大关系，其中系统内部的压力变化是主要原因，并在理论 土二给以定性解释；此外，还对隔离器和蒸发器进行了简单的热力数值计算，得出 隔离器处的导热对系统正常运行的影响很小。 侯增祺和张d h 迅 i s 介绍并分析了毛细抽吸两相回路的理论模霾! “弹性 阻尼模型”，并将其计算结果和试验数据进行了比较，发现二者符合得非常好； i 一时，结合所改进设计的c p l 1 i i ，提出了解决此问题的思路及方法，并对已有 的c p l i i 试验台做了改进试验，最后通过分析，认为系统内存在的压力波动是 导致系统失败的主要因素，能对系统的正常运行产生至关重要的影响。 曲伟、候增祺和张) j hj 丑 1 6 对零重力条件下管内稳态凝结换热提出了蒸汽在 管内全部凝结的环状流模型：零重力条件1 i 管内蒸汽都是在液膜表面上凝结，【j i 于表面张力的作用，液体在整个凝结管内都是贴蹙环流液膜，当汽核的速度降为 零、液膜的厚度达到凝结管半径时凝结过程结束：提出管内凝结换热的物理模型 和数! 学模型后进行了求解，得出了包含轴向压力梯度项及汽、液交界面处蒸汽和 液膜问的摩擦力项的液膜厚度的商次方程通过计算机对此方程求解可得零熏力 条件下管内凝结换热特性。 中科院的j e 金亮、马同泽和张正芳 1 7 1 1 首先在分析研究两相毛细泵环中蒸发 传热过程的基础上提出了反向式蒸发器的物理l 作机理，并对其内部的流动和传 热过程进行了理论研究和初步的分析讨算，进而分析n 反向式蒸发器中可能出现 的换热危机现象；其次，建立了一个简化的两相毛细泵环的实验皱置，并对其反 向式蒸发器畸。的蒸发传热过程进行了可视化研究，试验中除了研究换热系数与热 流密度的关系外还研究了两相毛细泵环的倾斜角、毛细结构的厚度和充液率对 蒸发器传热性能的影响，以及蒸发器中各温度的分布和变化情况：最后，剥列。 蒸发器进行了改进的实验研究，改进措施为在毛细结构的复合金属网e 加j 。p 块 带有纵向和横向槽道的金桶平板，对不同倾剁角时该蒸发器的工作特性的试验结 果进行了分析和比较，然后建立了一个开式的然发器试验环路，研究了刁i 同的毛 细结构组合、不同的入口工质过冷度和不同的蒸发器倾斜角对蒸发器传热性能的 影响，以及蒸发器启动和工作过程中出现的脉动现象。 国防科技大学航天技术系的周继珠和吕志信 】8 根据1 g 条件下水平冷凝管 在地面c p i 。j i 。：程模型中的实际情况建立了包括分相流、块状流、泡状流和纯 液相流等多种流动结构的汽液两相流的流动模型与传热模型，用试验测得的 r - 1 1 蒸汽在铜管中冷凝的试验结果，对已建立的模型和程序进行了检验，检验 的结果是致的，在此幕础h 对n i t 3 蒸汽在锅管中的冷凝进行了两类不同的 计算：为了考查模型与程序的适用范同，在较大范嘲内改变运行工况，对各参数 的变化进行了计算；根据工程模型中冷凝管运行的实际i 况，列冷凝管内各项参 数的变化规律进行了计算，确二这两类计算中，分别考查了流量强度和冷却条件列 管内流z 幽结构、流动特性、传热性能和各参数的变化规律的影响一i 二述计算与试 验及实际情况的分析相比较，获得了满意的结果。 王维诚、刘瑜珂、张立宁和曾宪忠1 9 1 等提出一种研究微重力场中管内凝结 换热过程的方法，建立了管内环状流域凝结换热的数理模型，改变卫值进行仿真 汁算，并以重力场中