衛星用兩種單相流體回路方案對比研究

張 立 姜 軍 趙啟偉

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

在航天器的熱控制領域中,單相流體回路系統是主動熱控技術中的一種重要方式,其突出特點是換熱能力強、便于結構布局、易于組織內部換熱、安全可靠,在國外的許多航天器上都采用了這項技術。

從20 世紀80年代末起,我國開始了對主動熱控流體回路的研究。隨著載人航天計劃的逐步實施,在“神舟”系列飛船上首次使用了流體回路熱控技術,神舟一號至七號的飛行試驗表明,流體回路系統能夠滿足設計指標要求。流體回路熱控系統在我國航天器上的應用從無到有直至取得飛行驗證成功,給今后的深入研究奠定了堅實的基礎。但將單相流體回路系統應用于衛星熱控制在現階段仍屬于一個空白點。本文結合某衛星型號背景,在這方面進行初步的探討與研究。

2 國外研究現狀

單相流體回路系統在載人航天器上的應用包括:美國的“雙子星座”飛船、“天空實驗室”,蘇聯/俄羅斯的聯盟號飛船、禮炮號空間站,以及“國際空間站”等。根據任務需求采取多種構型結構[1],實現主動控溫的目標。

在國外的其他類型航天器上,也用到了單相流體回路系統。

NASA 的“火星探路者”(Mars Pathfinder)熱排散系統的主要作用是在飛行時從著陸器表面傳遞熱量以及在火星上的夜里減少從車外罩所傳遞的熱量,其機械泵驅動冷卻回路系統主要組成部件是:整合的泵組件、輻射器、熱排散系統管路、氟里昂-11工質、工質排放口以及電子控制板,該冷卻回路是整個熱排散系統的關鍵技術[2]。

俄羅斯的關于衛星故障分析的報告中提到了輻射器被擊穿對熱控制的影響,也間接的證實單相流體回路技術已經使用在衛星上。當然,對使用流體回路會帶來的一些潛在故障的研究也有待深入。

此外,荷蘭BRA DFO RD 公司所完成的相關研究,可以保證提供壽命為15年的機械泵驅動單相流體回路系統,能夠應用于高功率的通信衛星。

3 單相流體回路系統描述及設計思路

3.1 工作原理

單相流體回路熱控系統是在設定的通道內,強迫流體介質循環流動,實現將熱量從加熱部位吸入后再傳送到冷卻部位排出,持續不斷地適應工況變化進行傳熱。在這個過程中流體維持其相態不變[3]。

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

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

3.2 理論基礎

流體回路通過流體的流動進行熱量交換,管內流體與管壁之間的熱量傳遞方式是在熱傳導和熱對流兩種機理聯合作用下發生的對流換熱,對它的分析就需要從兩方面著手,即熱性能和流動性能,這兩者間相互影響,相互制約,在流體回路系統的設計分析中,必須引入熱與流動性能集成分析的概念。

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

具體的理論分析計算見文獻[5]和[6]。

3.3 整體設計思路

衛星用流體回路是在特殊的空間環境中工作,將需冷卻目標的溫度控制在要求的范圍以內,以下是單相流體回路系統設計分析時的相關基本流程。

1)根據航天器構型及內部設備的位置、布局確定流體回路的基本幾何結構;

2)依據需要由流體回路進行控溫的所有部件的溫度要求,確定各處以及系統熱負荷;

3)結合航天器運行軌道、周期等特征參數,分析航天器在軌工作時的空間熱環境條件;

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

5)選擇換熱器、冷板、輻射器等回路主要部件,確定它們的結構形式等基本參數;

6)為了深入、全面地了解、分析并預見整個回路的系統性能,在SINDA/FLUINT 中建立模型,進行數值仿真計算,對所得到的結果進行詳細的研究分析,并與設計要求作出比對;

7)若上一步中所得到的回路系統的各項性能參數滿足要求,則可完成流體回路的設計分析,若某些局部特性差,應該有針對性地再返回到上述的相應步驟重新迭代計算。

依據上述流程,進行衛星流體回路系統的方案設計。

4 衛星應用單相流體回路系統設計

4.1 衛星應用背景

衛星本體為體積約8m3的近似正六面體,其外部安裝著一個立方體高頻箱,高頻箱內安裝著轉發器及捕獲跟蹤等分系統的儀器、設備。

該衛星熱設計遵循以被動熱控技術為主、以電加熱等主動控溫技術為輔的原則,設計合理正確,可以滿足總體對熱控分系統的技術要求。但從熱控分系統優化控溫設計的角度來分析,還有可改進的地方。

高頻箱的低溫工況出現在壽命初期的春分和秋分,由于此時陽光直射赤道,與赤道面平行的衛星南、北面均照不到太陽光。壽命末期的冬至或夏至將出現高溫工況,此時高頻箱的南板或北板受照。根據計算分析結果,在兩種高溫工況時,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,雖然滿足設備正常工作溫度范圍,但整個高頻箱的等溫設計不夠好,設備的控溫精度不高。

本文將針對高頻箱南、北儀器板采用單相流體回路系統進行控溫。

4.2 回路系統基本構型

高頻箱南、北儀器板上分別布置了9 臺和13 臺儀器設備。針對這種儀器設備排列密集的情況,選擇在南、北板儀器下安裝冷板,各設備與冷板間填充導熱脂,流體回路的控溫對象選為南、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型。在高頻箱外部南、北板分別布置輻射器,低溫流體從兩個輻射器流過后,再合并到主管路,在泵的驅動下,通過兩條并聯管路,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置了一個旁路溫控閥,通過調節旁路流量可以實現對流體回路溫度的主動調節。

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

4.2.2 方案2 流體回路

方案2 流體回路構型見圖3,將冷板和輻射器整合為一體,朝向星內一側為冷板,朝向星外一側為輻射器,流體流過冷板時,在吸收熱量的同時排散熱量。輻射器外面利用原有熱設計的OSR 片向空間散熱。

4.3 系統熱負荷

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

4.4 空間環境條件

根據外熱流分析結果,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。在壽命初期分點時刻,高頻箱南、北板外表面所吸收的平均外熱流在一個日周期內的變化范圍約為0～75W/m2;在壽命末期至點時刻,高頻箱南板外表面所吸收的平均外熱流在一個日周期內的變化范圍約為0～284W/m2;高頻箱北板外表面的平均外熱流在一個日周期內的變化范圍約為0～264W/m2。

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

4.5 工質優選

就單相流體回路的設計而言,流體工質作為傳熱載體,對它的選擇是一項重要的設計內容,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[7]。綜合考慮性能指標及需求后,選擇R717(NH3)作為衛星流體回路工質[8]。

4.6 主要設備選型

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

方案2 的輻射器冷板也選用板翅式結構,一面作為輻射器,另一面為冷板。

溫控閥為步進電機控制閥,旁路與主路孔徑開關為聯動機構:當閥轉動時,一路開大,另一路相應關小,當一路全開時,另一路為全關狀態。驅動泵選用離心泵[10]。補償器為金屬波紋管形式,在回路中可起到以下作用:保證流體回路內的工質在一定條件下運行;對因溫度變化引起的流體回路內工質的體積變化進行補償;對流體回路在運行中由于泄漏所引起的工質減少進行補償,防止泵的氣蝕;通過補償器判斷回路的加注量是否滿足要求。壓力傳感器用于監控回路管路的壓力。回路上的管道均選用鋁合金管,尺寸為Φ15mm×1.5mm。

5 單相流體回路系統仿真分析計算

5.1 模型概述

根據兩種流體回路方案的物理模型在SINDA/FLUINT 軟件中建立仿真計算模型,每種方案的計算模型各包括一個熱模型和一個流體模型。

5.2 計算工況

根據高頻箱所處的空間環境,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)分點陽光區:南、北板OSR 散熱面外熱流均為75W/m2;

2)分點地影區: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。

經過迭代計算,方案1 中的散熱面積可以減小為原面積的0.3,相應的4 種條件下的外熱流也為原來的0.3。方案2 的散熱面積可以減小為原面積的0.15,相應的4 種條件下的外熱流也為原來的15%。

6 兩種單相流體回路方案性能比較

通過仿真計算分析,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。下面對兩種方案的性能進行比較。

表1 為流體回路設備質量、功耗的統計。方案1 結構比方案2 復雜,設備數量多,總質量、功耗也大于方案2 的。采用流體回路后,兩種方案都節約了散熱面積,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 的突出特點是在主管路上設置了一個旁路溫控閥,通過調節旁路流量可以實現對流體回路溫度的主動控制,在工況(1)條件下當旁路流量在0%～80%間調節時,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 流體回路無法實施可調節式控溫,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 是流體回路控溫結果與原熱控設計溫度結果的比較,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備及功耗統計Table 1 Statistics of two single-phase fluid loop schemes

表2 原熱控設計與流體回路控溫結果比較Table 2 Comparison between original thermal design and single-phase fluid loop system

采用流體回路后,對熱控分系統而言,可減少的質量包括在南、北蜂窩板內分別預埋的3 根熱管和外貼的2 根熱管以及部分OSR 片;對于結構分系統而言,南、北蜂窩板可以和冷板結合,在作為結構安裝板的同時也能發揮冷板的功能,節約該部分的質量。

此外,采用流體回路后,可節約原熱控設計中的電加熱功率約180W。

7 結論

結合衛星型號背景,將單相流體回路系統應用于衛星熱控制,針對控溫需求,設計了兩種流體回路方案,在SINDA/FLUIN T 中建立仿真計算模型,進行熱性能和流動性能集成分析,對兩種方案的性能比較顯示,方案1 結構比方案2 復雜,設備數量多,總質量、功耗也大于方案2 的,但通過旁路溫控閥,可以實現對流體回路溫度的主動調控;方案2 結構簡單,南、北冷板的溫度均勻性好。

通過本文的研究可見,將單相流體回路系統應用于衛星,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用前景。結合現階段的研究情況,在對流體回路泵、閥等活動部件的長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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