液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究_李楠.pdf
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1、http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0500液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究李楠1,2,郭元东3,*,许程3,张红星4,林贵平3(1.南京航空航天大学航空学院,南京210016;2.中国商飞民用飞机试飞中心试飞运行部,上海201323;3.北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;4.北京空间飞行器总体设计部,北京100094)摘要:空间二维指向机构与红外探测器配合,有利于实现对空间目标大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能。将深冷环路热管(CLHP)与二维指向机构耦合,可以大大降低系统机构的复杂程度,实现远距离热传输,提高探测精
2、度和转向灵活性。为此,设计研制了液氮温区二维指向 CLHP。对设计流程和部件参数进行了介绍,通过伺服电机驱动实现了俯仰、偏航90以上的转动。通过开展热真空实验,研究了不同工作参数对超临界启动和传热极限的影响。结果表明:所设计的系统具有最大 13W 的传热能力,适当提高充装压力有利于提高系统的稳定性和传热能力,增大次蒸发器辅助载荷有助于提高最大传热能力。关键词:环路热管;液氮;二维指向;超临界启动;稳态传热性能中图分类号:V224文献标志码:A文章编号:1001-5965(2023)07-1573-10空间二维指向机构是一种搭载在航天设备上实现两自由度转动的专用空间结构,在各类遥感卫星与深空探测
3、卫星上得到了广泛的应用。2020 年,中国首次自主火星探测任务“天问一号”探测器被送入太空,标志着中国在深空探测领域的技术跨越,迈出了行星探测的第一步。火星环绕器上的火星矿物光谱分析仪可以通过远距离遥感获取火星表面的精细光谱图像1。矿物光谱分析仪中的红外传感器需要在 73K 左右的深低温环境下工作。空间二维指向机构可以实现两自由度的运动,与红外探测器配合,针对空间目标实现大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能,在深空探测、对地探测等航天活动中发挥着日益重要的作用。传统的斯特林制冷机无法满足航天活动中快速增长的热收集要求,同时制冷机工作时引入的振动会大大影响红外探测器的工作精度,而且机械制冷机一
4、般直接耦合在红外探测器上,大大增加了空间二维指向机构的质量。与常温环路热管(loopheatpipe,LHP)类似,深冷环路热管(cryogenicloopheatpipe,CLHP)是一种基于毛细泵驱动流体产生气液相变原理的高效传输系统,具有传热高效、传输距离长、体积质量小等优点2-7。目前,关于 CLHP 的研究仍然处于实验室阶段,相关研究机构包括美国 NASA8-9、法国原子能中心10-11、中国科学院理化技术研究所12-15、南京理工大学16、中国科学院上海技术物理研究所17-18、北京航空航天大学19-25及中国航天科技集团有限公司第五研究院26-27等团队,通过不同的制冷方式和工质
5、,将 CLHP 的工作温区拓展到 4K 以下温区28。将红外探测器安装于二维指向机构上,机械制冷机安装于二维指向机构外,利用 CLHP 将二者连接,可以实现热量的跨转向轴传输,既可以使得红外探测器处于深低温工作温区,又可以实现低温制冷机与红外探测器的分离,有效降低了机械制冷机高频振动对红外探测器的影响,提高了探测精度与收稿日期:2021-08-30;录用日期:2021-11-12;网络出版时间:2021-11-3014:36网络出版地址: J.北京航空航天大学学报,2023,49(7):1573-1582.LI N,GUO Y D,XU C,et al.Design and experimen
6、t of cryogenic loop heat pipe of two-dimensional pointing at liquid nitrogenzoneJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(7):1573-1582(in Chinese).2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7转向灵活性。关于二维指向 CLHP 的研究,仅有Hoa
7、ng 等29开展了初步的实验研究,传输管线长度4.3m,最大传热能力约为 5W,仍然存在一定的提升空间。本文针对液氮温区的二维指向需求,设计研制了氮工质 CLHP 原理样机,研究了工作参数对超临界启动和传热极限的影响,介绍了基于 CLHP的柔性二维指向系统设计与系统性能测试结果。1系统参数设计与校核1.1设计目标针对二维指向 CLHP 的工程应用背景,实现红外探测器与低温制冷机的“分离”,要求设计的CLHP实现以下技术指标:1)顺利实现 80300K 的超临界启动过程。2)当 CLHP 运行在 80K 温区时,传递 5W 以上的热载荷。3)CLHP 可以适应二维指向机构在俯仰、偏航2 个方向上
8、90转动。除此以外,为提高红外探测器的探测精度,所设计的CLHP需满足以下要求:体积小、质量轻、转动变形时所需的扭矩小;内部的工质具有较高的安全性;运行温度平稳,具有较强的适应能力。1.2工质选择环路热管内的工质物性参数决定了环路热管系统的运行温度区间、传热极限、适应能力等性能指标。首先,确定 CLHP 的目标工作温区区间。在此区间内,工质必须处于气液两相状态,即工质的临界温度应高于温区上限,工质的凝固温度应低于温区下限,否则工质可能处于超临界状态或固体状态,导致 CLHP 无法正常运行。在 80100K区间内,满足气液状态条件的工质一般为氧气与氮气,而氧气的温区范围更广。然后,需要考虑工质与
9、部件材料的相容性。工质不能与毛细芯、管线、壳体等发生化学反应,以保证环路热管的正常运行与使用寿命。考虑材料的相容性及加工装配等因素,选择不锈钢1Cr18Ni9Ti作为壳体和管路材料,镍粉为原材料制作蒸发器毛细芯,鞍座选用铜鞍座。氮气作为工质,性能稳定,一般不会与金属发生反应,满足条件。最后,需要综合考虑工质的热物理性质,使CLHP的传热性能与超临界启动特性更优。通常,采用 Dunbar因数 N 来综合评价工质能否作为热管工质的指标,其根据回路内的压力平衡公式推导得到,可用来表征环路热管的传热能力,计算公式如下:N=vh1.75fg0.25v(1)hfgvv式中:为工质的表面张力,可以提高毛细芯
10、的抽吸力;为气化潜热,较高的气化潜热可以增加 CLHP的传热量;为气体密度;为气体动力黏度系数。图 1 展示了 80100K 温区内氮气和氧气的Dunbar 因数对比。608010012014016002468Dunbar因数/109 W1.75s0.25m2.75温度/K氮气氧气图180100K 温区工质的 Dunbar 因数变化曲线Fig.1VariationcurvesofDunbarfactorofdifferentworkingfluidsat80100KdP/dT是另一个评价工质性能的指标,比值越大,说明该工质饱和压力随温度变化越大,启动与运行性能更好。TdPsdTsT=P(2)T
11、PPsTs式中:为储液器与蒸发器毛细芯之间的蒸汽温差;为储液器与蒸发器毛细芯之间的蒸汽压降;和分别为饱和压力和饱和温度。dP/dTdP/dTdP/dT在环路热管启动的过程中,工质的比值越大,储液器与蒸发器之间可以以相同的温差产生越大压头,使工质更易循环流动。在环路热管运行时,工质的比值越大,表明工质可以运行在更低的温度,具有更低的热阻,传热性能更加优异。通过筛选对比,在80100K温区内,有氮气和氧气可选,由图 2 对比可知,氮气的比值高于氧气,同时 Dunbar 因数更高,综合考虑安全性能等因素,最终选取氮作为 CLHP 的工质。1.3部件设计1.3.1传输管线传输管线主要包括气体管线、液体
12、管线等。传输管线一般采用小管径的金属管,管径的大小对寄生漏热、传热极限有较大的影响。当减小传输管线直径时,系统的体积与质量可以减小,管线的外表面积减小,来自周围环境的寄生漏热也随之减小。但是,减小管径会引起工质在内部的流动阻力升高,降低主蒸发器的传热极限,但同时系统柔性较1574北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年强。为使 CLHP 适应二维指向运行,实现传输管线的“柔性”功能,传输管线结构主要包括 2 类方案:利用金属本身的延展性来实现弯曲变形;利用波纹管来实现自由收缩、弯曲变形等功能。综合考虑扭矩大小与二维指向机构的复杂程度,采取方案,即将传输管线制作为螺旋盘管,螺旋盘管的匝数
13、越多,可以转动的角度越大。表 1 为传输管线的结构参数,在俯仰与偏航方向都采用螺旋盘管形式。0.0200.020.040.060.080.10氮气氧气6080100120140160温度/KdT/(MPaK1)dPdP/dT图280100K 温区工质的变化曲线Fig.2VariationcurvesofdP/dTofdifferentworkingfluidsat80100K表1传输管线结构参数Table1Structureparametersoftransportline部件长度/mm外径/mm 壁厚/mm俯仰螺旋直径/mm俯仰螺旋匝数偏航螺旋直径/mm俯仰螺旋匝数主气体管线1000030.
14、525063504主液体管线1000030.525063504次液体管线1000030.5250635041.3.2蒸发器和储液器m蒸发器是 CLHP 的核心功能部件,主要起到从热源吸收热量并为工质提供驱动力的作用。蒸发器采用圆柱构型设计,由蒸发器壳体、毛细芯、液体引管组成。主蒸发器的尺寸主要由传热功率与工质参数确定,次蒸发器的尺寸主要由超临界启动性能确定,并尽可能小型化。毛细芯材质为镍粉压制而成,最大孔径为 0.5,孔隙率为 60%,渗透率优于 71014m2。储液器位于蒸发器的一端与蒸发器直接相连,保证对蒸发器毛细芯的液体供应。根据环路热管在不同工作状态、不同气液分布下的质量守恒设计储液器
15、的容积。具体结构参数如表 2所示。1.3.3冷凝器冷凝器包括主冷凝器与次冷凝器,根据现有的加工工艺与设计经验,冷凝器的设计沿用经典的平板内嵌流道结构。冷凝器长度的设计原则为:当CLHP 运行达到设计极限时,工作温度依然维持在允许的温度范围内。假设冷凝器入口处为过热蒸气,随着工质在冷凝器内冷却,逐渐消除过热、冷凝变成过冷液体。根据能量平衡,考虑主蒸发器载荷、次蒸发器载荷及周围环境的寄生漏热,同时设置一定的过冷段比例,主/次冷凝器参数最终分别为1160mm3mm0.5mm 和 680mm3mm0.5mm。1.3.4液氮冷板实验测试系统的热沉由液氮冷板提供。为保证热沉冷却效果,使冷凝器温度尽可能维持
16、稳定与低温,要求设计的冷板具有良好的换热效果与较小的流动阻力。为增强液氮冷板的换热效果,材质选用导热性能优异的紫铜。对液氮冷板结构进行优化设计,如图 3 所示,采用液氮液池的结构,保证冷板的温度稳定性和均匀性,同时设置针肋以提高冷板的结构强度。经过测试,液氮冷板具有 40W 的稳定传热特性。图3液氮冷板结构示意图Fig.3Schematicdiagramofliquidnitrogencoolingplate1.3.5储气室与充装压力储气室与工质充装压力的基本原则为:保证系统的安全性,并保证CLHP梳理实现超临界启动。因此,二者的设计对超临界启动过程尤为重要。结表2蒸发器与储液器结构参数Tab
17、le2Structureparametersofevaporatorandcompensationchamber部件参数数值主蒸发器壳体长度外径厚度/(mmmmmm)110131毛细芯外径长度/(mmmm)11100主储液器容积/mL5轴向槽道槽深槽宽长度/(mmmmmm)0.80.880数量/个4次蒸发器壳体长度外径厚度/(mmmmmm)100131毛细芯外径长度/(mmmm)1190次储液器容积/mL5轴向槽道槽深槽宽长度/(mmmmmm)0.80.880数量/个4第7期李楠,等:液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究1575Vcg 1 000mL合相关设计准则2,为满足供液条件,设计
18、得到的储气室范围为。为进一步保证系统的安全性,取保守设计,如表 3 所示,储气室的容积选为1200mL,300K 时的充装压力约为 2.83.6MPa。表3储气室容积与工质充装范围Table3Gasreservoirvolumeandworkingfluidfillingrange储气室容积/mL充装质量/g300K时充装压力/MPa120045652.83.61.3.6U 型转台与驱动部件如图 4 所示,俯仰和偏航方向分别利用旋转台来实现转动,以实现准确的角度调节。电动旋转台通过电机与蜗杆机构进行驱动,可以实现在360范围内的调节,转动精度可以达到 0.01。2 个正交轴的旋转部分通过 U
19、型臂来实现。将偏航方向旋转台的转台部分固定在偏航 U 型臂底部,通过旋转台带动整个系统转动。俯仰 U 型臂安装在偏航 U 型臂的上半部分,而俯仰角的旋转台固定在小 U 型臂侧边。2 个 U 型臂分别固定 2 套螺旋管线,同时考虑到旋转台和系统尺寸,俯仰 U 型臂主要用来固定主蒸发器,2 个方向的旋转台可以分别控制系统在2 个维度上进行单独转动,也可以实现 2 个方向上的组合运动。结果表明,系统可以实现俯仰、偏航145的转动。俯仰旋转台(固定)主蒸发器俯仰U型臂偏航U型臂(固定)偏航旋转台图4二维指向机构 U 型臂结构示意图Fig.4Schematicdiagramoftwo-dimension
20、alpointingmechanismU-shapedstructure2实验系统与实验件为模拟 CLHP 在空间中真空、冷黑工作环境下的工作特性,在地面热真空系统中开展测试。实验系统主要包括 KM-1.5 级真空舱、真空系统、热源和热沉系统、工质充装系统、数据采集系统等,系统真空度可维持在 1103Pa 以下。为减小 CLHP与周围环境的辐射与分子导热换热,二维指向 CLHP所有部件包覆 10 单元的多层隔热材料,大大降低了装置的当量热导率与当量发射率。为了减少周围环境对环路热管的漏热,热真空实验舱内设置绝热冷屏,可以有效降低周围环境的寄生漏热。热源系统采用薄膜型加热片作为模拟热源,布置于主
21、蒸发器、次蒸发器。热沉系统的作用是为冷凝器提供足够的冷量,实验采用液氮冷板作为热沉,其中的介质温度可以稳定在 85K 以下。图 5 为真空舱内包覆隔热材料后的实验件照片。图5实验系统与二维指向 CLHP 实验件Fig.5Experimentalsystemandtwo-dimensionalpointingCLHPtestunit2.1工质充装系统图 6 为本套环路热管的工质充装系统,主要由真空泵与高压气瓶组成。在充装工质前,先对环路热管系统抽真空,通过控制阀门,将环路热管的压力调整至设计充装压力。整个充装过程在常温下进行。外界环境CLHP实验件真空罐穿舱法兰球阀1球阀3球阀2压力表高压氮气瓶
22、图6环路热管工质充装系统示意图Fig.6Schematicofworkingfluidfillingsystemforloopheatpipe2.2数据采集系统实验通过 T 型热电偶实时采集 CLHP 器件的表面温度,精度为0.1,CLHP 整体位于真空舱内,且外表面包覆有多层材料,可以忽略与周围环境的对流、辐射漏热。由于不锈钢管管壁较薄,厚度为 0.5mm,且轴向长度远远大于管壁厚度,可以将测点温度视为系统内部工质温度,温度数据通过Aglient34970 采集。热电偶具体分布如图 7 所示。系统压力通过数字式压力表实时采集,压力表位于储气室出口位置,将此处压力视为系统内部压力。1576北
23、京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年压力传感器的量程为04MPa,测量精度为 0.1 级。3实验结果与讨论3.1二维指向 CLHP 超临界启动特性3.1.1典型工况超临界启动过程CLHP 的启动过程一般可以分为 3 个过程:冷端降温,次蒸发器被液体完全浸润;热端降温,施加辅助载荷使主蒸发器逐渐被液体浸润;施加主蒸发载荷主回路运行。图 8 为向冷板通液氮后 CLHP 冷端部件主要特征点的降温过程,包括主冷凝器、次冷凝器、次储液器、次蒸发器等,系统的初始充装压力Pch为3.57MPa。通入液氮前,所有温度均为 297K;通入液氮后,冷凝器、次蒸发器率先降温。由于冷板与液氮间巨大的温差,液氮
24、发生汽化,将冷端部件的热量带走,温度快速下降,约 10min 后,冷板进出口温度及表面温度从 290K 快速下降到 109K,低于氮气的临界温度。之后,由于冷板与液氮的温差减小,换热的主要形式是单相流动换热,冷板温度降低趋势减缓,100min 内温度降低到 89K。在冷板降温过程中,冷板表面温度间最大温差为 15K。CLHP 主、次冷凝器与冷板采用螺钉紧密贴合,次储液器通过鞍座导热实现热量交换,中间涂有低温导热脂以降低接触热阻。155min 时,次储液器和次蒸发器温度变化趋势趋于缓和,分别维持在 100K 和 105K附近,毛细芯完全被液体浸润,次回路系统具备启动的条件。对次蒸发器施加启动载荷
25、 Qse为 2W,传输管线和主蒸发器开始降温。在随后的测试中,冷板表面温度趋于稳定,冷板工作表面各特征点之间温差小于5K,主、次冷凝器特征点之间温差小于2K。图 9 为对 CLHP 次蒸发器施加载荷后主储液器、主蒸发器等热端部件的降温过程。在 CLHP 启动的过程中,热真空实验舱内的液氮保护屏可以起到辅助降温的作用。当向液氮保护屏输送液氮时,液氮保护屏的温度在 100min 后降低到 85K 并保持稳定。当次蒸发器温度低于 105K 并维持 30min后,向次蒸发器施加 2W 载荷,次蒸发器的温度升主储液器次储液器次液体管线主液体管线次冷凝器主冷凝器T1T2T3T4T5T6T7T33T8T9T
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