多孔板水升华器在恒热流条件下的试验研究

探索了多孔板的制造方法 ,设计了水升华器试验组件和试验装置 ,对不同的多孔板升华器在恒热流条件下进行了试验研究 .试验重点研究了不同热流密度、多孔板物理参数、给水室压力及升华器放置情况对升华器性能的影响 ,并对水升华器的击穿特性进行了讨论 .试验结果证明文中提出的升华器基本的设计概念是可行的 ,粉末烧结多孔板可以满足升华器的试验要求 .最后 。

憎水涂层多孔板对水升华器散热性能影响的实验研究

目的探讨水升华器用憎水涂层多孔板的实现方法 ,并对所研制的憎水涂层多孔板进行实验研究。方法利用Teflon溶液和特制的双疏涂层溶液对多孔板进行憎水涂层处理 ,并对所研制的憎水涂层多孔板进行物理特性测试。重新设计了水升华器实验件 ,对涂覆憎水涂层的多孔板、对水升华器散热性能的影响进行了实验研究。结果憎水涂层多孔板的水滞留能力显著提高 ,但其渗透压降也不同程度地增加。两种涂层板的散热性能有所不同。采用双疏涂层溶液涂覆的多孔板相对好一些。结论在对Te flon和双疏涂层溶液的涂覆参数及工艺进行优化后 。

水升华器散热系统分析

对舱外航天服热控系统所采用的多孔板水升华器的主要工作模式进行了讨论。研究了控制升华模式和周期模式工作的参数。在对多孔板多孔结构进行简化假设的基础上，建立了相关的数学模型，来预测水升华器的工作模式和换热器表面的温度。

多孔板水升华器试验研究

探索了多孔板的制造方法 ,设计了水升华器试验单元件和试验装置 ;对不同的多孔板升华器进行了试验研究 ,试验重点研究了热流体入口温度和流量、多孔板物理参数、给水室压力及升华器放置情况对升华器性能的影响。试验结果证明文章提出的升华器基本的设计概念是可行的 。

水升华器空间应用研究

对国内外水升华器的研究和应用情况进行了分析,总结了水升华器的工作模式、失效特点及水升华器性能影响因素,探讨了美国水升华器在结构、功能、可靠性方面的发展趋势,提出了我国未来空间应用对升华器的研究需求及在水升华器热分析建模、应用策略、"击穿"抑制方面值得关注的问题。

水升华器用多孔板的物理特性研究

目的探讨水升华器的关键部件—多孔板的研制方法 ,并对多孔板的主要物理特性参数进行研究。方法在对水升华器用多孔板技术指标进行分析的基础上 ,利用粉末烧结技术 ,使用不同的材料 ,研制出了多孔板。设计了多孔板物理特性测试装置 ,对所研制的多孔板进行了较全面的物理特性测试。结果获得了影响多孔板性能的主要因素 ,为水升华器性能测试和全面建立多孔板的研制规范及优化多孔板的物理性能参数打下基础。结论采用粉末烧结技术研制的多孔板的特性满足水升华器的性能要求。

热负荷及给水压力对水升华器启动和使用策略影响

热负荷、给水压力等参数的匹配设计,对水升华器启动及运行过程中内部气-固-液相变界面的位置具有重要影响,从而影响其运行稳定性和使用策略。开展了水升华器分别在低热负荷低给水压力、高热负荷高给水压力工况下的启动试验研究,及水升华器在低热负荷低给水压力下启动运行至稳定后调整为高热负荷高给水压力运行的响应特性研究。阐明了热负荷及给水压力对水升华器启动和稳定运行策略的影响。试验结果表明:水升华器在较高热负荷及较高给水压力工况下启动,可以在更短时间内建立稳定状态,但发生"击穿"风险大;水升华器需在高热负荷、高给水压力下运行时,采用在低热负荷、低给水压力下启动,然后在高热负荷和高给水压力下运行的方式,可以减小启动过程的"击穿"风险,且不影响其稳态散热能力。

结构参数对水升华器散热性能影响的研究

应用一维稳态导热模型,结合具有滑移效应的达西定律、气体通过小孔的流动模型,针对一套水升华器提出了稳态理论分析方法。分析了接触换热系数、排气通道面积两个关键结构参数对水升华器散热性能的影响,并开展了相关实验研究。仿真分析和实验结果表明:稳态散热量随流体回路冷板与给水腔之间接触换热系数增大而增大,接触换热系数较小时,散热量和接触换热系数呈强耦合关系,在接触换热系数较大时,二者呈弱耦合关系。分析表明:散热量随排气通道面积增大而增大,且存在临界排气孔面积,排气孔面积小于临界值时,散热量随排气孔面积的增大而急剧升高,排气孔面积大于临界值时,散热量随排气孔面积的增大而几乎不变。文章研究结果可为空间水升华器的设计提供参考。

水升华器升华模式理论分析与数值仿真

针对水升华器在实际航天工程应用中的工作特性,以升华模式下的水升华器为研究对象,应用一维稳态导热、自由分子流动等理论模型,对水升华器内部热质平衡进行分析,得到了升华模式下的冰层厚度、升华温度等理论计算结果,并推导得到升华模式最大热载荷的无量纲特性曲线。利用商用软件ANSYS Fluent进行数值仿真,基于焓-多孔模型描述了水在水升华器给水腔内的结冰过程,求解了不同孔度、孔径等设计参数下水升华器的工作特性,将仿真结果与理论计算对比,发现两者具有较好的一致性。建立的无量纲特性曲线和数值算法对预测不同设计工况下水升华器升华模式的工作特性具有指导意义。

具有恒热流边界的水升华器启动特性实验

水升华器是具有短时大功耗或所处环境温度较高的航天器较为理想的散热装置。以往的研究工作对水升华器的启动性能关注较少,本文对水升华器启动工作机理及其影响因素进行了分析,对初始温度、给水压力及热负荷对水升华器启动过程瞬态特性的影响开展了实验研究。结果表明:具有恒热流边界的水升华器在不同条件下启动后,均可以在给水后的短时间内建立稳定的相变工作模式;水升华器目标温度所能达到的稳定温度水平主要受热负荷的影响,而受启动初始温度和给水压力的影响较小;水升华器的启动响应时间与其初始温度、给水压力及热负荷均分别呈线性关系,较高的初始温度会增加水升华器的响应时间,而增加给水压力及热负荷则缩短了水升华器的响应时间。由实验数据分析得到的拟合系数1/aq0可以作为水升华器多孔板和加热面之间的等效换热系数。

用于水升华器监测的光纤声振动传感器研究

针对水升华器工作监测要求，基于Fabry—Perot干涉微腔研制了一种光纤声振动传感器。将耐低温聚合物薄膜材料以周边拉伸固定的方式制作成超薄膜片，膜片厚度为1．2μm，作为探测声振动信息的敏感部件和干涉微腔的反射面。传感器灵敏度达到93mV／Pa，线性度为99．8％，在1～20kHz范围内具有较平坦的频率响应。利用设计的光纤声振动传感器在空间环境模拟器中进行了水升华器监测实验，结果表明该传感器在温度为77K的空间冷黑环境中可以存活，能够实时探测到水升华器喷冰故障所产生的声振动信号。

多孔板结冰自强化效应对水升华器性能的影响

水升华器是一种利用水作为消耗性介质的相变散热装置,在航天器热控及生保系统中得到了广泛应用。在水升华器启动及运行过程中多孔板内部发生的结冰膨胀现象会对多孔板微观结构进行再加工;由于形变硬化效应,水升华器多次工作后,多孔板的塑性将逐渐降低,结构参数将逐渐固化,将这一过程定义为多孔板的自强化。而多孔板微观结构的变化,将对水升华器防击穿能力、稳态散热功率等宏观性能产生影响。在对水升华器工作机理进行分析的基础上,从微观角度定性研究了水升华器多孔板的结冰自强化机理,并针对自强化效应对水升华器宏观性能的影响开展了实验研究。结果表明:对于本文结构的水升华器,在同一条件下,稳态散热功率随着启动次数的增加而减小,且每次减小的幅度逐渐降低,在启动3~4次后稳态散热功率逐渐趋于稳定。由实验数据得到了水升华器稳态散热功率与启动次数之间的拟合关系式;渗透率越大的多孔板,水升华器工作过程对多孔板的再加工程度更大,因而自强化效果更明显;自强化效应还可以提高水升华器的防击穿能力。研究结果为探月三期工程嫦娥五号探测器提供了一定的设计依据。

水升华器工作过程的数值模拟与分析

为进一步了解水升华器的工作过程,本文以多孔板为研究对象,建立了微孔内介质工作过程的物理数学模型。采用变时间步长的焓方法对冰的融化和水的凝固过程进行了数值求解;给出了冰层击穿的力学判据;提出了用于求解液-固-汽界面移动问题的"两步法"。得到了标准工况下工作过程中微孔内介质温度和流量、界面位置和散热热流密度等参数随时间变化的模拟结果.结果表明,在多孔板内存在稳定的周期工作模式。

“阿波罗”登月飞行器热控系统方案概述

"阿波罗"登月飞行器是目前唯一完成脱离地球轨道飞行的载人深空探测飞行器。其热控系统设计方案和实施措施可为我国将来研制载人深空探测航天器热控系统所借鉴。调研了"阿波罗"登月飞行器的热控系统方案,对比近地轨道载人飞船热控系统设计方案,得到"阿波罗"为了适应任务的需要,在"水星"、"双子星"热控方案的基础上发展出在指令舱与服务舱使用的独特的以停滞式辐射器为热排散系统的流体回路系统;指令舱新型热控涂层系统;以升华器、蒸发器等为热排散装置的消耗型相变热排散系统;然后对比分析了登月舱初期热控系统设计方案及最终的热控系统设计方案。在分析"阿波罗"登月飞行器热控关键技术及其实施措施的基础上,进一步了解到"阿波罗"登月飞行器热控系统设计的特点。

月球无人采样返回探测器一体化热管理方案

针对我国首个月球无人采样返回探测器"嫦娥五号"所面临的散热难题,在调研国外月球采样返回探测器热控方案的基础上,通过论证提出一种"泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器"的一体化热管理方案。该方案能够实现"嫦娥五号"着陆器、上升器热量与热沉的综合管理与利用;同时在国内首次将高适应能力主动热控体系结构应用到深空探测航天器中,推动了我国深空探测航天器热控技术的跨越式发展。

我国月球探测器热控技术发展

探月工程推动了我国航天器热控技术长足发展,基本形成针对月面探测器月昼散热、月夜保温相融合的热控技术体系。文章论述我国在探月工程中开发的新型热控技术及其应用情况。展望后续长期无人及有人驻留月球探测任务,建议发展大功率同位素温差电池(RTG)和小型核反应堆技术,以提升月夜期间的热-电联供能力和效率;发展泵驱两相流体回路技术,提升月昼与月夜期间可控热传输能力;发展热泵技术及低吸收、高发射涂层热控涂层技术,以提升月昼期间的辐射器热排散效率。

“嫦娥五号”高温水升华热排散系统可信构造与确认

针对“嫦娥五号”月球探测器高温水升华热排散系统研制过程中面临的相关难题,探索并实践了一种“可信构造与确认”产品质量管理方法,从“设计正确”“验证充分”“过程受控”3个方面开展了全系统、全要素和全过程的正向构造和确认,提出了一系列可信要素实现途径、方式与方法。在轨飞行表明:高温水升华热排散系统在轨性能与地面实验结果一致,增强了复杂集成单机系统正向设计、验证与过程控制能力,实现了高温水升华热控技术的首次月面成功应用。

载人航天器热排散方式分析

为优选载人航天器热排散方式,对比分析了空间深冷环境、月面赤道附近清晨和月面赤道附近月午3种热环境下,使用水升华器、辐射器和辐射器+热泵3种热排散方案的效果与系统代价。结果表明:短期任务使用水升华器质量代价较小;热泵可以显著提高辐射器散热能力,且提升效果随太阳高度角上升而增加;但使用热泵能耗较大。因此,需根据任务规模、周期和航天器供电能力对热排散方案的选用进行综合评估。