空間站耦合式熱管理系統(tǒng)性能分析

靳 健，何振輝，呂樹申，莫冬傳，黃臻成，侯永青

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.中山大學(xué)，廣州510275）

1 引言

熱管理系統(tǒng)是空間站系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是實(shí)現(xiàn)熱量合理有效的收集、傳輸、利用和排散，保證結(jié)構(gòu)、設(shè)備溫度要求以及乘員舒適性[1-4]。隨著科技的進(jìn)步，空間站系統(tǒng)由俄羅斯“禮炮”號(hào)系列為代表的單艙段結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到以“和平”號(hào)和國際空間站為代表的多艙段組合體式結(jié)構(gòu)[5-8]，各個(gè)艙段不但機(jī)械連接，而且還并網(wǎng)進(jìn)行艙間大額度功耗調(diào)配，在此模式下，組合體的熱負(fù)荷會(huì)重新分配，熱管理方案必須能夠適應(yīng)熱負(fù)荷的變化，保證各艙段的溫度水平處于正常范圍。

適應(yīng)各艙段熱負(fù)荷變化的最簡單熱管理途徑是各艙段熱管理系統(tǒng)獨(dú)立并按單艙可能經(jīng)歷的最大熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于艙段熱負(fù)荷包括艙段自身熱負(fù)荷和艙間功耗調(diào)配兩部分，這種設(shè)計(jì)會(huì)使熱管理系統(tǒng)規(guī)模加大，并且各艙獨(dú)立的設(shè)計(jì)也不具備故障情況下的重組功能。另一個(gè)值得考慮的選項(xiàng)是艙段間耦合式熱管理系統(tǒng)，通過艙間耦合結(jié)構(gòu)，在艙間功耗調(diào)配的同時(shí)進(jìn)行熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移。通過這種方式，各個(gè)艙段熱管理系統(tǒng)對熱負(fù)荷進(jìn)行集中處理，避免了功耗調(diào)配造成的單艙熱負(fù)荷增加，此外，各艙熱管理系統(tǒng)可以互相支持、互相備份。如圖1所示。

本文提出一個(gè)假想的中等規(guī)模空間站，確定了最為可行的耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。艙間大額度的熱負(fù)荷調(diào)配是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程[9-10]，流體回路要經(jīng)受熱負(fù)荷的大幅度變動(dòng)。在這個(gè)過程中，流體回路各個(gè)位置溫度水平的變化情況直接決定了耦合系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此，建立數(shù)學(xué)模型，研究了如下內(nèi)容：

各艙段熱管理系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，也就是穩(wěn)態(tài)工況下，各個(gè)流體回路系統(tǒng)的性能是否滿足要求；

艙間出現(xiàn)大額度熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，各個(gè)艙段熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文提出的耦合式熱管理系統(tǒng)可以作為我國多艙段空間站熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

2 假想空間站熱管理系統(tǒng)描述

2.1 空間站熱負(fù)荷

本文分析所用空間站由艙A、艙B和艙C三個(gè)艙段組成，各個(gè)艙段的熱量平衡關(guān)系見下式，

上式中Qp為乘員的代謝產(chǎn)熱；Qd代表平臺(tái)設(shè)備的熱負(fù)荷，Qe代表實(shí)驗(yàn)載荷的熱負(fù)荷；Ql代表密封艙漏熱量，由于密封艙外表面包覆有多層隔熱介質(zhì)，因此漏熱量較為恒定；Qr代表輻射器排散的熱負(fù)荷。為了簡化問題，假定乘員代謝產(chǎn)熱和密封艙漏熱基本相當(dāng)，可以互相抵消。

各個(gè)艙段的熱負(fù)荷分布見表1，其中艙A的平臺(tái)設(shè)備按重要性分為核心設(shè)備、非核心設(shè)備和再生生保設(shè)備三類，艙B和艙C的平臺(tái)設(shè)備不進(jìn)行劃分。

此外三個(gè)艙段之間可以進(jìn)行最高3000W的功耗調(diào)配，該功耗調(diào)配主要是用來支持艙段內(nèi)進(jìn)行某些短期的高功耗科學(xué)實(shí)驗(yàn)或大型非連續(xù)工作的設(shè)備。

圖1 獨(dú)立和耦合熱管理系統(tǒng)

2.2 各艙熱管理系統(tǒng)構(gòu)成

由于三個(gè)艙段在形成組合體前，都存在獨(dú)立飛行的階段，因此各個(gè)艙段均配備完善的熱管理系統(tǒng)?？臻g站功耗高、熱源變化幅度大、溫度控制要求高，通常采用流體回路和強(qiáng)迫通風(fēng)兩種主動(dòng)熱管理技術(shù)作為主要的控溫手段。

流體回路分為外回路、低溫內(nèi)回路和中溫內(nèi)回路，所有回路均采用機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的單相流體回路。低溫回路主要為冷凝干燥器和一些低溫設(shè)備提供冷源，中溫回路為平臺(tái)設(shè)備、再生生保設(shè)備和部分實(shí)驗(yàn)載荷設(shè)備提供冷源，外回路負(fù)責(zé)收集內(nèi)回路的熱負(fù)荷，并通過輻射器進(jìn)行排散，通過溫控閥控制流進(jìn)輻射器的工質(zhì)流量，控制輻射器的排熱量，保證控溫點(diǎn)的溫度。外回路以全氟三乙胺為工質(zhì)，低溫和中溫內(nèi)回路均以水為工質(zhì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 空間站各艙段熱負(fù)荷

2.3 熱管理系統(tǒng)耦合系統(tǒng)構(gòu)成

由于艙間通風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷傳遞能力很有限，艙間大額度熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)移必然由流體回路間的耦合來實(shí)現(xiàn)。由于流體回路分為內(nèi)回路和外回路，所以從原理上艙間流體回路耦合系統(tǒng)有多種設(shè)計(jì)方案。根據(jù)國際空間站熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文選擇內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。

某艙段的熱負(fù)荷可以通過中間換熱器轉(zhuǎn)移到其它艙段的內(nèi)回路，再通過其它艙段外回路的輻射器進(jìn)行排散。例如，將艙A的內(nèi)回路熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移至艙B和艙C內(nèi)回路，再通過艙B、艙C的外回路進(jìn)行排散，熱負(fù)荷的傳輸途徑見圖4。

圖2 各艙主動(dòng)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)各艙熱管理系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，截止閥門AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 開通，而截止閥門 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3 關(guān)閉。當(dāng)三艙熱管理系統(tǒng)耦合時(shí)，閥門 AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 關(guān)閉，而截止閥門 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3開通。

圖4 內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合方案熱負(fù)荷傳輸路徑

3 熱管理系統(tǒng)分析模型

建立基于SINDA/FLUINT v4.8的流體回路耦合模型。模型包含了三個(gè)艙段相關(guān)流體模型和熱模型，以及用于實(shí)現(xiàn)三個(gè)艙段耦合的艙間中溫、低溫中間換熱器模型。圖5給出了艙段熱管理系統(tǒng)主要部件的位置與結(jié)構(gòu)，以及三個(gè)艙段各個(gè)測溫點(diǎn)的編號(hào)位置。

各個(gè)艙段的外回路的控溫點(diǎn)為TL70，低溫回路控溫點(diǎn)為TL90，通過PID控制旁路閥門實(shí)現(xiàn)溫度控制。閥門開度與流量滿足等百分比關(guān)系。

三個(gè)艙段分別通過中溫回路和低溫回路的艙間中間換熱器進(jìn)行熱耦合，代表換熱器換熱板的節(jié)點(diǎn)分別與回路的流體兩兩相連，以實(shí)現(xiàn)來自不同艙段的流體可以通過換熱板發(fā)生傳熱。系統(tǒng)的輻射邊界設(shè)定為4K，邊界外熱流變化周期為5400s，為了研究輻射器排熱能力的變動(dòng)對艙內(nèi)溫度水平的影響，假定了一種極端情況：一個(gè)周期內(nèi)輻射器最大排熱量與最小排熱量所占的時(shí)間之比為1∶1，即2700s為最大排熱量142W/m2，另外2700s內(nèi)為最小排熱量78W/m2。

圖5 物理模型和測溫點(diǎn)位置編號(hào)

4 計(jì)算結(jié)果和分析

計(jì)算了兩個(gè)工況，工況一研究了各個(gè)艙段獨(dú)立工作時(shí)的系統(tǒng)性能；工況二研究了艙間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)的系統(tǒng)性能。

4.1 工況一

工況一分析了三個(gè)艙段流體回路獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，低溫回路和中溫回路控溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，特別是中溫回路控溫設(shè)置點(diǎn)，確認(rèn)各艙段模型在沒有耦合時(shí)可正常運(yùn)行。艙A的總負(fù)荷為2000（低溫回路）+7000（中溫回路）=9000W，艙B艙C的總熱量均為2000（低溫回路）+4500（中溫回路）=6500W。分析結(jié)果見圖6。

圖6 各艙獨(dú)立運(yùn)行時(shí)各個(gè)測溫點(diǎn)溫度

從模擬的結(jié)果來看，在各個(gè)艙段獨(dú)立的時(shí)候，即使在外熱流發(fā)生方波式階躍變化，系統(tǒng)仍可以正常的運(yùn)行。低溫回路的控溫點(diǎn)控制的很好，在3～4℃，波動(dòng)范圍不超過1℃。由中溫設(shè)備出口溫度可以看到，流體回路的溫度沒有超過30℃的上限溫度，最高的中溫設(shè)備出口溫度也在22℃以內(nèi)，因此可以保證中溫設(shè)備工作在40℃以內(nèi)的要求。從冰點(diǎn)檢查來看，外回路的最低溫度（TL65）在-17℃以上，不存在結(jié)冰的問題。而低溫回路工作在0℃左右，由于內(nèi)回路工質(zhì)為水，則可能需要考慮提高主回路設(shè)定點(diǎn)的溫度。

4.2 工況二

為了分析流體回路在艙段間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況下的工作狀況，以上一個(gè)工況為基礎(chǔ)，艙B和艙C各將1500W功耗調(diào)配至艙A，通過切換中溫回路的閥門，艙A再將熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移回艙B和艙C。上述過程中，熱負(fù)荷由原來的艙A 9000W和艙B、艙C 6500W調(diào)成艙 A 2000（低溫）+10000（中溫）W，艙 B、艙 C：2000（低溫）+3000（中溫）W。最后考察系統(tǒng)隨邊界變化的響應(yīng)情況。

艙間換熱器的閥門在第50s打開，艙間功耗調(diào)配在第800s開始，圖7給出了三艙發(fā)生功率調(diào)配后系統(tǒng)隨邊界變化的情況。

在各個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注MID.TL20：設(shè)備入口溫度，MID.TL25：設(shè)備出口溫度也是中間換熱器入口溫度，MID.TL40：中間換熱器出口溫度。為了保證設(shè)備溫度水平滿足要求，必須保證TL20的溫度水平滿足要求。由圖7可知，整個(gè)過程以第800s為界分為兩個(gè)區(qū)域：

0～800 s區(qū)間：由于閥門打開前耦合回路中存在10℃的低溫工質(zhì)，所以閥門打開后這些低溫工質(zhì)流過HFMIN.TL40時(shí)會(huì)造成該測溫點(diǎn)溫度短時(shí)間內(nèi)明顯下降，隨后開始快速上升并趨于穩(wěn)定。由于艙A中溫回路冷板熱負(fù)荷高，中溫回路中冷板出口溫度水平也比艙B、艙C相對高些，在功耗調(diào)配前，會(huì)有少量熱負(fù)荷從艙A轉(zhuǎn)移至艙B、艙C，造成艙AHFMID.TL40的溫度低于HFMID.TL25，而艙A的G1FMID.TL25要高于G1FMID.TL40，艙C情況類似。在這個(gè)過程中，各艙MID.TL20的溫度水平很平穩(wěn)。

800s以后區(qū)間：此時(shí)艙B、艙C向艙A進(jìn)行大幅度功耗調(diào)配，同時(shí)熱負(fù)荷由艙A轉(zhuǎn)移回艙B、艙C。由于熱負(fù)荷明顯增大，艙AHFMIN.TL25的溫度水平快速上升。由于熱負(fù)荷明顯減小，G1MIN.TL25和G2MIN.TL25的溫度水平快速下降。整個(gè)過程中各個(gè)艙段的MIN.TL20溫度點(diǎn)均較為平穩(wěn)。

綜上所述，雖然艙間出現(xiàn)了較大額度的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移，但是依靠各個(gè)艙段溫控閥的調(diào)節(jié)，各個(gè)艙段的測溫點(diǎn)變換幅度很小，很平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)溫度的大幅度跳動(dòng)。

圖7 艙間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)各個(gè)測溫點(diǎn)溫度

5 結(jié)束語

本文提出了一種空間站艙間耦合式熱管理系統(tǒng)方案，并建立數(shù)學(xué)模型研究了穩(wěn)態(tài)和功耗調(diào)配狀態(tài)下，該系統(tǒng)流體內(nèi)回路各個(gè)位置的溫度水平，結(jié)果表明，三個(gè)艙段的流體內(nèi)回路溫度水平均能滿足要求。艙間出現(xiàn)大額度功耗調(diào)配時(shí)，通過各艙溫控閥的調(diào)節(jié)，各個(gè)艙段關(guān)鍵溫度點(diǎn)變化平穩(wěn)，滿足溫度要求。這表明對于內(nèi)—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)，艙間大額度的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程并不需要復(fù)雜的控制方法，各艙熱管理系統(tǒng)仍然按照獨(dú)立時(shí)的方式進(jìn)行控制即可滿足要求。本文的研究結(jié)果為我國空間站熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可行的技術(shù)依據(jù)和有效的分析方法。

內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)是一種新穎的方案，若將該方案真正應(yīng)用于工程實(shí)際中，還需對其可行性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括系統(tǒng)性能包絡(luò)、系統(tǒng)敏感性分析和敏感參數(shù)識(shí)別等。 ◇

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