航天器热控辐射器空间碎片防护设计及评估.pdf
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1、V o l N o 航天器工程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G第 卷第期 年月航天器热控辐射器空间碎片防护设计及评估韩海鹰赵亮郑世贵曹剑峰付杨(北京空间飞行器总体设计部,北京 )摘要针对航天器大面积热控辐射器流体管遭受空间碎片撞击概率高的特点,提出了采取热管辐射器和加强流体管路自身防护的改进措施.通过开展所在轨道的碎片环境分析和撞击风险评估,确定了流体管需要满足的防护要求.随后通过超高速撞击试验,获得了流体管路的临界直径,并在此基础上开展了热控辐射器流体管路的击穿风险失效评估.结果表明:航天器热控辐射器流体管路的非击穿概率(P N P)高于指标要
2、求,保证了长寿命需求,设计方法可为其它热控辐射器碎片防护设计提供参考.关键词航天器;热控辐射器;空间碎片防护中图分类号:V 文献标志码:AD O I:/j i s s n S p a c eD e b r i sP r o t e c t i o nD e s i g na n dA s s e s s m e n t f o rT h e r m a lC o n t r o lR a d i a t o ro fS p a c e c r a f tHAN H a i y i n g Z HAOL i a n g Z HE NGS h i g u i C AOJ i a n f e n g
3、 F UY a n g(B e i j i n gI n s t i t u t eo fS p a c e c r a f tS y s t e mE n g i n e e r i n g,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e s p o n s e t o t h eh i g hp r o b a b i l i t yo f s p a c ed e b r i s i m p a c t o nt h e f l u i dp i p e so f t h e l a r g ea r e a t h e r m a l c
4、 o n t r o l r a d i a t o ro f s p a c e c r a f t,t h ep r o t e c t i v ed e s i g nm e a s u r e sa r ep r o p o s e db ya d o p t i n gt h eh e a tp i p er a d i a t o ra n ds t r e n g t h e n i n gt h es e l f p r o t e c t i o no f t h ef l u i dp i p e B yc o n d u c t i n gt h eo r b i t a
5、 l d e b r i se n v i r o n m e n t a n a l y s i sa n d i m p a c tp r o b a b i l i t ye v a l u a t i o n,t h ep r o t e c t i v e r e q u i r e m e n t t h a t t h e f l u i dp i p e sn e e d s t om e e t h a v eb e e nd e t e r m i n e d S u b s e q u e n t l y,t h e c r i t i c a l d i a m e t
6、 e rv a l u eo f f l u i dp i p e s i so b t a i n e d t h r o u g hh y p e r v e l o c i t y i m p a c t t e s t s A n db a s e do n i t,ab r e a k d o w nr i s kf a i l u r ea s s e s s m e n to f t h e f l u i dp i p e so f t h ec o m p a r t m e n t t h e r m a l c o n t r o l r a d i a t o r i
7、sc o n d u c t e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h en o nb r e a k d o w np r o b a b i l i t y(P N P)o f t h e f l u i dp i p e s o f t h e r m a l c o n t r o l r a d i a t o r i sh i g h e r t h a nt h e r e q u i r e m e n t,e n s u r i n ga l o n g l i f e T h ed e s i g nm e t h o dc a
8、np r o v i d er e f e r e n c e f o r t h ed e b r i sp r o t e c t i o nd e s i g no fo t h e r t y p e so f t h e r m a l c o n t r o l r a d i a t o r s K e yw o r d s:s p a c e c r a f t;t h e r m a l c o n t r o l r a d i a t o r;s p a c ed e b r i sp r o t e c t i o n收稿日期:;修回日期:作者简介:韩海鹰,男,博士,研
9、究员,从事航天器热控制设计工作.随着近年来在轨航天器数量变多,空间碎片数量急剧增加,并主要分布在轨道高度 k m以下的低地球轨道(L E O)区域,“国际空间站”、航天飞机、和平号空间站、哈勃望远镜、联盟号飞船等航天器均位于该轨道.据报道,亚特兰蒂斯(A t l a n t i s)号航天飞机舱外管路、哈勃望远镜辐射器、和平号空间站隔热层、“国际空间站”太阳翼和联盟号外回路均发生过被撞击或击穿的情况 .年 月 日联盟 (M S )飞船遭受微流星体撞击,辐射器出现不到mm左右的小孔,导致冷却剂泄漏和外回路失效.对于采用流体管热控辐射器进行热量排散的大型航天器,由于辐射器直接暴露在外太空,面积较大
10、,设计寿命较长,热控辐射器流体管遭受碎片撞击的概率非常高.如果流体管被击穿导致工质泄漏,会造成散热能力损失或回路系统失效,严重影响航天器的正常工作,甚至造成飞行任务的彻底失败.因此必须开展专门的热控辐射器碎片防护设计工作,提高热控辐射器在轨的生存能力,保证航天器的安全.目前,降低热控辐射器流体管遭受碎片撞击概率的措施有两种:一种是减少流体管路的长度;一种是加强流体管路的防护.本文基于我国航天器热控辐射器布局,结合轨道碎片环境及撞击评估结果,开展了辐射器流体管路的碎片防护研究,并通过超高速撞击试验获得了改进后辐射器流体管的弹道极限数据,在此基础上完成了热控辐射器的击穿失效风险评估.热控辐射器设计
11、传统的流体管路热控辐射器均是将流体管焊接到蒙皮上,工质将热量传递给管路,然后传递到辐射器蒙皮散掉,由于肋效率的缘故,流体管间的距离不能太大,一般不超过 mm,这导致暴露在空间的流体管长度较长,图为传统航天器热控辐射器照片.图传统航天器热控辐射器照片F i g P h o t oo f t h e t h e r m a l c o n t r o l r a d i a t o ro ft r a d i t i o n a l s p a c e c r a f t图为传统航天器热控辐射器管路截面图,可以看出:航天器辐射器流体管有一半的区域直接暴露;航天器热控辐射器流体管是在航天器管路基础上
12、改造而来,通过型管路设计,减少管路直接暴露在外的面积,同时利用蒙皮缓冲碎片对流体管区的撞击.我国大型航天器设计寿命较长,热控辐射器面积较大,因此受到空间碎片及微流星体撞击的威胁也大,需减少热控辐射器流体管路长度.为了减少流体管路长度,热控辐射器形式改用热管辐射器,利用热管的扩热作用减少热控辐射器中流体管的长度.根据热管辐射器蒙皮与热传输液体回路的连接方式,热管辐射器可分为两种基本构型,即直接接触和非直接接触形式,常用的结构见图.图传统航天器热控辐射器流体管路管型图F i g F l u i dp i p e l i n e t y p ed i a g r a mo ft r o a d i
13、t i o n a l s p a c e c r a f t图热管辐射器种基本结构形式F i g T w oc o n f i g u r a t i o n so fH P R考虑工艺性,选择非直接接触式热管辐射器,同时考虑辐射器散热面积的综合利用及流体回路并联设计,对图中非直接接触热管辐射器形式进行了改进,将流体管布置在热管辐射器两侧,流体管与热管焊接,热管再与蒙皮焊接.热量首先通过工质传递给流体管,然后流体管传递给热管,最终利用热管的扩热作用传递给蒙皮.与传统的热控流体管辐射器相比,这样选择的热管辐射器,流体管路长度下降了一半以上.热管辐射器蒙皮焊接有热管,流体管再与热管进行焊接.流体
14、管路可分为与热管耦合部分及悬空部分,分别称为管路构型I和构型I I,如图所示.()与图中航天流体管路区相比,热控辐射器构型I热管耦合部分流体管路距离外侧的距离变大,防护能力进一步提高,通过单墙弹道极限方程第期韩海鹰 等:航天器热控辐射器空间碎片防护设计及评估评估,热管耦合部分区的防护能力比图中航天器辐射器区的防护能力提高了倍.()图中航天器辐射器区由于流体管路与面板存在一定的距离,面板遮挡会提高该位置管路的碎片防护能力,且提高程度随着两者距离增加而变大,管路构型I I管路与面板的距离更大,防护效果更强.图热管辐射器流体管路状态图F i g F l u i dp i p es t a t u s
15、o fHP R由于热管成型及焊接的限制,开口较多的辐射器无法采用热管辐射器,只能采用传统的流体管辐射器.为了提高流体管辐射器的防护能力,在传统的辐射器基础上,通过增加流体管路管壁与翼面之间的距离,可以提高流体管路的碎片防护能力,管型见图,称为管路构型I I I.综合了管路构型I和I I的改进措施,管路构型I I I的区增加了加厚部分的保护,区流体管路远离了辐射面板,比传统的辐射器流体管路的防护能力显著增加.图流体管辐射器管路截面F i g F l u i dp i p es e c t i o no f f l u i dr a d i a t o r我国大型航天器热控辐射器布置于舱外,采用热
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