环路热管的应用.docx

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1、环路热管的应用环路热管的应用郭舜米珉曹剑锋苗建印空问飞行器总体设计部，北京摘要环路热管是毛细驱动、相变传热家族的又一成员。该项技术近年采备受重视，发展迅速本文扼要介绍这项技术在航天、航空热控应用中的若干情况主题词环路热管毛细抽吸力毛细芯防结冰引言环路热管是年代初由前苏联乌拉尔技术学院的等人提出的，只是近年来与航天应用相结合。才得到迅速发展。概念近似于。当工质选择适当，芯构造设计合理时，其传热能力可达以致更高。最主要的特点就是其蒸发器芯构造的毛细抽吸力极强。这个克制的重力压降、平衡系统细长汽液管道的阻力以及其它阻力的毛细力，是其应用优势的基础。但是，由丁比起热管来，它构造较为复杂；比起毛细抽吸两

2、相环路系统来，它不能承受很大功率和构造规模。所以目前的应用尚以在特定需求为主。这些需求，一是热量在重力场中传递需要克制重力压差的场合，包括航天器在地面试验时的情况；二是需要控制仪器、设备温度水平及其波动范围的情况；三是热源和热沉之间需柔性连接的情况。这第一和第三种情况用常规热管是无法解决的。本文介绍若干实际用例，用以帮助对这技术应用方面的了解。的应用最早的应用是俄罗斯在飞船上进行的空间飞行试验年，考验其在微重力条件下长期工作的能力和可靠性，获得了成功。年俄罗斯又在空间飞船上应用组，介入温控，获得成功。之后，年，美国分别在、一和一上进行的飞行试验，考验了的长期在轨工作能力。年，中国风云一应用了从

3、俄罗斯引进的套，用于镍镉电池的温度控制，结果良好。我国研制的最近业已安装到飞船的热控试验船上，准备进行地面环模考验。下面介绍几个国外应用实例，以求对的应用有比拟详细的了解。用于空间飞行器仪器热控空间飞船上安装了组系统，用于部分仪器的控温。如图所示，在该飞船的外外表上装有一个光学仪器安装座和一个星光折射传感器。一根长、直径为的干线热管通过安座连接光学仪器的冷面，丽光学仪器的蒸发器则与此安座相连。再将热量传给辐射器的蒸发器。这个的大部分的管路布置在辐射面上，热量通过这个辐射面排散向空间环境。另一个用于星光折射传感器的散热，其凝结器与的蒸发器相连。下表列出用热管的特性数据。表用热管的特性数据特性传热

4、能力，工作温度范围，一一热阻，脚蒸发器直径，加热区长度，蒸汽连管长度，蒸汽连管直径。液体连管长度，液体连管直径，管材不锈钢不锈钢不锈钢芯材镍镍镍工质丙烯丙烯丙烯这个应用通过的组合由公司提供到达仪器温度控制的目的。此外，它还是比拟早期的应用了小型蒸发器、镍的芯构造。蒸发器和凝结器间长达的、相对柔软的传输管道无论在地面试验、船上走向，还是在辐射器上的布置，都比常规热管有很大的改良，比方地面试验能够不考虑设备的方位等。燃气透平进气口防冻冰当燃气透平在低温环境中运行的时候，引擎进口处的结冰是需要解决的一个问题。通常的防结冰的方法是加热，用高压抽气加热引擎罩以防止结冰。但防结冰系统能改善这种情况。例如对

5、某涡轮风扇发动机的设计计算表明，在爬高英尺的条件抽气防结冰系统将降低爬高推力，而用防结冰系统降低爬高推力仅。防结冰系统的试验不仅证实了其能够到达防结冰的要求，并且比原抽气法防结冰系统性能优越。另外还开拓了两项技术：开、关的技术和在高加速度的情况下启动。防结冰系统的概念设计见图毛妒从排烟道中汲取排烟的热量，其凝结段即安装在防结冰处。热量从引擎传到引擎进口处以防结冰对此防结冰系统的设计要求如下：总功率外表积防结冰热流运行加速度设计值凝结器最大外表温度最大瞬时加速度升侧向降防结冰系统除从废热管热气中获得热量外，其它如压缩空气、发热元件均可考虑作为热源。但最后方案是用空气冷油器作为其热源在最坏条件下，

6、也只用空气冷油器捧热的三分之一就能知足防结冰的需要同时，由于这个方案，空气冷油器重量减少丑五羞的丛堡！持续使用防结冰系统其性能略有恶化因而，当不需防结冰时应该关闭?另一方面，从安全的方面讲叉希望防结冰系统能及时开启运行。于是研制了一个能够开关的系统并进行了试验。证实了这个系统的关断和打开是能够实现的。这个系统包括一个圆牲形的带着一个储液器的蒸发器，凝结器，蒸汽连管和液体连管。一个机械阀门安装在蒸汽连管上。的毛细芯用材为镍。工质甲苯。这个在蒸发器高于凝结器的状态下进行屡次的关断和重新启动的试验。当蒸汽连管被阀门关断的时候，蒸发器上所加为一恒定的功率。蒸发器和储液器的温度逐步地升高，同时，蒸汽连管

7、由于未加热而温度降低图。在大约秒时，蒸汽连管上的阀门打开。于是蒸汽流向凝结器，蒸汽连管和凝结器的温度就开场上升，同时，蒸发器本身遭到冷却。在约秒之后，凝结器的温度再下降。这是冷却水的作甩。凝结器置于蒸发器之上时的试验结果与其非常类似。试验证实了在系统中能够实现关断和再启动。地速廑达鉴：航空器的加速度是系统设计的重要因素。设计了一个试验来验证在高加速度工质干涸后，具有重新启动的能力。试件整体固定在旋转台上，用电加热器模拟防结冰系统的热负荷。试验系统的工质为甲醇。试验是按可能的种方位来进行的它门是：逆向加速度蒸发器在上、顺向加速度凝结器在上和横向加速度在旋转台上的半径恒定，加速度方向垂直于的长度方

8、向。对于顺向加速度的情况，从开场加恒定的热流。加速度逐步增加到，仍然未出现干涸现象。然而温度分布随加速度的增加而调节，几乎是由于系统中工质的重新分配，包括凝结器中的工质量的减少。逆向加速度下的的温度分布见图。试验从开场，加圊定功率。当加速度到达时发生干涸。由图可看到此时蒸发器温度迅速升高，同时毛细芯得不到工质液体的供给而干涸。于是，将加速度降到，温度仍缓慢上升，但工质液体开场再加注，温度仍在允许的范围之内。到加速度到达时再加注成功。蒸发器温度开场下降。这个试验经过，证实了对于由高加速度引起的干涸，是能够重新启动的。用于空间探测任务一任务的热控系统应用的有处：轨道舱、小站和穿透器。轨道舱两个独立

9、的摧力系统：定向与稳定推力系统和校正与降速推力系统。将要介绍的是用作燃料系统和定向与稳定推力系统引擎座的热稳定的利用的热控系统。和是着陆设备，将由轨道舱投到火星外表上工作。定向与稳定推力系统的熟控系统示意见图。该系统包括两个干线热管，它们从轨道舱仪器的外外表吸收热量，通过两个将热量分配到定向与稳定推力系统的燃料管和引擎座。定向与稳定推力系统的引擎座是固定在太阳帆板端的。入轨后，太阳帆板要展开。因而设有挠性段可反复弯曲超过度角。在航天器上安装此热控系统的原因是推力系统管线和引擎座阀门在火星轨道上某些阶段可能过冷。这种过冷可能造成定向与稳定推力系统的失败和定向的过失。在两相系统中液相温度可能比气相

10、温度低很多，十分是长系统和低热负荷系统。为了防止内的工质结冰使用了冰点温度为的丙烯为工质。的使用也解决了这样长的设备在地面试验时，不管在重力场的方位怎样都能到达可靠的试验值。在使用为主的热控系统比拟其它解决方法的好处是：重量轻；无功耗；被动控制：组件少，提高安全性。热控系统包括辐射一同位素热电源，热绝缘和。后者的凝结器连接仪器板和辐射器。同位素热电源通过辐射器散热。在火星上时，当火星大气温度急剧下降时，同位素热电源的全部热量将用于加热仪器板。在到达火星的阶段，与其辐射器整体被层层包围，大大复杂化了同位素热电源的冷却条件，此时辐射器的温度非常接近同位素热电源的温度。有下列功能：排散同位素热电源发

11、出的热量；把热量分布到仪器板和辐射器上：调节给辐射器的热流量。为了实现调节给辐射器的热流量，上连接了一个平行于辐射器的旁路通道。热流能够通到辐射器，亦可通过旁路通道绕开辐射器。热流的走向的调节是由一三通阀门操作的，而阀门的芯轴由内工质的压力驱动。当工质压力增加到高于阀门的设定值时，阀门打开辐射器的通道而关闭旁路通道图。当压力下降到低于此设定值时，阀门关闭辐射器通道而打开旁路通道。然而有一个压力值的区段约在大气压左右，两个通道均为打开。但是这个特点对的运行没有很大的影响。当同位素热电源安装到上之后，的蒸发器从安装面处吸收热量并传递给仪器板和辐射器。在空间飞行器不同飞行阶段处于不同状态下时，总是持

12、续运行的：与飞船连接轴处于水平状态，加速度为；飞船固定在发射位置轴的方位由度变到度，加速度为；发射进入轨道轴的方位为与竖轴夹角度，加速度；到达火星加速度；与飞船脱离并下降到火星大气加速度超过的交替载荷：在火星外表上工作方位近于竖直，加速度为在整个经过中。的运行都是稳定的。按估计的目的运行的。在火星大气条件卜辐射器温度能降到一，用氨作工质，保持了其工作能力，使同位素热电源和仪器扳的温度保持在设定的水平。甚至在辐射器完全充满了固相工质，也是如此。液体在辐射器内的结冰与溶化，对工作经过没有什么影响。热控系统与上述热控系统类似，其主要的差异于：有多个平行的凝结器与辐射器连接：为使多个平行的凝结器的热流

13、均匀设置了毛细隔离器；凝结器与带仪器扳的辐射器的连接处设置挠性段，使辐射器能够反复展开；仪器板、辐射器和蒸发器的构造有所不同。计划使用了。在飞行器上初次以两相系统为基础设计热控系统。证实了实际设计中的下列特点：在的基础上和使用二次热的长的、有分枝的、有挠性的管线的热稳定性；可用旁路通道和工质压力驱动的三通阀来进行部分的被动调节：确定了辐射器冻结工质的可行性；一确定了一个能够在加速度为条件下在任何方位运行系统。讨论应用方面的优势，最关键的是其芯构造具有强有力的毛细抽吸力毛细孔径在，量级的毛细苍构造，最大毛细抽吸力在量级，有很强的克制各种阻力能力，如毛细芯的阻力，地面的的压力降以及卫星发射时的强振

14、动等。在构造上允许液、汽连管很细、很长、很扭曲。但是，实际工程应用上能够到达的水平，很大程度上取决于管芯的选材和制造水平。同时也取决于工质的选择。的工质选择根据如下品质因数：，式中，是液体的外表张力系数，是气化潜热，“，是蒸汽的动力黏度，。是蒸汽的密度。根据这个准则，在列温度范围最有效的工质将是：乙烯一一氨一乙炔一一水在构造特点上，比热管具有很强的优势：管芯只设置在蒸发器内，芯的形状的设计使液体在毛细多孔介质中的运动的距离揖小，使芯构造的流阻和热阻都最小。蒸发段毛细芯以逆向弯月面机理进行换热，蒸发器就能够承受很商的热流密度比方：。设有储液器作控制之用，使具有一定程度的可控热导运行功能，可以以用

15、对储液器的热控制来主动调节工作温度。蒸汽和液体的流动分别通过光滑管道进行，其压力损失较小，也消除了热管中的携带限而在实际使用中可弯成任意形状。再就是一个环可装有数个蒸发段和凝结段。可见。的很强的传热能力是对其精心设计的结果。当然，与的优势相伴的还有其复杂性，这可能是造成当前应用尚处于较小范围的原因。应用中的问题是它要求的驱动功率相对较大，这是需要仔细注意的。结语以其极强的毛细驱动力、很好的传热特性和构造特性，在提高航天器热控系统的质量和稳定性方面极具潜力，近年来研究工作获得很快的发展的同时，在航空、航天热控技术方面的应用也已获得肯定的成绩。在各种应用中，为适应不同的使用要求，往往对的基本系统作

16、出不同的组合、调整和改良，这样体现了技术的开放性和广泛的适应性，也显示了应用经过对技术发展的促进。参考文献：“，：“，?：，?，。“，峨，：“。，蜊娟图飞船使用控温示意图图用将废热传向引擎的进口以防结冰时间秒图在阀门打开后启动世赠时间秒图在逆向加速度下的工作情况图定向与稳定推力系统的热控系统示意图圈的热控系统示意图融蝴辩辞鼎辞慷棼段存蹦喻窖搿捷翦獭陉葶啕瞄苷酎暴精喇扫剜旺帮略蠢崔牲稚糟事瞳懈；带鳓她一过拎扳环路热管的应用郭舜，米珉，曹剑锋，苗建印作者单位：空间飞行器总体设计部(北京)类似文献(1条)1.期刊论文柏立战.林贵平.BaiLizhan.LinGuiping环路热管复合芯传热与流动特性

17、分析-北京航空航天大学学报2020,35(12)环路热管是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一,而高性能的毛细芯是其高效可靠运行的保证.为不断提升毛细芯的综合性能,目前毛细芯由单一构造向着复合构造发展.建立了圆柱型蒸发器环路热管应用的双层复合构造毛细芯的数学模型,对其传热与流动特性进行了分析,重点考察了热载荷以及复合芯内外层厚度比的影响,并同单一构造的毛细芯进行了比拟.分析结果表明:复合芯在获得高的毛细抽吸力和蒸发效率的同时,可实现低的流通阻力与径向热导,其传热与压降特性明显优于单层芯,是高性能毛细芯的发展趋势;当复合芯的整体尺寸一定时,复合芯内外层的厚度比越大,复合芯的径向热导和流通阻力越小,有利于提高环路热管的运行性能.本文链接：下载时间：2020年6月18日