航天器分支槽道熱管設(shè)計(jì)及傳熱特性分析

董俊彪 張維絲 蔣明 隨俊杰 龐樂 趙小翔 孫敬文

(1 上海衛(wèi)星裝備研究所 宇航先進(jìn)熱控產(chǎn)品制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240) (2 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

隨著航天器的小型化和集成化,航天器內(nèi)熱源的分布變得越來越復(fù)雜,如何在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分布熱源的溫度均勻(簡稱“均溫”)成為航天器熱控的難題。熱管是一種利用工質(zhì)相變實(shí)現(xiàn)傳熱的高效被動(dòng)熱控產(chǎn)品,具有傳熱效率高、傳熱功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在航天器上得到了廣泛使用。然而,傳統(tǒng)的鋁氨槽道熱管由于彎曲半徑及制造工藝的限制,無法同時(shí)對多個(gè)復(fù)雜分布的熱源進(jìn)行均溫,且無法在復(fù)雜小空間內(nèi)安裝,因此急需開發(fā)一種可以在有限空間內(nèi)進(jìn)行多熱源均溫的新型熱管。

近年來,國內(nèi)外對航天器多熱源的均溫問題開展了研究。文獻(xiàn)[1]中設(shè)計(jì)了一種3D打印結(jié)構(gòu)熱控一體化平板熱管,將槽道熱管以十字交叉形式預(yù)埋在鋁蜂窩板中,可實(shí)現(xiàn)平板上多個(gè)熱源的均溫,同時(shí)具有承載功能。文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)了一種帶有雙蒸發(fā)器的圓柱式環(huán)路熱管,研究表明,當(dāng)2個(gè)蒸發(fā)器熱負(fù)荷不同時(shí),低熱負(fù)荷蒸發(fā)器會(huì)成為高熱負(fù)荷蒸發(fā)器的冷凝器,可實(shí)現(xiàn)2個(gè)熱源的有效均溫。文獻(xiàn)[3]中使用沖壓和微銑削的方法制備了厚度為2mm的超薄鋁平板熱管并進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,其具有良好的熱響應(yīng)和傳熱性能,最小熱阻為0.156K/W。文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)了燒結(jié)銅粉復(fù)合型吸液芯平板熱管,可進(jìn)行多熱源均溫,當(dāng)加熱功率為120W時(shí),最小熱阻為0.196K/W。文獻(xiàn)[5]中研究了一種帶雙蒸發(fā)器的環(huán)路熱管,試驗(yàn)測試表明,該熱管在6種不同姿態(tài)下均能穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[6-7]中設(shè)計(jì)了一種蒸發(fā)面為燒結(jié)銅粉、其他區(qū)域?yàn)榻z網(wǎng)的復(fù)合平板熱管,其等效導(dǎo)熱系數(shù)為2000W/mK。文獻(xiàn)[8]中研制了一種雙層燒結(jié)銅粉的平板熱管,其熱阻比普通單層燒結(jié)銅粉平板熱管減小了12%。文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)了一種熱收集面積為1m2、帶有5個(gè)蒸發(fā)器的環(huán)路熱管,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)20個(gè)熱源的均溫,最大溫差在5K以內(nèi)。

綜上可知:目前對航天器多熱源均溫的研究主要集中在多蒸發(fā)器環(huán)路熱管和平板熱管;然而,多蒸發(fā)器環(huán)路熱管部件較多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,平板熱管對安裝空間需求較大且質(zhì)量較大。為此,本文設(shè)計(jì)了一種帶有多個(gè)分支的槽道熱管,并進(jìn)行了均溫試驗(yàn)和傳熱試驗(yàn),證明了其具有良好的均溫和傳熱性能。

1 分支槽道熱管設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

1.1 分支槽道熱管設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的帶有多個(gè)分支的槽道熱管,利用熱管的分支將多個(gè)熱源連接,通過熱管內(nèi)壁環(huán)形貫通的槽道建立多熱源間的工質(zhì)輸運(yùn)通道,從而實(shí)現(xiàn)小空間內(nèi)多熱源的均溫。熱源之間通過專屬分支連接,相對平板熱管可有效減小質(zhì)量,加快均溫速度。為實(shí)現(xiàn)分支與分支間的傳熱,分支槽道熱管側(cè)壁設(shè)計(jì)有環(huán)形的槽道,以建立工質(zhì)在分支與分支間的吸液回流通道。分支槽道熱管具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分支數(shù)量可根據(jù)熱源數(shù)量增減,但分支過多會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)回流阻力過大,熱管難以啟動(dòng)。為解決航天器4個(gè)不同位置載荷的均溫問題,共設(shè)計(jì)有3個(gè)分支,4個(gè)載荷分別安裝于3個(gè)分支和連接段,溫度最高的載荷成為蒸發(fā)段,溫度最低的載荷成為冷凝段。分支槽道熱管的槽道分布于側(cè)面、頂面和底面,槽道橫截面為Ω形。分支槽道熱管的設(shè)計(jì)工作溫度為-60～+60℃,因此選用氨作為工質(zhì)。在分支槽道熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為保證具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,熱管壁厚設(shè)計(jì)為5mm,且在連接段設(shè)計(jì)4個(gè)直徑為10mm的支撐柱。為便于與熱源或結(jié)構(gòu)件安裝,支撐柱中心設(shè)計(jì)直徑4.3mm的通孔,以安裝M4螺釘。

圖1 分支槽道熱管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of branched axially grooved heat pipe

對分支槽道熱管進(jìn)行力學(xué)仿真。為了減少計(jì)算量,根據(jù)對稱性取1/4進(jìn)行仿真,選擇3D四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最小網(wǎng)格大小設(shè)置為2mm,共有239782個(gè)網(wǎng)格。分支槽道熱管采用3D打印的方法加工,材料為AlSi10Mg,其密度為2670kg/m3,楊氏模量為75GPa,泊松比為0.34。分支槽道熱管設(shè)計(jì)的最高溫度為60℃,工質(zhì)為氨,該溫度下氨的飽和蒸氣壓為2.578MPa,因此在分支槽道熱管內(nèi)部表面施加2.578MPa的壓力邊界條件。上側(cè)和右側(cè)的對稱截面施加對稱邊界條件。仿真結(jié)果如圖2所示,最大應(yīng)力為140.43MPa,位于支撐柱根部,是材料強(qiáng)度的0.47倍,因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖2 分支槽道熱管應(yīng)力分布Fig.2 Stress division of branched axially grooved heat pipe

1.2 試驗(yàn)裝置

分支槽道熱管試驗(yàn)裝置分為加熱部分、冷卻部分和數(shù)據(jù)采集部分,試驗(yàn)裝置如圖3所示。加熱部分采用薄膜型電加熱器進(jìn)行加熱,加熱功率通過可調(diào)直流穩(wěn)壓電源控制。冷卻部分采用壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行冷卻,制冷機(jī)通過循環(huán)冷卻液與熱沉連接。數(shù)據(jù)采集部分采用T型熱電偶進(jìn)行溫度測量,精度為-0.1～+0.1℃,通過數(shù)據(jù)采集儀采集溫度信號(hào)并輸出到計(jì)算機(jī)。在3個(gè)分支及連接段分別布置2個(gè)測溫點(diǎn),測溫點(diǎn)分布如圖4所示。

圖3 分支槽道熱管試驗(yàn)裝置Fig.3 Branched axially grooved heat pipe testing device

圖4 測溫點(diǎn)分布及區(qū)域劃分Fig.4 Temperature measurement points division and regional division

1.3 數(shù)據(jù)處理

蒸發(fā)段和冷凝段溫度均取布置在各段的2個(gè)熱電偶的平均溫度。

(1)

(2)

式中:Te為蒸發(fā)段溫度,℃;Tc為冷凝段溫度,℃;Te1和Te2分別為蒸發(fā)段2個(gè)熱電偶的溫度,℃;Tc1和Tc2分別為冷凝段2個(gè)熱電偶的溫度,℃。

分支槽道熱管的熱阻定義為蒸發(fā)段和冷凝段溫差與加熱功率之比,即

(3)

式中:R為分支槽道熱管的熱阻,K/W;加熱功率Q由式(4)計(jì)算,W。

Q=UI

(4)

式中:U為直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓,V;I為直流穩(wěn)壓電源的輸出電流,A。

1.4 誤差分析

在本試驗(yàn)中,溫度的測量采用T型熱電偶,其測溫最大誤差ΔT為0.1℃,而本文試驗(yàn)的最小測溫溫度絕對值為2.8℃,因此溫度的最大相對誤差為

(5)

電壓和電流均從直流穩(wěn)壓電源讀取,電壓和電流的顯示精度均為1%,電壓量程0～30V,電流量程0～5A。當(dāng)加熱功率為4W時(shí),電壓和電流分別達(dá)到最小值為4V和1A,因此加熱功率的最大相對誤差為

(6)

式中:ΔQ,ΔU,ΔI分別為Q,U,I的最大誤差。

蒸發(fā)段與冷凝段溫差的最小值為3.2℃,因此熱阻的最大相對誤差為

(7)

式中:ΔR,ΔTe,ΔTc分別為R,Te,Tc的最大誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 均溫試驗(yàn)

對分支槽道熱管進(jìn)行多熱源均溫試驗(yàn),在區(qū)域A,B,C,D(區(qū)域劃分見圖4)同時(shí)粘貼4片薄膜型電加熱片用于模擬多熱源,加熱功率分別設(shè)置為4W,8W,12W,16W,以模擬不同的載荷功耗。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:熱源的加熱功率越大,對應(yīng)的測點(diǎn)溫度越高,試驗(yàn)結(jié)果合理。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定后,區(qū)域D的溫度最高,其對應(yīng)測點(diǎn)7和8的最高溫度為36.6℃;區(qū)域A的溫度最低,其對應(yīng)測點(diǎn)1和2的最低溫度為35.7℃。因此,溫度穩(wěn)定后,分支槽道熱管的最大溫差為0.9℃,滿足使用要求。

圖5 分支槽道熱管均溫試驗(yàn)溫度Fig.5 Temperatures of branched axially grooved heat pipe temperature uniform testing

2.2 傳熱試驗(yàn)

測試分支槽道熱管分支與連接段間的傳熱性能。在區(qū)域D粘貼薄膜型電加熱片,以模擬熱源;在區(qū)域A布置冷板,以模擬熱沉;熱沉的溫度設(shè)置為-20℃,加熱片的功率設(shè)置為16W。充氨前和充氨后的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:充氨后的分支槽道熱管溫度先升高后降低,這是制冷機(jī)的制冷速度比加熱片的加熱速度慢導(dǎo)致的。充氨前,分支槽道熱管溫度穩(wěn)定后,蒸發(fā)段和冷凝段的溫度分別為32.9℃和-16.9℃,由式(3)可得熱阻為3.1K/W;充氨后,分支槽道熱管溫度穩(wěn)定后,蒸發(fā)段和冷凝段的溫度分別為-3.8℃和-6.2℃,由式(3)可得熱阻為0.15K/W,相對充氨前,熱阻降低了95%,說明分支冷凝的液氨可通過槽道輸送回連接段,分支與連接段之間的傳熱性能良好。

圖6 充氨前和充氮后分支與連接段間傳熱試驗(yàn)溫度Fig.6 Temperatures of heat transfer testing between branch and connecting section before and after ammonia filling

測試分支槽道熱管分支與分支間的傳熱性能。在區(qū)域C粘貼薄膜型電加熱片,以模擬熱源;在區(qū)域A布置冷板,以模擬熱沉;熱沉的溫度設(shè)置為-20℃,加熱片的功率設(shè)置為16W。充氨前和充氨后的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。充氨前,分支槽道熱管溫度穩(wěn)定后,蒸發(fā)段和冷凝段的溫度分別為34.2℃和-17.3℃,由式(3)可得熱阻為3.2K/W;充氨后,分支槽道熱管溫度穩(wěn)定后,蒸發(fā)段和冷凝段的溫度分別為-3.5℃和-6.1℃,由式(3)可得熱阻為0.17K/W,相對充氨前,熱阻降低了95%,說明分支冷凝的液氨可通過槽道輸送回另一個(gè)分支,分支之間的傳熱性能良好。

圖7 充氨前和充氮后分支與分支間傳熱試驗(yàn)溫度Fig.7 Temperatures of heat transfer testing between branch and branch before and after ammonia filling

對比圖6和圖7可知:分支與連接段間的熱阻小于分支與分支間的熱阻,這是因?yàn)榉种c分支間的槽道較長且彎曲較多,液氨通過槽道回流的阻力較大。

3 結(jié)論

為解決航天器多熱源均溫問題,本文設(shè)計(jì)并制造了一種帶有多個(gè)分支的航天器槽道熱管,通過均溫試驗(yàn)和傳熱試驗(yàn)對其傳熱特性進(jìn)行了研究,可得到如下結(jié)論。

(1)在功率分別為4W,8W,12W,16W的4個(gè)熱源同時(shí)加熱下,分支槽道熱管最大溫差為0.9℃,表明其多熱源均溫性能良好,可滿足航天器的熱控需求。

(2)當(dāng)加熱功率為16W時(shí),分支槽道熱管分支與連接段間的熱阻為0.15K/W,相對充氨前熱阻降低了95%,分支與連接段間的傳熱性能良好;分支與分支間的熱阻為0.17K/W,相對充氨前熱阻降低了95%,分支與分支間的傳熱性能良好。分支與分支間的熱阻較大,后續(xù)可增加側(cè)面槽道數(shù)量以強(qiáng)化分支與分支間的傳熱能力。

(3)分支槽道熱管可有效解決多熱源均溫問題,在微小衛(wèi)星、光學(xué)載荷和激光雷達(dá)等小空間、大熱流的均溫場合具有較好的工程應(yīng)用前景。