空间站流体回路_热管耦合式热辐射器性能研究.pdf

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.Beijing 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 control 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（CSS）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 resistance 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 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.Key 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散热能力变化；5）水平姿态下单流体管路和双流体管路散热能力变化。图 3辐射器热试验原理Fig.3Schematic diagram of the thermal test for the radiator图 4试验件及支架（水平+Y方向）Fig.4Radiator and holder（horizontal，+Y-direction）表 1辐射器热平衡试验工况参数表Tab.1Parameters of the thermal balance tests for the radiator under different working conditions序号12345678试验工况工况 1a工况 1b工况 1c工况 1d工况 1e工况 2a工况 2b工况 3工质流量/（Lh1）300300300300300150300300进口温度/20.020.117.110.20.515.115.317.1辐射器状态水平水平水平水平水平水平水平竖直外热流无惯性飞行高温惯性飞行高温惯性飞行高温惯性飞行高温惯性飞行高温惯性飞行高温惯性飞行高温热流模拟方法无阴影阳照平均阴影阳照平均阴影阳照平均阴影阳照平均阴影阳照平均阴影阳照平均阴影阳照平均备注双管路双管路双管路双管路双管路单管路单管路双管路90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3.1不同进口温度对比对工况 1b/1c/1d/1e数据进行了对比分析，得出了水平姿态下不同进口温度的散热性能变化。辐射器为水平姿态，在其他参数均相同，而进口温度不同时（进口温度分别为 0.5、10.2、17.1、20.1）辐射器模块的散热能力变化曲线如图5所示。10.2时辐射器散热能力与 0.5 和 20.1 时的散热能力的平均值一致（偏差 3.6%），17.1 的散热能力与 10.2 到 20.1 的相应温度插值一致（偏差 3.8%），即进口温度在 020 时，辐射器散热能力近似成线性变化，这一规律可用于估算辐射器不同温度下的散热能力。3.2有/无外热流对比辐射器在水平姿态下有/无外热流散热能力变化曲线如图 6 所示。有外热流时，阴影区平均散热能力为 910 W，阳照区散热能力为 405 W；而无外热流时，散热能力为 1 070 W。实际上，辐射器阴影区总外热流计算值为 532.7 W，而阳照区总外热流计算值为 1 020.6 W，阴影区散热能力（910 W）减掉阳照区比阴影区增加的外热流（487.3 W）得出 422.1 W，与试验实际得出的数值偏差 4.1%，即在此情况下，可以采用辐射器已知外热流的工况的散热能力及新增的外热流数值（外热流数值应该在散热能力 50%以上）估算辐射器有外热流的散热能力。3.3水平/竖直姿态对比如图 7 所示，给出了工况 1c 和工况 3 在进口温度、流量、外热流均相同，而试验姿态分别为水平和竖直 2种情况下散热能力变化曲线。辐 射 器 工 况 1c 阴 影 区 平 均 散 热 能 力 为798 W，工况 3 为 876 W，工况 1c 阳照区平均散热能力为 365 W，工况 3 为 392 W，竖直姿态下散热能力略小于水平姿态散热能力（按照轨道平均计算，低 9.6%），原因是地面试验，热管受重力影响，工质在热管底部积聚，热源与热管液端存在一定匹配偏差，不能保证工质全部发挥作用，从而影响了散热能力，而水平姿态下，热管受重力影响可忽略。这一规律可作为空间站整舱热平衡试验的参考。3.4不同流量对比水平姿态下不同流量情况散热能力变化曲线如图 8所示。入口温度约 15，工质流量从 150 L/h 增加到300 L/h 时，阴 影 区 散 热 能 力 约 从 720 W 增 加 到860 W，升高约 150 W；阳照区散热能力约从 260 W增加到 340 W，升高约 80 W。此工况下，辐射器流图 5工况 1b1e散热能力对比曲线Fig.5Comparison of the heat dissipation capability curves for cases 1b1e图 6工况 1a/1b散热能力对比曲线Fig.6Comparison of the heat dissipation capability curves for cases 1a and 1b图 7工况 1c/3水平和竖直试验姿态散热能力对比曲线Fig.7Comparison of the heat dissipation capability curves for cases 1c and 391第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）量增加 1倍，散热量仅增加约 23.9%，此工况验证了辐射器流量和散热能力不成正比，流量较小时，流量增加会显著增加辐射散热能力，当流量增大到一定程度，则流量增加对辐射能力影响变小。流量和辐射器散热能力的关系详见文献 11，不再赘述。3.5单/双管路对比单/双管路对比工况验证了相同流量下，辐射器单流体管路与双流体管路工作时散热能力变化规律，上文分别给出了工况 1c和工况 2b的辐射散热能力曲线，这里不再罗列，仅对两者散热能力进行对比分析。工况 1c辐射器阴影区散热能力 876 W，阳照区散热能力 392 W，工况 2b 阴影区散热能力 860 W，阳照区散热能力 340 W，轨道周期平均散热能力分别为 589.6 W 和 548 W，相同流量下，单流体管工作时散热能力是双流体管工作散热能力的 93.2%。这一数据可用于空间站辐射器在轨故障工况决策。说明即使辐射器单个管路被击穿失效后，依靠热管的作用，仍然能维持足够的散热能力。这是热管耦合式辐射器结构的优势。3.6热传输分析本文根据试验数据，对辐射器传热过程进行了分析，其中辐射器传热过程包括工质到流体管壁的对流换热、流体管壁到热管的导热、热管自身的传热及热管壳体与辐射板之间的导热。工质到流体管壁的对流换热与工质种类、流体管参数及流量相关，换热能力可利用流体力学公式计算；热管则可简化视为超导热材料；流体管和热管为焊接结构，对于给定辐射器，两者传热系数为固定值。这里几个传热系数均利用试验数据计算得出12。汇总所有工况数据，根据流体管和热管之间的传热量、平均传热温差及耦合面积得出了流体管壁-热管管壁等效传热系数为 8 1948 981 W/（m2 K）；根据总辐射散热量、热管与辐射板测温温差及两者耦合面积计算得出了热管管壁-辐射板等效传热系数为 1 2601 312 W/（m2K）；然后结合流体管内部工质与管壁的对流换热系数，得出了辐射器流体工质-辐射板的整体换热系数，在单流体管流量为150 L/h 时，流 体 管-辐 射 板 的 整 体 传 热 系 数 为700 W/（m2K），在单流体管流量为 300 L/h 时，流体管-辐射板的整体传热系数为 890 W/（m2K）。4仿真验证 将试验获得的辐射器各传热环节传热系数带入辐射器仿真模型，仿真模型考虑了辐射器所处空间环境，尤其是空间站大型柔性太阳翼结构13对辐射器的影响，针对航天器典型工况 1c 进行仿真验 证。具 体 建 模 及 仿 真 方 法 参 考 文 献14和文献 15。仿真计算得出了在轨道瞬时热流下辐射器的散热能力，并与工况 1c 的试验数据进行了对比，如图 9 所示。其中仿真为在轨瞬时外热流，因此与试验工况的轨道阴影阳照平均外热流存在差异，但仿真结果的阴影区和阳照区平均散热能力分别为 377和 852 W，与试验结果一致，综合偏差 3.3%，主要原因为试验中流体管路存在弯管及接头等增大了局部换热系数，而仿真计算无法模拟。仿真验证与试验结果一致，表明模型有效，可用于后续辐射器在轨温度预示。图 9工况 1c与仿真验证散热能力对比曲线Fig.9Comparison of the test and simulation results of the heat dissipation capability for case 1c图 8工况 2a/2b散热能力对比曲线Fig.8Comparison of the heat dissipation capability curves for cases 2a and 2b92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5结束语 本文对空间站流体管/热管耦合式辐射器热平衡试验进行了论述分析及仿真验证，获得的辐射器散热规律对载人航天器热试验及在轨预示均具有参考意义，主要成果包括：1）完成了辐射器在轨工作状态（水平姿态）试验研究，在其他条件相同时，单管路辐射能力是双管路辐射能力的 93.2%，表明辐射器在单路故障时能够保持工作性能。2）完成了辐射器整舱热平衡试验状态（竖直姿态）试验研究，研究表明，竖直姿态，其他条件相同时，辐射能力是水平姿态下的 90.4%，可为真空热试验采用竖直姿态代替水平姿态提供数据支撑。3）通过试验数据分析得出了热管辐射器热传输相关参数，完善了辐射器仿真模型，可用于后续其他复杂工况下的辐射器在轨仿真预示。4）利用试验数据，评估了辐射器散热能力与进口温度及外热流的变化规律，散热能力在 020 的温区内近似线性关系，此结论可用于辐射器的散热能力的工程评估。参考文献1 BEGG L L，ENGDAHL E H.Advance radiator concepts J.IEEE，1989，CH2781-3（75）：75-80.2 黄家荣，范宇峰.神舟七号飞船单相热控流体回路在轨性能评价 J.航天器工程，2009，18（4）：37-43.3 OREN J A，HOWELL H R.Spacestation heat rejection subsystem radiator assembly design and developmentC/25th International 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