衛(wèi)星用兩種單相流體回路方案對(duì)比研究

張 立 姜 軍 趙啟偉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

在航天器的熱控制領(lǐng)域中,單相流體回路系統(tǒng)是主動(dòng)熱控技術(shù)中的一種重要方式,其突出特點(diǎn)是換熱能力強(qiáng)、便于結(jié)構(gòu)布局、易于組織內(nèi)部換熱、安全可靠,在國(guó)外的許多航天器上都采用了這項(xiàng)技術(shù)。

從20 世紀(jì)80年代末起,我國(guó)開始了對(duì)主動(dòng)熱控流體回路的研究。隨著載人航天計(jì)劃的逐步實(shí)施,在“神舟”系列飛船上首次使用了流體回路熱控技術(shù),神舟一號(hào)至七號(hào)的飛行試驗(yàn)表明,流體回路系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。流體回路熱控系統(tǒng)在我國(guó)航天器上的應(yīng)用從無(wú)到有直至取得飛行驗(yàn)證成功,給今后的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但將單相流體回路系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星熱控制在現(xiàn)階段仍屬于一個(gè)空白點(diǎn)。本文結(jié)合某衛(wèi)星型號(hào)背景,在這方面進(jìn)行初步的探討與研究。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

單相流體回路系統(tǒng)在載人航天器上的應(yīng)用包括:美國(guó)的“雙子星座”飛船、“天空實(shí)驗(yàn)室”,蘇聯(lián)/俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船、禮炮號(hào)空間站,以及“國(guó)際空間站”等。根據(jù)任務(wù)需求采取多種構(gòu)型結(jié)構(gòu)[1],實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控溫的目標(biāo)。

在國(guó)外的其他類型航天器上,也用到了單相流體回路系統(tǒng)。

NASA 的“火星探路者”(Mars Pathfinder)熱排散系統(tǒng)的主要作用是在飛行時(shí)從著陸器表面?zhèn)鬟f熱量以及在火星上的夜里減少?gòu)能囃庹炙鶄鬟f的熱量,其機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)冷卻回路系統(tǒng)主要組成部件是:整合的泵組件、輻射器、熱排散系統(tǒng)管路、氟里昂-11工質(zhì)、工質(zhì)排放口以及電子控制板,該冷卻回路是整個(gè)熱排散系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

俄羅斯的關(guān)于衛(wèi)星故障分析的報(bào)告中提到了輻射器被擊穿對(duì)熱控制的影響,也間接的證實(shí)單相流體回路技術(shù)已經(jīng)使用在衛(wèi)星上。當(dāng)然,對(duì)使用流體回路會(huì)帶來(lái)的一些潛在故障的研究也有待深入。

此外,荷蘭BRA DFO RD 公司所完成的相關(guān)研究,可以保證提供壽命為15年的機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)單相流體回路系統(tǒng),能夠應(yīng)用于高功率的通信衛(wèi)星。

3 單相流體回路系統(tǒng)描述及設(shè)計(jì)思路

3.1 工作原理

單相流體回路熱控系統(tǒng)是在設(shè)定的通道內(nèi),強(qiáng)迫流體介質(zhì)循環(huán)流動(dòng),實(shí)現(xiàn)將熱量從加熱部位吸入后再傳送到冷卻部位排出,持續(xù)不斷地適應(yīng)工況變化進(jìn)行傳熱。在這個(gè)過(guò)程中流體維持其相態(tài)不變[3]。

簡(jiǎn)化的泵驅(qū)動(dòng)單相流體回路如圖1 所示,流體回路中的工質(zhì)通過(guò)冷板(或直接流過(guò)熱源)吸收熱量,溫度升高,然后在泵的驅(qū)動(dòng)下流向回路的冷端,通過(guò)空間輻射器將熱量排向空間,或者經(jīng)換熱器將熱量傳給溫度較低的介質(zhì),完成熱量的收集、傳輸及排散過(guò)程[4]。

圖1 單相流體回路熱控系統(tǒng)Fig.1 Single-phase f luid loop system

3.2 理論基礎(chǔ)

流體回路通過(guò)流體的流動(dòng)進(jìn)行熱量交換,管內(nèi)流體與管壁之間的熱量傳遞方式是在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種機(jī)理聯(lián)合作用下發(fā)生的對(duì)流換熱,對(duì)它的分析就需要從兩方面著手,即熱性能和流動(dòng)性能,這兩者間相互影響,相互制約,在流體回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析中,必須引入熱與流動(dòng)性能集成分析的概念。

所謂流體回路的熱與流動(dòng)性能集成分析,就是將兩者結(jié)合起來(lái),考慮共同制約它們的那些因素的影響,并在兩者間進(jìn)行比較權(quán)衡,從而得到系統(tǒng)的傳熱量、壓力變化值以及系統(tǒng)功耗等參量的最佳匹配。

具體的理論分析計(jì)算見文獻(xiàn)[5]和[6]。

3.3 整體設(shè)計(jì)思路

衛(wèi)星用流體回路是在特殊的空間環(huán)境中工作,將需冷卻目標(biāo)的溫度控制在要求的范圍以內(nèi),以下是單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)的相關(guān)基本流程。

1)根據(jù)航天器構(gòu)型及內(nèi)部設(shè)備的位置、布局確定流體回路的基本幾何結(jié)構(gòu);

2)依據(jù)需要由流體回路進(jìn)行控溫的所有部件的溫度要求,確定各處以及系統(tǒng)熱負(fù)荷;

3)結(jié)合航天器運(yùn)行軌道、周期等特征參數(shù),分析航天器在軌工作時(shí)的空間熱環(huán)境條件;

4)依據(jù)2)中的相關(guān)溫度要求以及航天器運(yùn)行的特殊空間條件,初步選擇一些流體工質(zhì),并優(yōu)選出性能較佳的工質(zhì);

5)選擇換熱器、冷板、輻射器等回路主要部件,確定它們的結(jié)構(gòu)形式等基本參數(shù);

6)為了深入、全面地了解、分析并預(yù)見整個(gè)回路的系統(tǒng)性能,在SINDA/FLUINT 中建立模型,進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的研究分析,并與設(shè)計(jì)要求作出比對(duì);

7)若上一步中所得到的回路系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)滿足要求,則可完成流體回路的設(shè)計(jì)分析,若某些局部特性差,應(yīng)該有針對(duì)性地再返回到上述的相應(yīng)步驟重新迭代計(jì)算。

依據(jù)上述流程,進(jìn)行衛(wèi)星流體回路系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

4 衛(wèi)星應(yīng)用單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 衛(wèi)星應(yīng)用背景

衛(wèi)星本體為體積約8m3的近似正六面體,其外部安裝著一個(gè)立方體高頻箱,高頻箱內(nèi)安裝著轉(zhuǎn)發(fā)器及捕獲跟蹤等分系統(tǒng)的儀器、設(shè)備。

該衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)遵循以被動(dòng)熱控技術(shù)為主、以電加熱等主動(dòng)控溫技術(shù)為輔的原則,設(shè)計(jì)合理正確,可以滿足總體對(duì)熱控分系統(tǒng)的技術(shù)要求。但從熱控分系統(tǒng)優(yōu)化控溫設(shè)計(jì)的角度來(lái)分析,還有可改進(jìn)的地方。

高頻箱的低溫工況出現(xiàn)在壽命初期的春分和秋分,由于此時(shí)陽(yáng)光直射赤道,與赤道面平行的衛(wèi)星南、北面均照不到太陽(yáng)光。壽命末期的冬至或夏至將出現(xiàn)高溫工況,此時(shí)高頻箱的南板或北板受照。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,在兩種高溫工況時(shí),高頻箱南板的儀器大約有16 ℃的溫差,北板的儀器則有13 ℃左右的溫差,雖然滿足設(shè)備正常工作溫度范圍,但整個(gè)高頻箱的等溫設(shè)計(jì)不夠好,設(shè)備的控溫精度不高。

本文將針對(duì)高頻箱南、北儀器板采用單相流體回路系統(tǒng)進(jìn)行控溫。

4.2 回路系統(tǒng)基本構(gòu)型

高頻箱南、北儀器板上分別布置了9 臺(tái)和13 臺(tái)儀器設(shè)備。針對(duì)這種儀器設(shè)備排列密集的情況,選擇在南、北板儀器下安裝冷板,各設(shè)備與冷板間填充導(dǎo)熱脂,流體回路的控溫對(duì)象選為南、北兩塊冷板。

4.2.1 方案1 流體回路

圖2 所示為流體回路基本構(gòu)型。在高頻箱外部南、北板分別布置輻射器,低溫流體從兩個(gè)輻射器流過(guò)后,再合并到主管路,在泵的驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)兩條并聯(lián)管路,流向南、北冷板,從冷板流出的高溫流體再次混合后分流至通向輻射器的管路。這種南、北輻射器管路和南、北冷板管路分別并聯(lián)的方式,能夠很好地拉平南、北板間的溫度差異。

此外,在冷板出口混合后的主管路上還設(shè)置了一個(gè)旁路溫控閥,通過(guò)調(diào)節(jié)旁路流量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體回路溫度的主動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖2 方案1 流體回路基本構(gòu)型Fig.2 Frame of single-phase fluid loop scheme Ⅰ

4.2.2 方案2 流體回路

方案2 流體回路構(gòu)型見圖3,將冷板和輻射器整合為一體,朝向星內(nèi)一側(cè)為冷板,朝向星外一側(cè)為輻射器,流體流過(guò)冷板時(shí),在吸收熱量的同時(shí)排散熱量。輻射器外面利用原有熱設(shè)計(jì)的OSR 片向空間散熱。

4.3 系統(tǒng)熱負(fù)荷

高頻箱南板上布置的9 臺(tái)設(shè)備額定總熱耗是63.0W,北板上13 臺(tái)儀器設(shè)備的總熱耗是96.0W。在下面的分析中認(rèn)為這些熱耗分別均勻分布在南、北冷板上。

4.4 空間環(huán)境條件

根據(jù)外熱流分析結(jié)果,高頻箱南、北板外表面是高頻箱所有外表面中外熱流變化最小的。在壽命初期分點(diǎn)時(shí)刻,高頻箱南、北板外表面所吸收的平均外熱流在一個(gè)日周期內(nèi)的變化范圍約為0～75W/m2;在壽命末期至點(diǎn)時(shí)刻,高頻箱南板外表面所吸收的平均外熱流在一個(gè)日周期內(nèi)的變化范圍約為0～284W/m2;高頻箱北板外表面的平均外熱流在一個(gè)日周期內(nèi)的變化范圍約為0～264W/m2。

圖3 方案2 流體回路基本構(gòu)型Fig.3 Frame of single-phase fluid loop scheme Ⅱ

4.5 工質(zhì)優(yōu)選

就單相流體回路的設(shè)計(jì)而言,流體工質(zhì)作為傳熱載體,對(duì)它的選擇是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容,不僅直接影響著流體回路工作性能的好壞,也與航天器的總體要求有關(guān)[7]。綜合考慮性能指標(biāo)及需求后,選擇R717(NH3)作為衛(wèi)星流體回路工質(zhì)[8]。

4.6 主要設(shè)備選型

方案1 的輻射器采用管肋式結(jié)構(gòu),分為南、北兩塊,單面朝空間散熱,外表面貼OS R 片。冷板設(shè)計(jì)成帶鋸齒翅片的板翅式結(jié)構(gòu)[9]。

方案2 的輻射器冷板也選用板翅式結(jié)構(gòu),一面作為輻射器,另一面為冷板。

溫控閥為步進(jìn)電機(jī)控制閥,旁路與主路孔徑開關(guān)為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu):當(dāng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),一路開大,另一路相應(yīng)關(guān)小,當(dāng)一路全開時(shí),另一路為全關(guān)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)泵選用離心泵[10]。補(bǔ)償器為金屬波紋管形式,在回路中可起到以下作用:保證流體回路內(nèi)的工質(zhì)在一定條件下運(yùn)行;對(duì)因溫度變化引起的流體回路內(nèi)工質(zhì)的體積變化進(jìn)行補(bǔ)償;對(duì)流體回路在運(yùn)行中由于泄漏所引起的工質(zhì)減少進(jìn)行補(bǔ)償,防止泵的氣蝕;通過(guò)補(bǔ)償器判斷回路的加注量是否滿足要求。壓力傳感器用于監(jiān)控回路管路的壓力?；芈飞系墓艿谰x用鋁合金管,尺寸為Φ15mm×1.5mm。

5 單相流體回路系統(tǒng)仿真分析計(jì)算

5.1 模型概述

根據(jù)兩種流體回路方案的物理模型在SINDA/FLUINT 軟件中建立仿真計(jì)算模型,每種方案的計(jì)算模型各包括一個(gè)熱模型和一個(gè)流體模型。

5.2 計(jì)算工況

根據(jù)高頻箱所處的空間環(huán)境,南、北板OSR 散熱面積均為0.46m2,外熱流條件可分為以下4 種:

1)分點(diǎn)陽(yáng)光區(qū):南、北板OSR 散熱面外熱流均為75W/m2;

2)分點(diǎn)地影區(qū):南、北板OSR 散熱面外熱流均為0;

3)夏至:南板OS R 散熱面外熱流為0,北板OSR 散熱面外熱流為264W/m2;

4)冬至:南板OSR 散熱面外熱流為284W/m2,北板OS R 散熱面外熱流為0。

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算,方案1 中的散熱面積可以減小為原面積的0.3,相應(yīng)的4 種條件下的外熱流也為原來(lái)的0.3。方案2 的散熱面積可以減小為原面積的0.15,相應(yīng)的4 種條件下的外熱流也為原來(lái)的15%。

6 兩種單相流體回路方案性能比較

通過(guò)仿真計(jì)算分析,兩種流體回路方案均能在4 種工況下使南、北冷板的溫度水平差異較小。下面對(duì)兩種方案的性能進(jìn)行比較。

表1 為流體回路設(shè)備質(zhì)量、功耗的統(tǒng)計(jì)。方案1 結(jié)構(gòu)比方案2 復(fù)雜,設(shè)備數(shù)量多,總質(zhì)量、功耗也大于方案2 的。采用流體回路后,兩種方案都節(jié)約了散熱面積,其中方案1 散熱面積為原散熱面積的0.3,方案2 的為原散熱面積的0.15,面積分別為0.138m2和0.069m2。

方案1 的突出特點(diǎn)是在主管路上設(shè)置了一個(gè)旁路溫控閥,通過(guò)調(diào)節(jié)旁路流量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體回路溫度的主動(dòng)控制,在工況(1)條件下當(dāng)旁路流量在0%～80%間調(diào)節(jié)時(shí),北冷板溫度范圍是279.2K～290.6K,南冷板溫度位于277.1K～288.6K 之間。方案2 流體回路無(wú)法實(shí)施可調(diào)節(jié)式控溫,4 種工況下北冷板溫度范圍為275.5K～287.6K,南冷板溫度范圍為275.0K～287.8K,兩冷板的溫差小于1.0K,溫度均勻性好。表2 是流體回路控溫結(jié)果與原熱控設(shè)計(jì)溫度結(jié)果的比較,其中方案1 的旁路流量百分比為20%。

表1 兩種流體回路方案設(shè)備及功耗統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of two single-phase fluid loop schemes

表2 原熱控設(shè)計(jì)與流體回路控溫結(jié)果比較Table 2 Comparison between original thermal design and single-phase fluid loop system

采用流體回路后,對(duì)熱控分系統(tǒng)而言,可減少的質(zhì)量包括在南、北蜂窩板內(nèi)分別預(yù)埋的3 根熱管和外貼的2 根熱管以及部分OSR 片;對(duì)于結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)而言,南、北蜂窩板可以和冷板結(jié)合,在作為結(jié)構(gòu)安裝板的同時(shí)也能發(fā)揮冷板的功能,節(jié)約該部分的質(zhì)量。

此外,采用流體回路后,可節(jié)約原熱控設(shè)計(jì)中的電加熱功率約180W。

7 結(jié)論

結(jié)合衛(wèi)星型號(hào)背景,將單相流體回路系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星熱控制,針對(duì)控溫需求,設(shè)計(jì)了兩種流體回路方案,在SINDA/FLUIN T 中建立仿真計(jì)算模型,進(jìn)行熱性能和流動(dòng)性能集成分析,對(duì)兩種方案的性能比較顯示,方案1 結(jié)構(gòu)比方案2 復(fù)雜,設(shè)備數(shù)量多,總質(zhì)量、功耗也大于方案2 的,但通過(guò)旁路溫控閥,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體回路溫度的主動(dòng)調(diào)控;方案2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,南、北冷板的溫度均勻性好。

通過(guò)本文的研究可見,將單相流體回路系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星,可取得很好的控溫效果,尤其在大型航天器上更有著廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合現(xiàn)階段的研究情況,在對(duì)流體回路泵、閥等活動(dòng)部件的長(zhǎng)壽命可靠性分析方面還有許多研究工作有待深入。

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