硬X射線調制望遠鏡衛星深冷熱管設計及試驗研究

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計部,空間熱控技術北京市重點實驗室,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國家實驗室首次開展熱管相關研究以來,各種熱管技術尤其是槽道熱管技術已經在國內外航天器熱管理中得到廣泛應用,主要應用形式包括設備安裝板的等溫化、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。根據工作溫度范圍的不同,熱管可以分為深冷熱管、低溫熱管、中溫熱管及高溫熱管四類。

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現紅外探測器與低溫致冷機之間的熱耦合。為推進深冷熱管在空間紅外探測中的應用,NASA于1975年搭載了一套甲烷工質的深冷熱管進行了6 min的空間飛行驗證[1]。隨后,美俄等國深入地開展了深冷熱管設計方法探索、工質物性分析、啟動和運行特性、地面試驗測試等方面的工作,成功開發出了160～200 K溫區和80～100 K溫區的深冷環路熱管產品,并在多個低溫載荷上進行飛行試驗和工程應用[2-4]。國內自20世紀80年代開始進行液氮溫區深冷熱管原理樣機研制及初步研究,完成試驗件,并進行熱性能試驗[5]。90年代初期,東南大學對以氖為工質的深冷熱管虹吸管進行初步研究,通過試驗證明氖熱管能夠有效縮短1 W/4.2 K小型制冷機的開機降溫時間[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,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時傳熱能力達到了0.78 W·m,熱管管材為不銹鋼,內壁面線切割出毛細槽道[8]。2004年浙江大學制冷與低溫研究所設計出以氮為工質的深冷熱虹吸管,對深冷熱虹吸管的工作原理、基本設計及各種傳熱極限對熱虹吸管的影響進行分析及計算[9]。“十五”期間中國空間技術研究院完成深冷槽道熱管樣機和深冷環路熱管樣機研制,完成深冷槽道熱管初樣產品生產[10]。

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星設計的有效載荷的探測器晶體工作溫度范圍為193～223 K,每臺有效載荷的熱量為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有的深冷熱管均不能同時滿足工作溫度范圍、傳熱量需求。針對該問題,本文設計了一種以乙烷為工質的新型深冷槽道熱管,并對深冷熱管試驗件開展了試驗研究,得到了一定規律。

1 HXMT衛星用深冷熱管設計

1.1 深冷熱管的工質及管材選用

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

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

高純乙烷作為深冷熱管的工質時,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度、柔韌性。對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(毛細限)能正確預計,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限,熱管正常運行時最大傳熱能力由下式確定(在零重力條件gn＝0下工作,其槽道內部一般為層流)[1]。

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

其中,fl、fV計算時按照層流進行。

式中:μl為液相乙烷的動力黏度,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為工質乙烷的氣化潛熱,kJ/kg;μv為氣相乙烷的動力黏度,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。

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

根據式(1)、(2)、(3)及表2中的參數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,傳熱能力可達18 W·m,能夠滿足設計要求。

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 深冷熱管的試驗方法和結果分析

2.1 試驗裝置

深冷熱管所需的試驗裝置主要包括熱管傳熱性能測試臺、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試臺連接,測試臺外部與液氮制冷裝置連接,通液氮進行冷卻。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個測溫點,其中3個測溫點布置在加熱段,分別是T1～T3,絕熱段布置測溫點T4,測溫點T5～T10布置在冷凝段。具體布局見圖3。

圖3 熱管測溫點布局圖Fig.3 Heat pipe temperature measuring point

2.2 最大傳熱能力試驗

深冷熱管試驗件有效長度為760 mm,先將深冷熱管水平放置于測試臺中,并且外部包裹十單元多層隔熱組件。對設備進行抽真空,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℃,穩定時間超過10 min之后,開始記錄試驗結果。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℃的順序測試最大傳熱能力。不同溫區在水平放置時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衛星的設計需要,并且溫差小于5℃。從圖4中可以看出,深冷熱管的蒸發端與冷凝端的溫差較大,這主要是由于深冷熱管中工質的物性隨溫度變化比較大,不僅要考慮液體在槽道內的導熱外,還應考慮液體在槽道中流動阻力對應的飽和蒸汽壓差的影響。另外,深冷熱管的傳熱能力相對于氨軸向槽道熱管(同管型氨軸向槽道熱管的最大傳熱能力可達到247 W·m)的傳熱能力小,這主要是由于低溫工質的表面張力和汽化潛熱的值比較小的緣故,導致傳熱能力低。

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 極限熱流密度試驗結果

深冷熱管完成最大傳熱能力試驗后,更換加熱片,將試驗件水平放置于傳熱能力測試臺,包裹多層組件,對設備進行抽真空,打開液氮裝置降溫。待溫度降至－80℃時,開始加熱,直至功率加大到熱管加熱端溫度出現飛升,完成極限熱流密度試驗。由表5中可得深冷熱管的極限熱流密度可達到2 W/cm2,可以滿足HXMT衛星低能探測器晶體的散熱要求。

表5 深冷熱管極限熱流密度試驗結果Table 5 Experimental results on the ultimate heat flux density of cryogenic heat pipe

2.4 試驗結果與計算結果分析

熱管最大傳熱能力試驗結果與理論結果的對比見圖5。從圖5中可以看出,試驗結果與理論計算結果中的帶有反向剪切力時的最大傳熱能力計算結果比較接近。這說明在深冷槽道熱管計算中,蒸汽反向剪切力的影響比較大,因此在深冷槽道熱管計算中需要考慮到此問題。－30℃時,試驗數據與理論計算數據(帶有蒸汽反向剪切力)相比較,偏差44%。試驗中,試驗件包裹多層隔熱組件,并且在真空環境下進行,因此漏熱影響可忽略不計。考慮到試驗過程中存在內槽道尺寸誤差、物理模型誤差及測試體統誤差等因素,試驗數據量偏少,因此后續將在試驗和仿真分析方面進行大量工作。

圖5 試驗結果與理論結果比對圖(數據點有點少,能否進行補充)Fig.5 Comparison analysis diagram of test results and calculation results

3 結論

本文針對HXMT衛星的低能探測器晶體散熱設計了以乙烷為工質的深冷槽道熱管,并開展了試驗研究。結果表明:

(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衛星的低能探測器晶體散熱的要求。

(2)從深冷熱管的試驗結果與理論計算結果可知,蒸汽流對液體的反向剪切作用對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算中需考慮到該因素。

參考文獻(References)

[1]Stanfordollendorf heat pipes in space and on earth[C]//AIAA 14th Annual Meeting and Technical Display．Washington D．C．:AIAA,1978:78-295

[2]G P Peterson,G L Compagna．Cryogenic heat pipes in spacecraft applications,AIAA-86-1254[R]．Washington D．C．:AIAA,1986

[3]Jerry Beam,Patrick J Brennan,Mel Bello．Design and performance of a cryogenic heat pipe experiment(CRYOHP),AIAA 92-2867[R]．Washington D．C．:AIAA,1992

[4]S Abdel-Samad,M Abdel-Bary,K Kilian,et al．Deuterium heat pipes-cryogenic targets for COSY experiments[J]．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2005,550:61-69

[5]華誠生．氮槽道深冷熱管的性能研究及深冷氖熱管的應用[J]．工程熱物理學報,1981,2(4):353-358 Hua Chengsheng．Study on performance of cryogenic heat pipe in nitrogen channel and application of cryogenic heat pipe[J]Journal of Engineering Thermophysics,1981,2(4):353-358(in Chinese)

[6]趙開濤．低溫熱管的設計制造與應用[J]．深冷技術,1990(3):20-23 Zhao Kaitao．Design and application of cryogenic heat pipe[J]．Cryogenic Technology,1990(3):20-23(in Chinese)

[7]李煒征,邱利民,栗鵬．低溫熱管的最新研究進展[J]．低溫與特氣,2004,22(1):1-6 Li Weizheng,Qiu Limin,Li Peng．Recent research and development of cryogenic heat pipes[J]．Low Temperature and Specialty Gases,2004,22(1):1-6(in Chinese)

[8]朱建炳,王根生．空間低溫熱管的設計與實驗研究[J]．真空與低溫,2000．6(2):91-97 Zhu Jianbing,Wang Gensheng．Design and experiment of a space cryogenic heat pipe[J]．Vacuum&Cryogenics,2000,6(2):91-97(in Chinese)

[9]張利紅,梁驚濤,巨永林,等．液氮溫區小型軸向槽道熱管的實驗研究[J]．真空與低溫,2003,9(3):163-166 Zhang Lihong,Liang Jingtao,Ju Yonglin,et al．Experimental studies of the smallaxially grooved heat pipe working at the liquid nitogen temperature range[J]．Vacuum and Cryogenics,2003,9(3):163-166(in Chinese)

[10]苗建印,張紅星,呂巍,等．航天器熱傳輸技術研究進展[J]．航天器工程,2010,19(2):106-112 Miao Jianyin,Zhang Hongxing,LV Wei,et al．Development of heat transfer technologies for spacecraft[J]．Spacecraft Engineering,2010,19(2):106-112(in Chinese)