航天器流体回路工质选型理论分析研究_新闻_

...3个独立的制冷回路,2个电磁阀及先进的智能控制器.该系统可将制...

张好++王江++曹建光++曾凡建

[摘要]倾斜轨道卫星外热流变化复杂，在其热控系统设计中可以考虑采用具有高换热效率的流体回路系统，而高温单相流体回路系统相比较与常温单相流体回路系统，辐射器面积更小，重量更轻。根据传热学原理，利用不同的比较方法，理论分析了高温单相流体回路系统5种不同工质对应的辐射器面积、工质流量、工质温度范围和热源的温度范围，并将计算结果与美国Jet Propulsion实验室数据进行对比，两者的较高吻合度证明了所用计算原理和方法的正确性；同时在所选5种工质中以水为最佳，并对工质水的实际应用提出指导意见。

[摘要]倾斜轨道卫星高温单相流体回路工质选型理论计算

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0342-01

1.引言

随着我国航天事业的发展，倾斜轨道卫星越来越受到重视，它能对定点地区进行长时间高精度的监测。但是倾斜轨道卫星的光照角变化复杂，外热流波动剧烈[1～3]，其热控系统设计相比同步轨道卫星难度增大。流体回路系统热控制灵活度高，对高热流密度部件的散热效果良好，因而可以应用于倾斜轨道卫星的热控制系统之中。

2.物理模型及控制方程

图1为火星探测车的简单物理模型。可以看出，辐射器安装在顶部圆柱体表面，利用机械泵驱动单相流体回路吸收热源RPS的热量，并传递到辐射器排散的外环境之中。假设回路系统所需排散的有效热量为Q，辐射器进口工质温度为Tmax，出口工质温度为Tmin，辐射器的面积为A，辐射器中流体管道所占面积为Af，辐射器的肋效率为η，假设包含太阳辐射的外热流为S，忽略回路中其他管段部分的散热影响。

3.分析计算

Jet Propulsion实验室的火星探测车流体回路做了如下假设：

1）通过辐射器排散的净热量为2800W；2）包括太阳辐射的外热流为1370W/m2； 3）辐射器表面喷涂白漆（ε=0.85，α=0.2）；4）所有管道外径为9.5mm，壁厚为0.9mm；5）每个RPS热源布置管道长度为5m；6）热源和辐射器之间的管道长度为8m；7）辐射器每平米布置管道长度为4m；8）辐射器肋效率为0.8。

3.1 比较方法一

设定流体最高温度为140℃，最低温度为100℃。由于辐射器为圆柱形，外热流在其表面上投影的有效面积有A/π。代入数据，可得不同工质在给定条件下的辐射器面积均为3.32m2，辐射器布置流体回路管段长度为13.3m。根据所计算工质流速可以计算热源的温度。

3.2 比较方法二

设定流体最高温度为140℃，流量为1.2lpm。计算出不同工质在回路中的最低温度，计算结果如下表所示：

求出不同工质对应辐射器的面积及辐射器上布置的流体管道长度，如下表所示：

根据给定流量，可知管内工质流速均为0.43m/s，再由比较方法一中计算RPS温度的方法计算比较方法二中RPS的温度。计算结果如下表所示：

4. 结果分析

Jet Propulsion实验室计算数据如下所示：

将计算结果与Jet Propulsion实验室的数据进行对比，发现方法一和方法二中计算的工质流量和辐射器面积相吻合，对工质water、Ethylene Glycol，50%Wt、CFC 11计算得到的热源RPS温度也非常接近，对工质Therminol 59和Syltherm XLT则较大差异。且Jet Propulsion实验室计算得到的RPS温度为一个定值，从传热学的角度来看，这是不合理的，因为RPS和其中流体回路管段的布置结构未知，因此难以比较两者的计算结果，但是本文所采用的离散计算的方法得到的RPS温度场分布范围具有较高可信度。

对比不同的工质，可以发现在比较方法一中，在排散相等的热量、给定工质温度范围的条件下，工质水所用流量最小，热源RPS的温度最低；在比较方法二中，在排散相等的热量，给定流量和最高工质温度的条件下，工质水对应的辐射器面积最小，温差最小，热源温度RPS温度最低。因此在所选的5种工质中，水为最佳工质。

5.结论

本文针对高温单相流体回路工质选型，用理论计算的方法，系统分析了在不同比较方法的条件下，不同工质的换热效果、辐射器面积大小和热源温度等问题。发现在所选的5种工质中水为最佳工质，但水与铝材相容性较差，在任意温度下都会产生不凝气体，因此在实际应用中需要注意。本文所采用的计算方法和计算结果对流体回路工质选型问题具有借鉴和指导意义，为流体回路系统整体设计奠定基础。

参考文献

[1] 江海，钟奇，刘伟.大椭圆轨道太阳照射问题研究[C].第八届航天热物理会议.2008

[2] 赵欣.卫星热设计中β角在不同轨道下的变化规律分析[J].航天器工程.2008，17（3）：57-61

作者简介

张好，男，1991年生，本科毕业于浙江大学，现为上海航天八院在读硕士研究生，主要从事卫星热控系统设计和热分析。

基金项目：

863重大专项课题（2014AA8073034），上海市科委启明星课题（14QB1404200）。

通讯作者：

曹建光，硕士，研究员，研究方向：主要从事航天器热控制研究工作。