本發(fā)明屬于航天器高熱耗設(shè)備散熱。

背景技術(shù)：

1、隨著航天器單機(jī)設(shè)備熱流密度以及航天器總功耗/重量比的逐漸增大，熱設(shè)計過程中散熱面的選取和熱量的傳輸愈發(fā)困難，而泵驅(qū)單相流體回路技術(shù)通過液體對流換熱實現(xiàn)熱量的高效收集、傳輸與排散，可滿足熱輸送能力的控制需求、對組件的集成需求以及對總體設(shè)計的適應(yīng)性需求。

2、泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)，在本發(fā)明中指在太空環(huán)境下為航天器大功率設(shè)備散熱的封閉式流體循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)地面原理樣機(jī)主要由驅(qū)動泵、冷板、輻射板、循環(huán)工質(zhì)、連接管路及接頭、儲液器、傳感器等組成，其工作原理為：驅(qū)動泵驅(qū)動循環(huán)工質(zhì)流經(jīng)安裝有高熱耗設(shè)備的冷板，循環(huán)工質(zhì)升溫后流經(jīng)輻射板，向太空環(huán)境輻射散熱，所述冷板和輻射板內(nèi)部均布置有供循環(huán)工質(zhì)流動的流道。

3、現(xiàn)有專利中基于泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的航天器熱管理系統(tǒng)和地面測試系統(tǒng)技術(shù)例如：一種基于組合式熱沉的月球采樣返回探測器自主熱管理系統(tǒng)(202110217048.8)、一種適用于跨域飛行器的熱管理系統(tǒng)和方法(202311583605.3)、一種月球探測載人航天器熱管理系統(tǒng)及控制方法(202310491703.8)，所述航天器熱管理系統(tǒng)和地面測試系統(tǒng)均以泵驅(qū)單相流體回路為基礎(chǔ)。

4、上述現(xiàn)有技術(shù)均闡述了基于泵驅(qū)單相流體回路的航天器熱管理系統(tǒng)布局，并給出其組成及溫控效果。但是，并未說明所述泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值計算過程。實際上，在泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，驅(qū)動泵的選型、冷板及輻射板的尺寸參數(shù)等需要優(yōu)先粗略設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)是通過仿真迭代計算，然而，由于它們之間的相互耦合關(guān)系，通常需要系統(tǒng)級的仿真迭代計算，這將耗費(fèi)大量時間，且較難辨別影響關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的敏感因素。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通過仿真迭代計算速度慢、難以辨別影響關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的敏感因素的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種“泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法”，依據(jù)航天器中高熱耗設(shè)備的散熱需求，進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值設(shè)計方法，并計算極端工況下高熱耗設(shè)備的溫度。

2、泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法，如圖2所示，包括：

3、step1，冷板流道橫截面尺寸設(shè)計計算：

4、定義安裝在冷板上的高熱耗設(shè)備按循環(huán)工質(zhì)流經(jīng)順序分別為h1,h2,…,hn，h1靠近冷板進(jìn)口，hn靠近冷板出口，所述高熱耗設(shè)備的峰值熱耗分別為q1,q2,…,qn，總熱耗為qs，

5、

6、式中：c為循環(huán)工質(zhì)比熱容、為循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量、tho為冷板出口溫度、thi為冷板進(jìn)口溫度、tco為輻射板出口溫度、tci為輻射板進(jìn)口溫度，總熱耗qs均通過冷板排散時，tco在數(shù)值上與thi相同，tci在數(shù)值上與tho相同；

7、根據(jù)所述高熱耗設(shè)備的安裝面尺寸及冷板制作工藝計算冷板流道橫截面長和寬分別為a、b；

8、定義輻射板的平均溫度為tca，tca＝(tco+tci)/2，則任意高熱耗設(shè)備hn的溫度tn：

9、

10、式中：af為循環(huán)工質(zhì)與冷板內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)、hc為高熱耗設(shè)備與冷板的接觸熱導(dǎo)率、al為流道側(cè)面積、ad為高熱耗設(shè)備的安裝面面積，當(dāng)tn滿足高熱耗設(shè)備溫度要求時計算step2，不滿足高熱耗設(shè)備溫度要求時，更改輻射板的平均溫度tca、冷板流道橫截面尺寸。

11、step2，輻射板尺寸和內(nèi)部流道尺寸設(shè)計計算：

12、輻射板熱平衡關(guān)系式為：

13、

14、式中：qs為高熱耗設(shè)備總熱耗、為輻射板兩側(cè)的吸收外熱流、ar為輻射板單側(cè)面積、εr為輻射板表面紅外發(fā)射率、σ為斯蒂芬-霍爾茲曼常數(shù)，tca為輻射板的平均溫度，取輻射板兩側(cè)吸收外熱流的極大值，計算得到輻射板單側(cè)面積ar的最小值；

15、為保證輻射板基本的輻射散熱能力，定義輻射板流道間距離d2與流道寬度d1的約束關(guān)系如下：

16、式中：λc為輻射板基材的導(dǎo)熱率、λal為鋁合金的導(dǎo)熱率。

17、step3，驅(qū)動泵選型設(shè)計計算：

18、驅(qū)動泵啟動后泵驅(qū)單體流體回路系統(tǒng)的流動阻力計算：包括沿程阻力δp1和局部阻力δp2，

19、δp1＝δ(l/de)(0.5ρν2)，

20、δp2＝ξ(0.5ρν2)，

21、式中：δ為摩擦因數(shù)、l為流道長度、de為相應(yīng)流道的水力直徑、ρ為所述循環(huán)工質(zhì)的密度、ν為所述循環(huán)工質(zhì)的流速、ξ為局部阻力系數(shù)，根據(jù)計算得到的流動阻力及循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量對驅(qū)動泵進(jìn)行選型。

22、技術(shù)效果：

23、本發(fā)明依據(jù)高熱耗設(shè)備的散熱需求，能夠在設(shè)計初期通過熱力學(xué)數(shù)值計算方法快速得到泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并預(yù)測極端工況下高熱耗設(shè)備的溫度，闡述了針對泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值設(shè)計方法，為后續(xù)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計奠定基礎(chǔ)，且現(xiàn)有技術(shù)中暫無與本發(fā)明主旨相近的相關(guān)內(nèi)容。

24、通過采用公式計算的方式替代系統(tǒng)級仿真迭代計算，減少各系統(tǒng)組件設(shè)計時的相互迭代流程，極大縮短了泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計的初期設(shè)計時長，同時具有較高的準(zhǔn)確性，通過公式可以直接反應(yīng)出關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的敏感因素，對于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計也可以在本方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

技術(shù)特征：

1.泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法，其特征在于：step1中循環(huán)工質(zhì)與冷板內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法，其特征在于：step3中所述摩擦因數(shù)δ的計算公式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明“泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通用設(shè)計方法”，屬于航天器高熱耗設(shè)備散熱技術(shù)領(lǐng)域，為了解決泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)通過仿真迭代計算速度慢、難以辨別影響關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的敏感因素的技術(shù)問題，本發(fā)明通過采用公式計算的方式替代系統(tǒng)級仿真迭代計算，減少各系統(tǒng)組件設(shè)計時的相互迭代流程，極大縮短了泵驅(qū)單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計的初期設(shè)計時長，同時具有較高的準(zhǔn)確性，公式可以直接反應(yīng)出關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的敏感因素，對于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計也可以在本方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

技術(shù)研發(fā)人員：張源博,孔林,柏添,李強(qiáng),黃奕成,韓宇澤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6