2026年微重力环境下热交换器性能测试

2026/05/302026年微重力环境下热交换器性能测试汇报人：航天热控研究组目录微重力环境与热交换基础微重力传热机制与性能演变测试方法与实验平台实验数据与性能评估前沿进展与未来展望0102030405微重力环境与热交换基础01微重力环境特征与航天热控需求微重力环境—浮力驱动对流消失：自然对流几乎完全抑制，气液两相密度差异不再驱动流动分离—表面张力主导：毛细力、界面张力成为液相行为的主要驱动力—相分布重构：沸腾气泡与冷凝液膜的形态、脱离及输运机制与地面截然不同航天热控需求关键温度均匀性控制载人航天器舱内温度需控制在±2℃以内高效散热导出电子设备热流密度攀升，局部热点需高效导出长期可靠运行空间站长期在轨，热控系统可靠性需超15万小时工程约束—系统轻量化：发射成本约束下，热控系统质量需严格受限—低功耗运行：能源供给有限，需最小化热控系统自身能耗—高效能量输运：在轻量化与低功耗双重约束下实现高效热管理热交换器在航天热管理中的角色19.3%微通道渗透率25%2026年预计突破4主要类型4关键应用场景传统高效型板式热交换器结构紧凑、换热效率高，适用于舱内流体回路间热量交换管壳式热交换器耐压能力强，适用于推进系统与低温推进剂管理空间站舱内外流体回路耦合换热核心场景，保障舱内温控稳定创新突破型微通道热交换器轻量化、低制冷剂充注量，渗透率持续快速增长绕管式热交换器适用于深冷与液化工艺，中石化2026年新专利突破气液两相分配难题电子设备液冷散热高功率器件热管理关键回路，保障系统可靠运行深空应用场景低温推进剂在轨管理存储与转注过程热管理，抑制蒸发损失月面/火星原位资源利用储热与发电系统核心组件，支撑地外长期驻留核心枢纽职能承担热量收集、传输与排散的关键职能微重力与常重力传热差异的本质微重力传热特征常重力对比基准核心科学问题：重力缺失条件下，如何建立以表面张力与惯性力为控制参数的传热预测模型，实现热交换器性能的精准评估与优化设计？沸腾传热退化气泡脱离直径显著增大，滞留时间大幅延长，导致有效换热面积持续减小，临界热流密度（CHF）较地面条件明显降低冷凝传热削弱液膜因缺乏重力驱动而增厚堆积，难以实现有效排液，膜状冷凝传热系数较地面工况降低约30%以上两相流型转变流型从地面常见的分层流、环状流转变为弹状流、乳沫流，流型转换边界发生显著偏移，流动特性复杂化流动不稳定性增强压力波传播与相界面动态耦合更为复杂，系统流动振荡风险显著增大，热控系统稳定性面临严峻挑战浮力驱动气泡脱离重力场提供稳定的浮升力，气泡快速脱离加热表面，持续更新换热界面，维持高效沸腾传热与高热流密度重力辅助液膜排液冷凝液膜在重力作用下持续向下流动并脱离壁面，液膜厚度保持较薄，膜状冷凝传热系数维持较高水平分层流稳定结构气液两相因密度差形成清晰分层界面，分层流与环状流占据主导，流型预测与压降计算具有成熟经验关联式流动稳定性优势重力主导的惯性力有效抑制压力波扰动，相界面运动相对规律，系统流动振荡易于控制，热控运行稳定可靠微重力传热研究发展脉络1990s–2000s01早期探索落塔与抛物线飞行秒级短时实验→2010s02系统深化国际空间站池沸腾准稳态数据获取→2020s03工程验证中国空间站建成冷凝强化研究启动→202604在轨制造金属增材制造实验热交换器在轨维修长期在轨实验数字孪生辅助数据质量跃升微重力传热机制与性能演变02微重力下沸腾传热机制2–5×气泡脱离直径增大30–50%CHF较地面降低气泡毯效应高热流区传热恶化传热性能演变低热流密度区

：核态沸腾与地面差异较小，表面张力微对流仍有效高热流密度区

：CHF降低30–50%，气泡覆盖导致传热恶化提前膜态沸腾区

：稳定膜态传热系数可能高于地面，液膜更稳定气泡动力学脱离机制：浮力主导转为表面张力主导滞留效应：气泡毯阻碍液体润湿加热面核化点变化：合并频率增加，大气泡覆盖面积强化策略微通道/多孔表面结构，毛细力驱动液体补给人工核化点控制气泡生成与脱离电场/声场主动干预气泡行为微重力下冷凝传热机制超疏水涂层微结构表面亲疏水图案化冷凝机制演变冷凝模式传热效率对比-30%膜状冷凝传热衰减3×滴状冷凝效率提升01膜状冷凝瓶颈微重力环境下冷凝液膜沿壁面持续增厚，热阻线性增大，传热系数较地面常重力降低约30%，且随冷凝时间延长持续衰减，自然排液机制完全失效02滴状冷凝挑战传热系数可达膜状冷凝的3倍以上，是理想高效冷凝模式，但微重力下液滴滞留无法依靠重力脱落，需外力驱动排液，且表面张力过低难以维持稳定滴状03强化技术路径采用超疏水涂层促进滴状冷凝形成，设计微结构表面利用毛细力排液，构建亲疏水交替图案实现定向液滴输运，突破微重力排液瓶颈微重力下两相流动与流型演变流型常重力特征微重力特征分层流气液上下分层，重力主导消失，无密度分层弹状流间歇性气弹通过气弹更规则，长度增大环状流液膜沿壁面，气芯居中液膜厚度更均匀，但易失稳乳沫流过渡态，不稳定成为重要流型，占据更宽参数域均布器与分配器设计需重新考量气液两相分配均匀性压降预测模型需引入Weber数与Bond数修正流动不稳定性评估需考虑微重力下新的振荡模态界面张力驱动的传热特性毛细力主导输运机制微通道自发输运毛细压力驱动液体在微通道和多孔结构中自发输运，有效替代重力排液功能，实现无泵驱动的液体管理Ca=μV/σ

毛细数浮力效应可忽略Bond数趋近于零时，浮力效应完全可忽略，表面张力成为控制界面行为的绝对主导力量Bo=ΔρgL²/σ

Bond数关键无量纲数毛细数Ca成为表征微重力流动特性的核心无量纲参数，直接决定流动形态与传热效率界面热毛细效应核心机制Marangoni对流主导传热温度梯度驱动的Marangoni对流在微重力下成为重要传热机制，表面张力梯度驱动液膜流动，显著改变传统对流换热模式温度梯度驱动机制气液界面温度分布不均匀引发表面张力梯度，形成沿界面的切向驱动力，实现无重力依赖的主动液体输运传热强化与不稳定性热毛细对流可强化局部传热，但也可能引发流动不稳定性，需精确调控温度场以优化传热性能工程应用启示被动式液相输运结构利用毛细力设计微槽道、毛细芯等被动结构，无需机械泵送即可实现高效液体管理，大幅降低系统复杂度与能耗主动传热增强调控通过表面张力梯度调控实现主动传热增强，精确控制温度场分布以优化热毛细对流强度与稳定性自组织行为简化管理界面张力驱动的自组织行为可用于简化热交换器流动管理，利用流体固有物理特性实现自适应流型控制微重力对热交换器性能的综合影响30%U值下降30-50%CHF降低复杂压降变化增大可靠性风险传热性能•总传热系数U值普遍下降，膜状冷凝工况降幅约30%•沸腾工况CHF降低30%–50%，安全裕度收窄•微通道结构因毛细力补偿效应，性能降幅小于传统结构流动阻力•气液两相摩擦压降变化复杂，受流型重构影响显著•重力压降项消失，总压降可能降低，但加速压降因流型变化可能增大•两相摩擦倍率模型需针对微重力条件重新标定运行稳定性•两相流动不稳定性加剧，流量振荡与温度波动幅度增大•部分负荷工况下气液分配不均匀性恶化•启停瞬态过程中相界面演化不可预测性增加可靠性•局部干涸与过热风险增大，材料热疲劳寿命可能缩短•冷凝液滞留引发腐蚀与结垢风险•长期在轨运行下性能衰减速率需重新评估测试方法与实验平台03地面微重力模拟方法方法微重力水平持续时间优势局限落塔10⁻⁵–10⁻³g2–10秒微重力品质高，成本低时间极短，仅瞬态研究抛物线飞行10⁻²–10⁻¹g20–25秒/次可搭载大型实验架，人工操作残余重力较高，g-jitter显著探空火箭10⁻⁴–10⁻³g5–15分钟微重力品质好，时间适中单次成本高，实验次数有限中性浮力模拟等效模拟持续适合大尺度流动可视化仅模拟运动学，非真实微重力低成本筛选实验方案与优化参数窗口验证测试系统可靠性与数据采集方案为在轨实验提供基线对照数据在轨实验平台与空间站搭载中国空间站长期微重力环境10⁻³–10⁻⁴g级，实验时间可达数月高度集成化设计载荷质量、功率与尺寸受严格限制2026年在轨实验冷凝过程强化与液膜非稳定性研究高质量数据获取获取高质量长时微重力实验数据国际空间站ISS池沸腾实验获取了准稳态微重力沸腾数据冷凝实验受限于装置尺寸与安全约束，数据量有限两相流回路验证验证了微重力下相变换热系统可行性长期实验积累二十余年持续在轨实验数据沉淀载荷质量限制≤100kg功率低于500W，尺寸严格受限安全性要求极高禁止使用有毒或易燃工质资源约束严格遥测带宽有限，需在轨预处理VS热交换器性能测试标准体系GB/T470072026年1月实施GB/T1512026年8月实施GB/T27698.12023年发布新增GB/T471942026年专项标准强制执行GB/T27698.1-2023热交换器及传热元件性能测试方法通用要求，规定测试系统、测量参数与数据处理规范，新增池沸腾传热测试系统与不确定度要求GB/T47007-2026板式热交换器能效测试与评价规则，2026年1月实施，规范液-液工况能效测试流程GB/T151-2026热交换器通用标准，2026年8月强制执行，首次纳入能效测试体系与失效模式分析微重力测试标准缺口现有标准均基于常重力环境，Bond数、Weber数等微重力特征无量纲数未纳入评价体系，在轨测试数据校准与溯源方法尚属空白，急需建立专用标准测试参数与测量技术01温度±0.08℃冷热侧进出口温度、壁面温度分布02流量±0.25%FS气相与液相分别计量03压力与压降进出口压力及流动压降，反映流阻特性04热负荷U值±3%换热量与总传热系数U值05相分布气液两相空间分布与含气率，需可视化手段微重力测量技术挑战传统差压式流量计在微重力下气液分离失效，需采用科氏力质量流量计热电偶安装需避免干扰流场与相分布高速摄像与红外热成像需在有限空间内集成先进测量方案68%新建试验台采用OPCUAoverTSN架构实现高精度同步采集激光温度传感器网络实现热点区域实时监测电化学原位观测技术应用于相界面动力学研究数字孪生与仿真辅助测试实验前实验中实验后95%故障预警准确率缩短70%维护响应时间VOF方法追踪气液界面演化，捕捉微重力下气泡/液滴动力学相变模型耦合界面张力与热毛细效应格子Boltzmann方法在微尺度多相流模拟中展现优势降阶模型（ROM）实现实时预测，支撑在轨决策全参数数字孪生模型涵盖几何、材料与工况，集成NISTREFPROP物性数据库区块链存证机制在线动态校准与区块链存证确保数据可溯可信实验数据与性能评估04微重力沸腾传热实验数据核态沸腾传热系数降幅对比临界热流密度(CHF)降幅对比脱离直径增大2–5倍气泡在微重力下受浮力削弱，脱离直径显著增大，与Bond数呈负相关关系生长速率接近常重力低热流密度条件下，气泡生长速率与常重力环境基本保持一致合并频率显著增加气泡合并后形成大气泡，滞留时间显著延长，恶化传热性能微重力气泡动力学特征：大直径、慢脱离、易合并、长滞留微重力冷凝传热实验数据膜状冷凝滴状冷凝强化表面竖直壁面传热系数较常重力降低30%液膜厚度随冷凝时间持续增长，非稳态效应显著Rayleigh-Taylor不稳定性被抑制，自然排液失效初始阶段传热系数可达膜状冷凝3倍以上液滴滞留导致传热性能随时间快速衰减超疏水表面可延缓衰减，但无法根本解决排液问题细鳍阵列表面：传热系数较光滑面提升40%–60%T形柱阵列：液膜厚度可控，传热性能稳定亲疏水交替图案化表面：定向液滴输运，持续高效冷凝长时微重力冷凝数据稀缺，多数来源于抛物线飞行短时实验中国空间站冷凝实验项目正在获取长时高精度数据不同工质（水、FC-72、氨）冷凝特性差异显著，需分别建立数据库两相流压降与流阻特性压降构成变化ΔPg重力压降项趋近于零ΔPf摩擦压降因流型变化而改变，弹状流区摩擦倍率增大ΔPa加速压降因含气率分布变化而需重新评估实验数据规律低质量流速区

总压降较常重力降低10%–20%（重力项消失主导）高质量流速区

总压降与常重力接近或略高（摩擦项增大主导）环状流区

液膜厚度更均匀，摩擦压降预测偏差较小预测模型修正常重力Lockhart-Martinelli方法在微重力下偏差可达50%以上需引入Bond数修正两相摩擦倍率基于微重力实验数据标定的经验关联式精度显著优于外推模型均相模型在乳沫流区预测精度优于分相模型微重力与常重力压降对比预测模型偏差对比热交换器综合性能评估方法评估维度传热效能ε-NTU法评估实际换热量与理论最大换热量之比能效比换热量与泵功之比，反映能量利用效率紧凑度单位体积换热量，对航天应用至关重要可靠性指标设计寿命、故障率与性能衰减率微重力修正无量纲量化指标引入Bond数和Weber数作为微重力效应量化指标Bo-We-ε三维图谱建立三维性能图谱，覆盖不同微重力水平三维评估模型热力性能-全生命周期成本-技术合规风险评估流程5步1建立常重力基线基于地面测试数据建立常重力基线性能2引入微重力修正因子传热、压降、稳定性三维度修正3数据校验结合仿真预测与短时微重力实验数据4模型反馈修正长时在轨数据反馈修正评估模型5输出性能包络输出微重力工况下热交换器性能包络地面与微重力性能对比分析性能指标常重力微重力变化幅度核态沸腾传热系数基准下降20%–40%中高热流密度区CHF（临界热流密度）基准下降30%–50%大空间池沸腾膜状冷凝传热系数基准下降约30%竖直壁面滴状冷凝传热系数基准初期接近，后期衰减液滴滞留流动特性对比总压降：

低流速降低10%–20%，高流速接近或略高流型演变：

分层流消失，乳沫流区域扩大流动稳定性：

振荡幅度增大，不稳定性加剧设计启示微通道与多孔结构因毛细力补偿，性能降幅最小，是

航天应用首选主动排液（如电场驱动、机械刮液）对冷凝性能

提升显著系统设计需预留

更大安全裕度

以应对性能衰减前沿进展与未来展望05在轨制造与热交换器创新2026年1月2026年4月2026年太空制造里程碑我国太空制造技术取得突破性进展，为热交换器在轨制造开辟新路径技术突破成果激光熔丝增材技术力鸿一号首次实现太空金属3D打印600公里轨道验证轻舟试验飞船完成金属熔融沉积晶体缺陷率降低

85%太空打印构件力学性能优于地面产品微重力金属增材制造进展2026年1月

力鸿一号完成首次太空金属3D打印2026年4月

轻舟试验飞船完成600公里轨道验证性能突破

晶体缺陷率降低85%，力学性能更优对热交换器的影响在轨维修损坏部件原位制造与更换定制化生产按需制造，突破发射尺寸限制新型结构复杂微通道与多孔结构制造新材料与智能热交换器石墨烯复合材料300%导热提升1200℃耐温极限-60%重量减轻碳化硅涂层5倍光滑度提升显著耐腐蚀增强抗结垢钛合金抗强酸腐蚀防护3倍寿命延长95%国产化率相变材料可编程热容调节按需传热速率智能化热管理AI动态调节冷却效率提升28%激光传感器网络温差控制≤3℃数字孪生运维预警准确率95%+微重力自适应调节智能热交换器实现微重力工况下自适应调节在轨健康监测预测性维护大幅提升系统可靠性轻量化降本每减重1公斤