大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究.pdf

第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 69 收稿日期：2022-10-13 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（51806010）引用格式：陈祥贵,赵振明,孟庆亮,等.大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究J.航天返回与遥感,2023,44(3):69-78.CHEN Xianggui,ZHAO Zhenming,MENG Qingliang,et al.Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under High Power Space Laser LoadJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):69-78.(in Chinese)大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 陈祥贵1,2 赵振明1,2,*孟庆亮1,2 王钰1,2（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）摘 要 大功率激光载荷在空间应用时具有瞬时热流密度高、工作时间短、间歇性工作的特点。为确保其高性能的工作，需要高效地解决激光载荷的热量获取、传递及排散问题。但受限于航天器有限的散热面面积，其散热能力往往难以满足大功率激光器的瞬时散热需求，而相变储热作为一种利用相变潜热的高效储热方式，可以解决航天器热控系统在供给侧和需求侧时空不匹配的问题。机械泵驱两相流体回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop，MPTL）具有高效的传热效率和很强的传热能力，是解决大功率热量获取和传递的先进技术。文章针对大功率空间激光载荷的散热需求，将相变储热和两相传热技术相结合，提出基于固液相变储热和气液相变传热的短时大功率散热方案，完成了散热系统研制及性能测试。实验结果表明，散热系统能够很好的满足大功率激光载荷的散热需求，实现了 12kW 大功率载荷短时间稳定运行，具有很好的工程应用前景。关键词 大功率激光载荷 机械泵驱动两相流体回路 相变储能装置 航天器热控 中图分类号:V416；TK124 文献标志码:A 文章编号:1009-8518(2023)03-0069-10 DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.008 Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under High Power Space Laser Load CHEN Xianggui1,2 ZHAO Zhenming1,2,*MENG Qingliang1,2 WANG Yu1,2（1 Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094,China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology,Beijing 100094,China）Abstract High-power laser loads have the characteristics of high instantaneous heat flux density,short working time and intermittent operation in space applications.To ensure its high-performance work,it is necessary to efficiently solve the heat acquisition,transfer,and dissipation problems of the laser load.Due to the limited heat dissipation surface area of the spacecraft,its heat dissipation capacity is often difficult to meet the instantaneous heat dissipation requirements of high-power lasers.As an efficient heat storage method using latent heat of phase change,phase change heat storage can solve the problem of space-time mismatch between the supply side and the demand side of the spacecraft thermal control system.Mechanically pumped two-phase loop(MPTL)utilizes the latent heat of gas-liquid phase transition and boiling heat transfer characteristics in the 70 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 process of flow boiling,which is the key to solving the heat dissipation problem of high-power equipment due to its extremely strong heat transfer capability.In view of the heat dissipation requirements of high-power space laser loads,this paper combines phase change heat storage and two-phase heat transfer technology,proposes a short-term high-power heat dissipation scheme based on solid-liquid phase change heat storage and gas-liquid phase change heat transfer,and completes the development and performance test of the cooling system.The experimental results show that the heat dissipation system can well meet the heat dissipation requirements of the high-power laser load and realize the stable operation of the 12KW high-power load in a short time,which has a good engineering application prospect.Keywords high-power space laser loads;mechanically pumped two-phase loop(MPTL);phase change energy storage device;spacecraft thermal control 0 引言 近年来，随着激光技术的日新月异，大功率空间激光载荷正在通信、遥感等领域的卫星上获得广泛使用1，例如高功率半导体激光器阵列等器件。尽管激光器的输出功率在不断提高，但由于光电转换效率的限制，激光二极管依旧会产生较大的热功率耗散2，这意味着空间激光载荷的散热量和热流密度呈指数级增长。为了提高大功率激光载荷的性能和可靠性，迫切需求一种适用于大功率、高热流密度的散热系统。目前针对大功率散热的传热技术包括单相水冷、两相冷却、射流冲击、喷雾冷却等3。虽然，大通道单相水冷技术可靠性高、技术成熟，但存在流量大、管路直径大、系统体积质量大等问题，不适用于对安装尺寸、体积、质量限制严苛的空间应用场景。而现已广泛应用于各类航天器的槽道热管、环路热管等热控产品，因毛细驱动力不足4，难以满足大功率激光载荷散热需求。机械泵驱两相流体回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop，MPTL）是以机械泵作为驱动部件，利用工质气液相变实现热量交换与传递的一种两相换热系统，相比槽道热管、环路热管具有更强的传热能力和更远的传输距离5。已有研究和在轨飞行应用实例证明，MPTL 作为分布式载荷和大功率载荷的热传输系统具有良好的工作特性，其中最典型的就是由欧洲和中国多家机构联合研制的 磁谱仪硅微带探测器热控系统6。磁谱仪硅微带探测器热控系统本质上是一个工质为液态二氧化碳的 MPTL 系统，迄今为止，该系统已连续工作11年，其工作结果表明MPTL系统在多热源控温上具有优良的温度控制精度、稳定性和可靠性7-9。此后，中山大学开发了一种为中国货运飞船“天舟一号”上的微重力流体冷凝实验提供精确控温的 MPTL系统10。法国泰雷兹阿莱尼亚航天公司也一直致力于开发用于 4kW 有源天线散热用 MPTL 装置11，该公司 2021 年发射的最新一代大型通信卫星 SES-17 采用了该 MPTL 装置，该装置可以有效地传输大功率设备的散热热量，并保证部组件处于准等温状态12。中国多个院所也对 MPTL 系统进行了在轨验证。尽管 MPTL 热传输效率很高，但究其根本只是一种高效的热传输系统，航天器废热依旧要依靠散热面对黑冷空间的热辐射来排散。受卫星轨道、星上能源、散热面面积、载荷寿命等众多因素的限制，目前的大功率激光载荷往往采用短时（瞬时）间歇性的工作模式。显然，为短时间的大功率需求而增加大量的散热面是得不偿失的，对于部分航天器也是无法实现的。相变储热技术作为一种利用相变潜热的高效储热方式，可以有效的解决上述问题13，非常适用于周期性和脉冲式工作的仪器设备14。王爱华等人使用耦合蓄冷装置的单相流体回路方案和热泵回路方案，成功减少了辐射器面积、降低了散热系统质量15。上海技物所为登月探测器激光载荷热控系统设计了一个相变储能装置，并顺利通过了振动力学实验和热真空实验验证16；郭远东等进行了应用相变材料的星敏感器控温研究17；欧洲、印度等国也对 第 3 期 陈祥贵 等:大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 71 空间应用的相变储能装置进行了研究18-19。上述研究表明空间应用中利用相变储能装置取代传统的冷凝器具有可行性。结合上述相变储热与两相传热技术的优点，本文提出一种耦合相变储热装置的机械泵驱两相流体回路系统，并针对大功率空间激光载荷的散热需求开展了系统工作特性的研究。1 实验系统设计 1.1 系统设计 该实验系统的设计目的是为了验证耦合相变储能装置（Phase Change Materials Heat Exchanger Device）的机械泵驱两相流体回路热传输系统能否满足大功率激光载荷的短时散热需求。该实验系统由MPTL 子系统和相变储能装置两部分组成，图 1 给出了该系统的设计原理图，图中红色管路部分为两相段管路，蓝色部分为单相段管路，T1、T2、T3、T4、T5、T6为热电偶测点布置处的温度，图 2 为系统实物图。其中，MPTL 子系统包括机械泵、储液器、蒸发器 1、蒸发器 2、连接管路、绝对压力传感器、压差传感器及测温热电偶等部件。蒸发器 1 加载 3 000 W 热量、蒸发器 2 加载 9 000 W 热量（基于真实热源的模拟），热流密度最高达到 5.75 W/cm2。MPTL 子系统和相变储能装置由外径为 8 mm、内径为 6 mm的不锈钢管连接。压差传感器通过管路与机械泵进出口连接，用于观察泵前后系统压差的变化和机械泵的工作状态；绝对压力传感器与储液器出口相连，用于监测储液器内部压力，便于系统蒸发器中的饱和温度的调整。工质在回路中循环流动的驱动力由机械泵提供，机械泵控制器具备开关机、转速调整和预警功能，保证各项测试需要。图 1 耦合相变储能装置的机械泵驱两相流体回路原理图 Fig.1 The schematic diagram of the MPTL system composition with PCM heat exchanger device 图 2 实验系统实物图 Fig.2 The physical diagram of the MPTL system 表 1 给出了该实验系统主要设备参数。实验系统的主要测试项目包括机械泵开机测试、热源加载测试和流量调整测试。表 1 实验系统主要设备参数 Tab.1 The parameter of main components of MPTL system 部组件 数值 机械泵 电压：24 V；转速：012 000 r/min 储液器 加热功率 60 W，工质总质量 500 g 相变储能装置 相变材料焓值约为 227.0 kJ/(kgK)相变材料总质量约为 25 kg 蒸发器 1 加热功率 3.0 kW 蒸发器 2 加热功率 9.0 kW 72 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 1.2 MPTL 子系统设计 选取高纯度液氨作为工质，液氨具有良好的热物理特性，性能稳定、相变焓值大、导热系数高，这使得 MPTL 系统更轻、流量更小、功率需求更少。另一方面，液氨是航天器热控系统中成熟常用的工质，与除铜之外的多数金属材料相容性较好。机械泵采用离心泵，并针对电磁环境、离子辐射等进行了屏蔽设计。储液器采用具有自主冷却能力的两相控温型储液器，利用从相变储能装置出来的冷流体，为储液器控温提供必要的冷量。蒸发器 1 采用较窄的多并联流道设计，多个较窄流道的设计可以有效增大工质受热的热流密度，便于工质过热现象的尽快结束并进入两相态，使系统尽早进入稳态运行中。为有效确保蒸发器各部分的热量均能被有效获取，采用了均流技术设计并联流道，保证并联流道的供液量均匀，使系统运行稳定高效。蒸发器 2 采用较宽的串联蛇形流道，其较宽的流道既可以降低两相流的流动阻力，也有助于解决工质向两相态转变过程中气态工质体积膨胀导致的流道阻塞、流量波动和干烧等问题。实验适配的激光载荷为某型光纤激光器，实际应用中蒸发器 1 与激光器的光纤部分耦合，蒸发器 2与激光器的泵浦耦合。光纤部分通过特殊设计镶嵌在蒸发器 1 表面内，泵浦部分通过导热硅胶与蒸发器2 导热安装，并利用螺栓紧固。实验时通过陶瓷加热片模拟激光器工作时所产生的热量，其中蒸发器 1的加热片主要集中在蒸发器上表面中间部分，蒸发器 2 的加热片则布置在蒸发器蛇形流道处的上下表面，陶瓷加热片通过导热硅胶固定在蒸发器上，并由螺栓和铜片固定。1.3 相变储能装置设计 相变储能装置主要由相变材料、换热管路（工质和冷却剂管路）、封装壳体及装配件组成，换热管路埋藏于相变材料中，如图 3 所示。实验中选取正十四烷作为主要的相变储能材料，其相变焓值为227 kJ/(kgK)，并加入了少量其他石蜡类物质以降低正十四烷的相变温度。为提升相变材料的导热系数，提升相变材料的利用率，在相变材料中添加了石墨纤维，混合后的等效导热率为 1.50 W/(mK)。由于相变装置中的工质冷却管路较长，为防止系统流阻过大，相变装置内采用了并联管路的方式。相变装置由 10 个并联管路组成，在最大程度保证冷却效果的同时，减小系统流阻，如图 4 所示。图 3 相变储能装置原理图 Fig.3 The schematic diagram of the PCM device 图 4 相变储能装置管路图 Fig.4 The perspective pipe of PCM device 1.4 不确定度分析 实验中测量量包括温度 T、压力 P、体积流量 q 和热负荷 Q。各测量量的精度包括设备的测量误差、采集误差和随机误差。温度的不确定度包括测量设备误差 TB、数据采集设备误差 TM和随机误差 TR（其中，下标 B 表示测量误差，M 表示采集误差，R 表示随机误差，下同），即 222BMR=()()+()TTTT+（1）第 3 期 陈祥贵 等:大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 73 式中 温度测量设备采用直径 0.20 mm 的“T”型（铜-康铜）热电偶，其误差为0.1 K；数据采集设备使用安捷伦 34 980 A，其温度采集误差为0.1 K，系统的随机误差为0.2 K。因此，温度的不确定度为0.24 K。同样，压力的不确定度可由式（2）计算 222BMR=()()+()PPPP+（2）式中 压力测量设备采用绝对压力传感器和压差传感器，其误差为1 000 Pa；数据采集设备使用安捷伦 34 980 A，其压力采集误差为500 Pa，系统的随机误差为1 000 Pa。因此，压力的不确定度为1 500 Pa。流量不确定度的计算如下 222BMR=()()+()qqqq+（3）式中 流量测量设备采用涡轮流量计，其误差为5%；数据采集设备使用安捷伦 34 980 A，其流量采集误差为1%，系统的随机误差为3%。因此，流量的不确定度为5.91%。蒸发器上热负荷是导出量，可由电压 U 和电流 I 的多乘积求和得出。因此，总热负荷的不确定度可以计算为 10221()+()iiiiiUIQQUI=（4）式中 在测试过程中，使用10个直流电源来模拟蒸发器上的热负荷，下标i表示第i个电源。电压和电流的测量不确定度皆为1%。将值代入式（4），可以得到热负荷的推导不确定度为4.5%。在实验过程中，通过空调系统将实验室环境温度控制在25，并在实验台部组件外包裹保温棉来阻止漏热。因此，实验系统的环境热损失可由下式计算 pipoutlosel2()ln/TTQLRR=（5）式中 Qlose是单位时间内的环境热损失；L是管路的长度；Tpip是管路外壁面的温度；Tout是环境温度；R是管路外径；Rl是管路外保温棉外径；是保温棉的导热系数。经计算Qlose=2.65 W，远小于蒸发器 12 kW的加热功率，可以视为绝热边界条件。通过上述对该实验系统不确定度的分析证明，该实验系统向外界环境漏热小，实验系统与外界环境之间可视为绝热边界条件，且实验误差小，结果可信。2 工作原理 2.1 MPTL 系统工作原理 MPTL系统以机械泵提供驱动力，利用工质的气液相变潜热从热源处吸收并存储热量，工质在冷凝器或辐射散热面中冷凝并释放热量。储液器作为MPTL系统的控制核心，可以通过控制储液器的饱和温度控制着储液器和系统的饱和压力，进而控制系统的饱和温度。当蒸发器内流体达到两相饱和态时，其与储液器内饱和态流体满足Clausius-Clapeyron关系式20。因此，两个组件内饱和流体的温度是相关的，即 EAevaaccsat(d/d)PTTPT=（6）74 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 式中 Teva为蒸发器内的温度；Tacc为储液器内的温度；PEA为储液器和蒸发器的饱和压力之差；(dP/dT)sat为温度点Tacc的压力-温度曲线斜率。式（6）说明蒸发器中饱和流体的温度可以由储液器和饱和压差PEA控制。该MPTL系统中储液器和蒸发器的饱和压差PEA包括泵的扬程和系统流阻造成的影响，即 EAaccpumpevapumpmPPPPPP=+=+（7）式中 Pacc为储液器内的绝对压力；Peva为蒸发器内的绝对压力；Ppump为机械泵提供的扬程；Pm为储液器至蒸发器的流动阻力压降。其中，流动阻力压降Pm包括单相段的流动阻力压降和两相段的流动压降，其影响因素包括单相流阻的影响因素、工质两相段的长度、饱和态工质的干度等。在MPTL系统中，工质从过冷状态到吸热结束会先后经历单相流动和两相流动。当工质处于单相流动状态时，其传热方程为 pf,ouevatf,in()Qc M TT=（8）式中 Qeva是单位时间内蒸发器上的输入功率，即Qeva=UI，也是系统的单位时间散热量；M是质量流量；Tf,in和Tf,out分别是蒸发器内工质的入口温度和出口温度，单位为；cp是液氨工质的定压比热容。当工质进入两相流动状态后，其传热方程为 sat=P xMh（9）式中 x是系统中工质的干度；sath是液氨工质的相变焓。2.2 耦合相变储能装置的传热分析 相变装置通过相变材料的融化吸收和储存MPTL系统工质携带的热量，并通过航天器散热面慢慢辐射到黑冷空间。因此，单位时间内相变储能装置与MPTL系统的热平衡方程为 PCMevlosae QQQ+=（10）式中 Qeva是蒸发器上的输入功率；QPCM是单位时间内相变材料的吸热量。在本实验中相变材料吸热过程会历经相变前的单相吸热、相变潜热吸热和完全融化后的单相吸热三个过程。在系统工作的初期，相变材料处于过冷状态，即其温度低于相变温度。因此，当工质携带热量流过相变材料时，相变材料首先进入固体的单相换热状态，其传热方程为 PCMPCM,1PCM,sQQcm T=（11）式中 PCM,1Q为固体相变材料单相吸热状态的单位时间吸热量；m是相变材料的质量；cPCM,s是固体相变材料的比热容。在相变材料的温度达到相变温度后，其进入两相吸热状态，利用相变潜热吸收工质携带的热量，传热方程为 PCMPCM,2PCMQQm h=（12）式中 PCM,2Q为相变材料两相换热状态的单位时间吸热量；hPCM是相变材料的相变焓。在相变材料继续升温后，其进入液态的单相换热状态，其传热方程为 PCMPCM,3PCM,lQQcm T=（13）式中 PCM,3Q为液态相变材料单相换热状态的单位时间吸热量；cPCM,l是液态相变材料的比热容。由式（10）可知，相变材料单位时间的总吸热量evaPCMloseQQQ=，则相变储能装置与MPTL系统的瞬态传热方程为 第 3 期 陈祥贵 等:大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 75 losefevCP MaP MCd()dQTTtQR=（14）式中 Tf是工质的温度；TPCM是相变材料的温度；RPCM是MPTL到相变材料的综合热阻，包括对流换热热阻、管壁热阻、相变材料内部热阻等。由于该热阻的存在，实际换热过程中靠近MPTL管路的部分将先发生融化，远离部分将最后融化。3 分析与讨论 3.1 实验流程 实验开始前，利用工业制冷机（模拟航天器辐射散热器的制冷作用）实现相变储能装置内相变材料的冷凝。工业制冷机的温度设定为10，通过低温制冷剂的循环冷凝相变材料，直至相变装置内部温度接近工业制冷机温度。实验开始时，系统各部分温度稳定在环境温度14.5 附近。50 s时，机械泵启动，驱动流体回路内的工质开始循环。150 s时，开始加载热负荷，蒸发器1加载功率为3.0 kW，蒸发器2加载功率为9.0 kW。270 s时蒸发器内工质进入较为稳定的两相态，流量稳定在1.2 L/min附近，进行流量调节测试。292 s时增加泵的转速，流量增加至1.43 L/min；326 s时增加泵的转速，流量增加至1.67 L/min；354 s时增加泵的转速，流量增加至4 L/min。410 s时，相变储能装置出口的工质温度上升至12，临近运转中机械泵的汽蚀界限，热载荷关闭。435 s时，机械泵关闭机。该MPTL系统通过耦合相变装置，维持12 kW大功率载荷运行了261 s，其中维持激光器温度稳定（温度波动3）的运行时间为147 s，实现了激光器稳定运行90 s的设计目标，具有很好的工程应用前景。3.2 实验结果分析 图5为蒸发器1和蒸发器2温度随时间的变化曲线。储液器加热控温过程中，蒸发器1、2的各测点温度基本稳定在环境温度14.5 附近。55 s时机械泵启动，回路内工质开始循环流动，回路内工质温度受相变装置的影响逐渐降低，进而导致回路各个位置的壁面温度开始下降。由于金属优良的导热性能，蒸发器1、2的进出口测点温度T1、T3、T4、T6可以近似认为是管内流动工质的温度。热负荷加载后，蒸发器1的冷板温度T2和工质温度开始上升。由于蒸发器1较小的热负荷和较大的流量，蒸发器1实际上起到了预热器的作用。工质在蒸发器1中基本处于被加热的、稳定的单相流动状态，随后进入过热状态；290 s时，进行流量调节，增大流量，蒸发器1出口温度T3降低。在上述过程中，由于蒸发器热阻的存在，蒸发器1的冷板温度T2大部分时候高于其内的工质温度。热负荷加载后，蒸发器2的冷板温度T4开始上升。蒸发器2内的工质首先处于单相流动状态，但随着加热的持续和流体温度的快速上升，工质迅速进入两相状态，直至处于稳定的饱和两相流动状态，随后蒸发器2的冷板温度T4仅随系统饱和压力的上升而缓慢增加。得益于蒸发器1并联的窄流道设计和蒸发器2自身较大的热负荷，蒸发器2内的工质未经历过热状态的温度波动而直接进入两相流动状态，在此过程中，蒸发器1的预热器作用保证了两相流体回路系统的稳定性。工质进入两相态后，蒸发器2的饱和温度和饱和压力仍在缓慢上升，其原因主要是随着热量的吸收，管路附近的相变材料组件融化，换热能力下降，导致相变装置中工质两相段的延长，使得系统内气态工质增加和相变装置出口工质温度上升，进而导致流体回路系统饱和压力的上升，并最终导致系统各处饱和温度的上升。而流量调节测试过程中，蒸发器1、2的壁面温度及其趋势基本稳定，没有出现明显的不稳定现象。上述结果表现出该系统具有良好的抗干扰能力。76 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 （a）蒸发器 1 （b）蒸发器 2（a）Evaporator 1 （b）Evaporator 2 图 5 蒸发器 1、蒸发器 2 冷板温度和工质温度随时间变化趋势图 Fig.5 The change trend of temperature of wall and working fluid with time in evaporator 1 and evaporator 2 图6给出了实验过程中相变储能装置进出口温度随时间的变化趋势。相变装置作为系统散热的热沉，在系统启动运行前初始温度为7，低于系统其它位置温度。机械泵启动后，回路内工质开始循环流动，上游温度较高的工质流经相变装置入口后，使得该处温度出现小幅上升，而后因与相变装置的换热，使得完成一个循环再次流经相变装置入口的工质温度开始迅速下降。对于相变装置出口处的工质，由于其上游为温度较低的相变装置，使得机械泵启动后该处温度迅速下降，而后因工质与系统内其它高温组件的热交换而逐渐上升。加载热负荷后，相变装置进口温度迅速上升，这是由于此时MPTL系统内的工质温度未达到饱和温度，处于单相流动状态，使得其吸收蒸发器处的热量后温度迅速升高。受其影响，相变装置出口的温度也呈现小幅上升的趋势。当MPTL系统内的工质达到饱和温度进入两相流动后，相变装置入口处的温度趋于稳定；此时相变装置出口处的温度同样趋于稳定，但随后因相变装置内靠近流体工质的相变材料逐渐全部融化而继续上升，直至热负荷关闭。在加载热负荷的时间内，相变装置的工作过程可分为三个阶段，即单相吸热阶段（50200 s）、两相吸热阶段（200350 s）和融化后的单相吸热阶段（350410 s）三个阶段。在热负荷加载初期，由于相变材料的温度低于相变点，工质流经相变装置后，相变材料首先处于单相吸热状态，依靠相变装置的显热吸收工质所携带的热量，使得相变装置温度逐渐上升。当相变材料温度达到相变温度时，工质管路附近的相变材料开始融化，相变装置出口温度出现拐点，相变材料进入相变吸热状态，相变装置出口温度上升趋势放缓。此后，相变装置出口温度再次开始上升，这是因为此时相变材料已经完全融化，相变装置再次进入单相吸热状态，直至出口工质温度达到12，热源关闭，实验结束。实验中，蒸发器上加载的热功率是恒定的，而相变装置出口的工质温度会受到系统流量的影响。调节流量测试中发现，随着流量的增加，相变装置的出口温度上升趋势加快。这是因为随着流量的增大，工质流速增大，工质在相变装置中停留的时间变短，工质与相变材料的换热过程变得不充分，导致相变装置的出口工质温度上升。图7给出了实验过程中系统流量和系统压差的变化趋势。储液器加热控温时，流量和系统压差基本稳定；机械泵启动后，系统压差迅速上升至0.2 MPa，流量迅速增加至4.5 L/min。第 3 期 陈祥贵 等:大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 77 加载热负荷后，回路中的流量和系统压差基本可以分为单相流动阶段（）、初入两相流动阶段（）、流量滑移阶段（）和稳定两相流动阶段（）四个阶段。加载热负荷之初，工质流动处于单相流动阶段，流量平稳、系统压差基本无波动；随着流体回路中两相态工质的出现，管路中部分位置的流动进入初步的两相流动阶段，流量和系统压差开始出现轻微波动；随着工质干度的不断增加和两相段管路的不断延长，流动进入流量滑移阶段，流量和系统压差波动加大，流量开始迅速下降，出现了“流量漂移”现象，系统压差则在缓慢上升。此后，流动进入相对稳定的两相态流动阶段，流量和系统压差基本稳定，在一定范围内机械泵转速的增加也不会让流量和系统压差产生剧烈波动，如前三次较小的流量增加，流量增加后在较小的范围内波动，基本保持稳定。当然，机械泵转速的增加超出某一范围后，流量和压差依旧会有强列的波动产生，如第四次流量增加幅度较大，系统流量产生明显波动。关闭热载荷后，工质干度迅速下降，进入单相状态，流动阻力减小，致使流量迅速上升。图 6 相变装置进出口温度随时间变化图 图 7 流量和系统压差随时间变化图 Fig.6 The inlet and outlet temperature of Fig.7 The change of flow and system phase change device with time differential pressure with time 4 结束语 本文提出了一种耦合相变储热的机械泵驱两相流体回路系统，用以解决大功率空间激光载荷短时散热的问题，并针对大功率散热需求开展了系统的启动特性、控温特性及工作稳定性研究。实验结果表明：1）该散热系统充分利用泵驱流体回路的气液相变特性和相变装置的固液相变特性，能够成功解决大功率设备的短时散热问题，具有传热能力大、表面温升小等优点，为后续的空间应用打下坚实的基础，提供了相关设计参考；2）流量测试表明，系统热传输过程中存在最适宜流量，一味地追求大流量并不能增加其散热能力，反而会导致系统压力的增加和相变装置出口温度的上升，造成蒸发器处饱和温度的上升和系统散热效率的降低。参考文献(References)1 MCGARRY J F,HOFFMAN E D,DEGNAN J J,et al.NASAs Satellite 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