硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星深冷熱管設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

崔麗萍 苗建印 趙欣 周宇鵬 范雨秾 李國廣 李莉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)

熱管是一種具有很高傳熱能力的傳熱元件。自1964年美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室首次開展熱管相關(guān)研究以來,各種熱管技術(shù)尤其是槽道熱管技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外航天器熱管理中得到廣泛應(yīng)用,主要應(yīng)用形式包括設(shè)備安裝板的等溫化、有效載荷與熱沉之間的熱傳輸以及航天器不同方位輻射散熱面之間的熱耦合等。根據(jù)工作溫度范圍的不同,熱管可以分為深冷熱管、低溫?zé)峁堋⒅袦責(zé)峁芗案邷責(zé)峁芩念悺?/p>

在以紅外敏感元件為核心有效載荷的航天器中,需要采用高效的熱傳輸裝置實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器與低溫致冷機(jī)之間的熱耦合。為推進(jìn)深冷熱管在空間紅外探測(cè)中的應(yīng)用,NASA于1975年搭載了一套甲烷工質(zhì)的深冷熱管進(jìn)行了6 min的空間飛行驗(yàn)證[1]。隨后,美俄等國深入地開展了深冷熱管設(shè)計(jì)方法探索、工質(zhì)物性分析、啟動(dòng)和運(yùn)行特性、地面試驗(yàn)測(cè)試等方面的工作,成功開發(fā)出了160～200 K溫區(qū)和80～100 K溫區(qū)的深冷環(huán)路熱管產(chǎn)品,并在多個(gè)低溫載荷上進(jìn)行飛行試驗(yàn)和工程應(yīng)用[2-4]。國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行液氮溫區(qū)深冷熱管原理樣機(jī)研制及初步研究,完成試驗(yàn)件,并進(jìn)行熱性能試驗(yàn)[5]。90年代初期,東南大學(xué)對(duì)以氖為工質(zhì)的深冷熱管虹吸管進(jìn)行初步研究,通過試驗(yàn)證明氖熱管能夠有效縮短1 W/4.2 K小型制冷機(jī)的開機(jī)降溫時(shí)間[6]。2000年以后,蘭州物理所研制的干道式液氮熱管在90～110 K的范圍內(nèi),傳熱量大于1 W,溫差小于0.5 K[7];中科院理化所研制的液氮熱管,在90 K時(shí)傳熱能力達(dá)到了0.78 W·m,熱管管材為不銹鋼,內(nèi)壁面線切割出毛細(xì)槽道[8]。2004年浙江大學(xué)制冷與低溫研究所設(shè)計(jì)出以氮為工質(zhì)的深冷熱虹吸管,對(duì)深冷熱虹吸管的工作原理、基本設(shè)計(jì)及各種傳熱極限對(duì)熱虹吸管的影響進(jìn)行分析及計(jì)算[9]。“十五”期間中國空間技術(shù)研究院完成深冷槽道熱管樣機(jī)和深冷環(huán)路熱管樣機(jī)研制,完成深冷槽道熱管初樣產(chǎn)品生產(chǎn)[10]。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的有效載荷的探測(cè)器晶體工作溫度范圍為193～223 K,每臺(tái)有效載荷的熱量為5 W,需要熱管傳輸13 W的熱量,并且溫差不大于5 K。普通的氨軸向槽道熱管以及其他現(xiàn)有的深冷熱管均不能同時(shí)滿足工作溫度范圍、傳熱量需求。針對(duì)該問題,本文設(shè)計(jì)了一種以乙烷為工質(zhì)的新型深冷槽道熱管,并對(duì)深冷熱管試驗(yàn)件開展了試驗(yàn)研究,得到了一定規(guī)律。

1 HXMT衛(wèi)星用深冷熱管設(shè)計(jì)

1.1 深冷熱管的工質(zhì)及管材選用

深冷熱管是指工作溫度200 K以下的熱管,在此溫度區(qū)工作的熱管其介質(zhì)可采用純化學(xué)元素物質(zhì)(如氦、氬、氮、氧等)或化合物(如乙烷、氟利昂)等,常用的工質(zhì)及工作溫度范圍見表1[2]。根據(jù)低能探測(cè)器的工作溫度及熱管的溫度區(qū)間,選用高純乙烷作為深冷熱管的工質(zhì),高純乙烷的工作溫區(qū)為150～250 K之間,能夠滿足設(shè)計(jì)所需。

表1 常用深冷工質(zhì)工作范圍Table 1 Working scope of commonly used cryogenic

高純乙烷作為深冷熱管的工質(zhì)時(shí),可以與鋁及鋁合金相容,因此選取鋁及鋁合金為管殼材料,管材成型采用熱擠壓工藝。成型后的管材具有足夠的強(qiáng)度、柔韌性。對(duì)于鋁及鋁合金熱管常用軸向槽道型管芯,由于零重力條件,無克服重力壓頭的問題,其軸向傳熱能力較大,又管芯尺寸可正確得到,其傳熱能力(毛細(xì)限)能正確預(yù)計(jì),彎曲后性能基本不變,軸向槽尺寸及加工可能性好,因此選用目前衛(wèi)星常用的工字型鋁槽熱管,熱管截面如圖1所示。

圖1 熱管截面圖Fig.1 Cro-section of heat pipe

1.2 深冷熱管傳熱能力校核

槽道熱管的傳熱極限一般為毛細(xì)限,熱管正常運(yùn)行時(shí)最大傳熱能力由下式確定(在零重力條件gn＝0下工作,其槽道內(nèi)部一般為層流)[1]。

式中:Qmax為反重力高度0 mm時(shí)的最大傳熱能力,W·m;φ為最大傳熱能力修正系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,Ω形槽道一般取0.5,矩形和梯形槽道一般取0.7;ΔPc,max為最大毛細(xì)壓頭,Pa;fl為液體流動(dòng)阻力因數(shù),kg/s·m2·J;fV為蒸氣流動(dòng)阻力因數(shù),kg/s·m2·J;Ψ為蒸汽反向剪切作用力因數(shù),Ψ＝為蒸汽流道的水力直徑(m)。

其中,fl、fV計(jì)算時(shí)按照層流進(jìn)行。

式中:μl為液相乙烷的動(dòng)力黏度,N·s/m2;K為滲透率,m2;Al為管芯中液體槽道的橫截面面積,m2;ρl為液相乙烷的密度,kg/m3;Lfg為工質(zhì)乙烷的氣化潛熱,kJ/kg;μv為氣相乙烷的動(dòng)力黏度,N·s/m2;ρv為氣相乙烷的密度,kg/m3。

表2列出乙烷在不同溫度下的物性參數(shù)。

表2 乙烷在不同溫度下的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of ethane at different temperatures

根據(jù)式(1)、(2)、(3)及表2中的參數(shù)可算得乙烷深冷熱管在不同溫度下的最大傳熱能力Qmax,具體數(shù)值見表3。

表3 乙烷熱管在不同溫度下的最大傳熱能力Table 3 Heat transfer capacity of cryogenic heatpipe at different temperature

從圖2可知,深冷熱管在190～200 K溫區(qū),傳熱能力可達(dá)18 W·m,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 深冷熱管在不同溫度下的傳熱能力Fig.2 Heat transfer capacity of cryogenic heat pipe at different temperature

2 深冷熱管的試驗(yàn)方法和結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)裝置

深冷熱管所需的試驗(yàn)裝置主要包括熱管傳熱性能測(cè)試臺(tái)、加熱裝置、溫度采集裝置、冷板及液氮制冷裝置。深冷熱管熱源采用加熱片加熱,最大傳熱能力試驗(yàn)所用的加熱片總電阻為20.3Ω,長度為180 mm,極限熱流密度試驗(yàn)所用加熱片總電阻為10.8Ω,面積為30 mm×10 mm。

選用冷板為銅冷板,長度為300 mm。銅冷板與傳熱性能測(cè)試臺(tái)連接,測(cè)試臺(tái)外部與液氮制冷裝置連接,通液氮進(jìn)行冷卻。銅冷板與深冷熱管冷凝段之間采用銦箔接觸。

深冷熱管一共布有10個(gè)測(cè)溫點(diǎn),其中3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)布置在加熱段,分別是T1～T3,絕熱段布置測(cè)溫點(diǎn)T4,測(cè)溫點(diǎn)T5～T10布置在冷凝段。具體布局見圖3。

圖3 熱管測(cè)溫點(diǎn)布局圖Fig.3 Heat pipe temperature measuring point

2.2 最大傳熱能力試驗(yàn)

深冷熱管試驗(yàn)件有效長度為760 mm,先將深冷熱管水平放置于測(cè)試臺(tái)中,并且外部包裹十單元多層隔熱組件。對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽真空,打開液氮裝置制冷,深冷熱管降溫到－100℃,溫度平衡之后,先加功率(5 W),等深冷熱管溫度平衡,并且溫差小于5℃,穩(wěn)定時(shí)間超過10 min之后,開始記錄試驗(yàn)結(jié)果。然后再逐漸按照9 W、13 W、15 W、17 W、18 W的順序增加功率,通過增加功率確定下－100℃時(shí)的最大傳熱能力。然后再逐漸升高工作溫度,按照－80℃、－60℃、－40℃的順序測(cè)試最大傳熱能力。不同溫區(qū)在水平放置時(shí)的最大傳熱能力見表4。從表4中可看出,深冷熱管的傳熱能力能夠滿足HXMT衛(wèi)星的設(shè)計(jì)需要,并且溫差小于5℃。從圖4中可以看出,深冷熱管的蒸發(fā)端與冷凝端的溫差較大,這主要是由于深冷熱管中工質(zhì)的物性隨溫度變化比較大,不僅要考慮液體在槽道內(nèi)的導(dǎo)熱外,還應(yīng)考慮液體在槽道中流動(dòng)阻力對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓差的影響。另外,深冷熱管的傳熱能力相對(duì)于氨軸向槽道熱管(同管型氨軸向槽道熱管的最大傳熱能力可達(dá)到247 W·m)的傳熱能力小,這主要是由于低溫工質(zhì)的表面張力和汽化潛熱的值比較小的緣故,導(dǎo)致傳熱能力低。

表4 深冷熱管最大傳熱能力Table 4 Maximum heat transfer capacity of cryogenic heat pipe

圖4 不同工作溫度下熱管溫度分布Fig.4 Temperature distribution of heat pipe at different temperature level

2.3 極限熱流密度試驗(yàn)結(jié)果

深冷熱管完成最大傳熱能力試驗(yàn)后,更換加熱片,將試驗(yàn)件水平放置于傳熱能力測(cè)試臺(tái),包裹多層組件,對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽真空,打開液氮裝置降溫。待溫度降至－80℃時(shí),開始加熱,直至功率加大到熱管加熱端溫度出現(xiàn)飛升,完成極限熱流密度試驗(yàn)。由表5中可得深冷熱管的極限熱流密度可達(dá)到2 W/cm2,可以滿足HXMT衛(wèi)星低能探測(cè)器晶體的散熱要求。

表5 深冷熱管極限熱流密度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results on the ultimate heat flux density of cryogenic heat pipe

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果分析

熱管最大傳熱能力試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比見圖5。從圖5中可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果中的帶有反向剪切力時(shí)的最大傳熱能力計(jì)算結(jié)果比較接近。這說明在深冷槽道熱管計(jì)算中,蒸汽反向剪切力的影響比較大,因此在深冷槽道熱管計(jì)算中需要考慮到此問題。－30℃時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)(帶有蒸汽反向剪切力)相比較,偏差44%。試驗(yàn)中,試驗(yàn)件包裹多層隔熱組件,并且在真空環(huán)境下進(jìn)行,因此漏熱影響可忽略不計(jì)。考慮到試驗(yàn)過程中存在內(nèi)槽道尺寸誤差、物理模型誤差及測(cè)試體統(tǒng)誤差等因素,試驗(yàn)數(shù)據(jù)量偏少,因此后續(xù)將在試驗(yàn)和仿真分析方面進(jìn)行大量工作。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果比對(duì)圖(數(shù)據(jù)點(diǎn)有點(diǎn)少,能否進(jìn)行補(bǔ)充)Fig.5 Comparison analysis diagram of test results and calculation results

3 結(jié)論

本文針對(duì)HXMT衛(wèi)星的低能探測(cè)器晶體散熱設(shè)計(jì)了以乙烷為工質(zhì)的深冷槽道熱管,并開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:

(1)以乙烷為的深冷熱管的最大傳熱能力、溫差和極限熱流密度能夠滿足HXMT衛(wèi)星的低能探測(cè)器晶體散熱的要求。

(2)從深冷熱管的試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果可知,蒸汽流對(duì)液體的反向剪切作用對(duì)深冷槽道熱管最大傳熱能力影響較大。因此不同于普通鋁氨軸向槽道,深冷槽道熱管傳熱能力計(jì)算中需考慮到該因素。

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