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空间站流体回路_热管耦合式热辐射器性能研究.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)空间站流体回路/热管耦合式热辐射器性能研究丰茂龙1,2,来霄毅3,韩海鹰1,2,李振宇1,2,黄磊1,2,曹剑峰1,2(1.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;2.空间热控技术北京重点实验室,北京 100086;3.上海宇航系统工程研究所,上海 201109)摘要:空间热辐射器担负着航天器内部多余热量向外太空排散的任务,是航天器热控系统的关键设备,尤其是载人航天器,辐射器需要满足长寿命、高可靠度、高稳定性的要求,目前已发射的载人航天器均采用流体回路辐射器。对中国
2、空间站流体回路/热管耦合式辐射器进行试验研究,得出辐射器散热性能的变化规律。首先论述试验方案和试验过程,并给出试验结果数据;然后通过对试验数据分析,得出辐射器传热热阻,以及散热能力随流体回路参数及外热流参数的变化规律;最后基于试验数据,完善辐射器仿真分析模型,并与试验典型工况进行对比分析,实现仿真模型与试验数据的良好吻合,仿真模型可用于辐射器在轨工作性能预示分析。实验分析结果对航天器空间辐射器设计具有一定的参考意义,可为航天器整舱热平衡试验方案及辐射器在轨工作状态设置提供数据支持。关键词:空间站(CSS);辐射器;流体回路;热管;试验;仿真中图分类号:TN 911.73;TP 391.9 文献
3、标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.012Study on Radiation Performance of Fluid Loop-Heat Pipe Coupled Radiator for China Space StationFENG Maolong1,2,LAI Xiaoyi3,HAN Haiying1,2,LI Zhenyu1,2,HUANG Lei1,2,CAO Jianfeng1,2(1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China;2.Be
4、ijing Key laboratory of Space Thermal Control Technology,Beijing 100086,China;3.Shanghai Aerospace System Engineering Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:The space radiator is responsible for dissipating the redundant heat from spacecraft to outside space.It is a key equipment of the thermal co
5、ntrol system for spacecraft,especially for manned spacecraft.The currently launched manned spacecrafts all use fluid loop radiators,which should meet the requirements of long lifetime,high reliability,and stability.In this paper,the fluid loop-heat pipe coupled radiator for the China Space Station(C
6、SS)is tested and analyzed,and the expression of the heat rejection capacity of the radiator is concluded.First,the scheme and process of the tests are briefly introduced,and the test results are given.Then,through the analysis of the obtained test data,the relationships between the heat transfer res
7、istance and the heat rejection capacity with the fluid loop parameters and the external heat flux parameters are obtained.Based on the test data,the simulation analysis model of the radiator is improved.The results obtained by the improved model are compared with the test data,and good agreement is
8、achieved.The simulation analysis model can be used to predict and analyze the on-orbit performance of the radiator.This article has certain reference for the design of spacecraft radiator,and can provide data support for spacecraft thermal balance tests and radiator working state settings in orbit.K
9、ey words:china space station(CSS);radiator;fluid pipe;heat pipe;testing;simulation收稿日期:20230520;修回日期:20230811作者简介:丰茂龙(1982),男,高级工程师,博士,主要研究方向为航天器热控制。88第 40 卷 2023 年第 5 期丰茂龙,等:空间站流体回路/热管耦合式热辐射器性能研究0引言 空间热辐射器担负着航天器内部热量向外太空排散的任务,是航天器热控系统的关键设备。其中流体回路辐射器是载人航天器常用辐射器,例如美国的航天飞机/行星际探测器及中国神舟飞船/天宫实验室等都采用了这种辐射器
10、1-2,Alpha 国际空间站则采用了以液氨为工质的单相流体回路可展开式辐射器,辐射器上有相互独立的两套回路系统,通过大量的热关节软管接头串接起来,结构较复杂3-4。中国天宫空间站对单相流体回路辐射器进行了深入优化设计,加入了热管耦合传热环节,并采用双管路备份5-6,大幅提高了辐射器的可靠性7及散热性能。本文对中国空间站流体管/热管耦合式辐射器进行了试验研究,简要介绍了试验目的及方案,论述了试验结果;通过对试验数据的分析,得出辐射器散热能力与姿态及流体回路参数之间的关系;以试验为基础,进行典型工况的仿真验证,实现仿真模型与试验的良好吻合。辐射器整个试验过程合理有效,试验数据采集准确充分,为辐射
11、器辐射散热性能的在轨预测提供了地面数据,而仿真分析模型的一致性则为辐射器散热性能研究及在轨预示提供了基础。辐射器状态 辐射器试验对象辐射器模块,结构如图 1所示。由辐射板、热管和流体管 3部分组成。辐射器正面为散热面,喷涂了高发射低吸收白漆,背面为铝本色状态。试验时,正面采用红外笼模 拟 外 热 流,背 面 包 覆 多 层 隔 热 组 件。如 图 2所示。热管辐射器的传热路径为:热负荷首先由工质传递到流体管壁,再传递到热管,然后经热管传递给辐射器蒙皮,辐射板蒙皮喷涂了高发射低吸收涂层,将热排散至外空间。与神舟飞船流体管路辐射器相比,减少了流体管,增加了热管的传热环节,减少了流体管在空间的暴露面
12、积,且热管和蒙皮对流体管形成防护,提高了辐射器在轨对微流星的耐受能力,从而提高了辐射器寿命及可靠性。2试验方案 2.1方案概述本文所述试验为真空热平衡试验8-9,试验项目包括代表在轨性能的水平姿态试验、代表整舱真空热试验状态的竖直姿态试验、辐射器在轨低温冻结解冻以及代表辐射器故障的单流体管路运行状态的试验10。辐射器热试验在直径 3 m 的空间热环境模拟器内开展,通过真空罐+红外笼模拟辐射器在轨空间环境及外热流,通过泵驱动实现工质在辐射器管路中流动换热,通过加热器控制工质进口温度。试验原理如图 3 所示,图中,P 为回路压力传感器,T 代表回路温度传感器,用于测量回路工质压力及温度。图辐射器背
13、面(贴舱壁一侧)Fig.1Back side of the radiator(beside bulkhead)图 2辐射器正面(散热面,竖直+X方向)Fig.2Front side of the radiator(cooling surface,vertical+X-direction)89第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)主要试验环节或要点为:1)试验环境保证,采用真空罐保证真空环境及环境温度,采用红外笼加热装置提供辐射器试验所需外热流;2)回路要求,配置流体回路地面系统,用于回路驱动,辐射器标准流量工
14、况为单路 150 L/h,两路 300 L/h;3)工质温度保证,采用水箱及加热器保证工质进口温度满足要求,辐射器进口温度一般在 1020。4)工质参数测量,采用温度传感器和热电偶测量辐射器进出口工质温度,采用压力传感器测量辐射器进出口压力,采用流量传感器测量工质流量;5)辐射器温度测量,采用热电偶测温。6)通过试验支架保证辐射器水平或竖直姿态,如图 4所示为水平姿态,支架翻转 90则辐射器调整为竖直姿态,2种姿态试验前均调水平度。2.2试验工况本试验主要目的是研究辐射器水平姿态(热管水平,可忽略重力影响,代表在轨微重力情况)和竖直姿态(热管竖直,会受到重力影响,是整舱热平衡试验的主要姿态)的
15、散热性能,确定航天器地面热平衡试验及在轨情况下辐射器的性能情况。其中航天器典型在轨姿态为惯性飞行,因此试验时选取了惯性飞行,太阳光线入射角为 0的典型外热流工况,假定太阳光线直照象限辐射器模块,外热流模拟均采用阴影阳照平均(阳照区平均 291.6 W/m2,阴影区平均 152.2 W/m2)。工况及参数见表 1。3结果与分析 根据航天器整舱热平衡试验及在轨飞行预示需求,对辐射器热平衡试验的数据进行了整理,从5 个不同的维度进行了对比分析:1)水平姿态下工质不同进口温度的散热性能变化;2)水平姿态下有/无外热流散热能力变化;3)水平姿态与竖直姿态同参数下散热能力变化;4)水平姿态下不同流量情况下
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- 关 键 词:
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