載人航天器的可重構(gòu)式控溫回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳 健，侯永青

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

空間站作為大型載人航天器，在軌時(shí)間長(zhǎng)、工作模式復(fù)雜，而且在不同工作模式下熱負(fù)荷水平差別極大，與設(shè)備區(qū)相比人活動(dòng)區(qū)控溫范圍較窄[1-3]?！昂推健碧?hào)空間站和國(guó)際空間站等均采用內(nèi)、外雙回路系統(tǒng)作為主要熱量傳輸系統(tǒng)。內(nèi)回路負(fù)責(zé)收集密封艙內(nèi)設(shè)備和乘員代謝產(chǎn)熱，外回路負(fù)責(zé)收集部分艙外設(shè)備工作產(chǎn)熱并將內(nèi)回路傳遞來(lái)的熱量 通過(guò)輻射器排散至外空間[4-15]。

本文在分析國(guó)際空間站控溫回路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種可重構(gòu)式雙外回路控溫系統(tǒng)，并建立主動(dòng)控溫回路系統(tǒng)的仿真分析模型，研究可重構(gòu)式雙外回路控溫系統(tǒng)在正常情況下的性能，并與相同配置的單外回路系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較。此外，還分析了雙外回路中某回路故障時(shí)系統(tǒng)所能承受的最大熱負(fù)荷水平。

1 國(guó)際空間站控溫回路分析

考慮到密封艙內(nèi)不同設(shè)備對(duì)工作溫度要求的差異，以及設(shè)備控溫與空氣控溫存在差異，因此，以國(guó) 際空間站美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙為代表的密封艙體配置了中低溫雙內(nèi)回路系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的低溫中間換熱器和中溫中間換熱器以上下游串聯(lián)方式安裝在外回路上[16]，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 國(guó)際空間站美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙主動(dòng)控溫回路系統(tǒng)Fig.1 Thermal control loop structure of USL on ISS

這種雙內(nèi)回路控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在如下不足：

1）載人航天器主要的熱負(fù)荷來(lái)自于設(shè)備，包括平臺(tái)設(shè)備和在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大部分設(shè)備需要靠中溫內(nèi)回路來(lái)收集熱量。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)常要進(jìn)行更換，從而造成中溫內(nèi)回路熱負(fù)荷水平也隨之不斷變化；乘員代謝產(chǎn)熱和部分有低溫需求的設(shè)備工作產(chǎn)熱是通過(guò)低溫內(nèi)回路收集，這部分熱量通常額度不大且相對(duì)穩(wěn)定。但是外回路控溫點(diǎn)主要依照低溫內(nèi)回路控溫需求來(lái)設(shè)定，使得輻射器的整體溫度水平偏低，從而影響了輻射器的散熱能力，限制了在軌實(shí)驗(yàn)規(guī)模的擴(kuò)展。

2）外回路安裝在密封艙外，存在因微流星體、空間碎片撞擊而發(fā)生工質(zhì)泄漏甚至造成系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)；且外回路系統(tǒng)難以開展在軌維修，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)造成中、低溫內(nèi)回路同時(shí)失效。因此，“和平”號(hào)空間站、國(guó)際空間站的部分艙段都設(shè)定了完全一致的雙外回路系統(tǒng)，用于功能備份，但這種備份方式必然增大航天器的載荷。

2 可重構(gòu)式雙外回路控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高外回路的工作效率及可靠性，確保外回路故障時(shí)的系統(tǒng)安全，本文通過(guò)切換閥、耦合管路對(duì)兩條獨(dú)立的外回路系統(tǒng)進(jìn)行了可重構(gòu)設(shè)計(jì)。正常工況下，兩條外回路分別獨(dú)立收集中、低溫內(nèi)回路的熱量，可有效提高輻射器散熱能力；在某條外回路出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)可有效維持系統(tǒng)的部分散熱能力。

可重構(gòu)式雙外回路控溫系統(tǒng)包括外回路獨(dú)立運(yùn)行和外回路耦合重構(gòu)運(yùn)行2 種工作模式。

1）外回路獨(dú)立運(yùn)行模式：低溫外回路只負(fù)責(zé)收集低溫內(nèi)回路傳遞的熱量，中溫外回路只負(fù)責(zé)收集中溫內(nèi)回路傳遞的熱量，兩條外回路彼此獨(dú)立且各自設(shè)定控溫點(diǎn)溫度，互不干擾。

2）外回路耦合重構(gòu)運(yùn)行模式：當(dāng)某外回路因輻射器管路泄漏失效時(shí)，通過(guò)截止閥隔離該故障輻射器，并通過(guò)切換閥門啟動(dòng)兩條外回路間的耦合管路，使兩條外回路形成并聯(lián)關(guān)系，共用可正常工作的輻射器，以維持控溫系統(tǒng)的部分散熱能力，確保載人航天器乘員和平臺(tái)設(shè)備的安全。

2.1 艙體熱負(fù)荷水平和控溫要求

參考國(guó)際空間站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，載人航天器密封艙內(nèi)設(shè)備分為平臺(tái)設(shè)備和在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其中平臺(tái)設(shè)備的熱負(fù)荷水平為定值，實(shí)驗(yàn)設(shè)備熱負(fù)荷水平取決于載人航天器的供電能力和散熱能力。表1列出了某載人航天器密封艙內(nèi)產(chǎn)熱設(shè)備的熱負(fù)荷水平和控溫要求。

表1 產(chǎn)熱設(shè)備的熱負(fù)荷水平及控溫要求Table 1 Description of heat load on thermal control loop

2.2 獨(dú)立運(yùn)行控溫回路系統(tǒng)

載人航天器獨(dú)立運(yùn)行控溫回路系統(tǒng)（見圖2）的內(nèi)回路和外回路系統(tǒng)均分為低溫和中溫兩條回路：

1）低溫內(nèi)回路為冷凝干燥組件和部分有低溫需求的在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供冷源，其溫度由低溫外回路直接控制。根據(jù)表1可知，有低溫需求的設(shè)備為L(zhǎng)1 和L2，其中平臺(tái)設(shè)備L1 的熱負(fù)荷為650 W。低溫內(nèi)回路和低溫外回路的工質(zhì)均設(shè)定為純水，低溫內(nèi)回路質(zhì)量流量設(shè)定為250 kg/h，低溫外回路質(zhì)量流量為900 kg/h。

2）中溫內(nèi)回路為平臺(tái)設(shè)備和在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供冷源，其溫度由中溫外回路直接控制。根據(jù)表1可知，中溫內(nèi)回路上的平臺(tái)設(shè)備M1 和M2 的熱負(fù)荷均為600 W。中溫內(nèi)回路和中溫外回路的工質(zhì)均 設(shè)定為純水，為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，中溫內(nèi)回路質(zhì)量流量設(shè)定為250 kg/h，中溫外回路質(zhì)量流量為900 kg/h。

3）中、低溫外回路分別收集中、低溫內(nèi)回路熱量，并傳遞給本回路的體裝式輻射器；在輻射器進(jìn)口處設(shè)置溫控閥和支路，通過(guò)調(diào)節(jié)流入輻射器的工質(zhì)流量來(lái)控制回路溫度，控溫點(diǎn)設(shè)在輻射器工質(zhì)出口處。根據(jù)前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，輻射器表面涂層的紅外發(fā)射率為0.92，太陽(yáng)吸收比為0.2。為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，兩條外回路的輻射器面積均為25 m2。

4）在中、低溫外回路管路上設(shè)置三通切換閥和耦合管路（見圖2中的粉色部分），通過(guò)控制三通閥門的開啟方式可以設(shè)定兩條外回路的工作模式是獨(dú)立運(yùn)行還是耦合重構(gòu)。圖2所示的耦合管路為截止?fàn)顟B(tài)（以虛線表示），表明外回路處于獨(dú)立運(yùn)行模式。

圖2 載人航天器可重構(gòu)的控溫回路系統(tǒng)Fig.2 Reconfigured thermal control loop structure of manned spacecraft

2.3 耦合重構(gòu)的控溫回路系統(tǒng)

以低溫外回路泄漏為例，首先通過(guò)關(guān)閉低溫外回路輻射器截止閥隔離泄漏的管路設(shè)備，然后調(diào)節(jié) 各個(gè)三通切換閥開度開通兩條耦合管路，實(shí)現(xiàn)兩條外回路并聯(lián)運(yùn)行，共用未發(fā)生泄漏故障的中溫外回路及輻射器，如圖3所示。

圖3 低溫外回路輻射器故障時(shí)的耦合重構(gòu)控溫回路系統(tǒng)Fig.3 Reconfigured thermal control loop when low temperature external loop fails

在中低溫外回路泵的驅(qū)動(dòng)下，中低溫外回路工質(zhì)交匯在一起進(jìn)入中溫外回路輻射器，通過(guò)中溫外回路溫控閥調(diào)節(jié)流入輻射器的工質(zhì)流量，控制輻射器出口控溫點(diǎn)滿足低溫內(nèi)回路控溫需求，流出輻射器的工質(zhì)在切換閥的調(diào)解下分成均勻的兩股分別流過(guò)低溫中間換熱器和中溫中間換熱器。由于外回路工質(zhì)溫度是按照控制低溫內(nèi)回路工質(zhì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的，為了滿足中溫內(nèi)回路工質(zhì)控溫需求，啟動(dòng)中溫內(nèi)回路溫控閥，對(duì)中溫內(nèi)回路工質(zhì)溫度進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。

同樣，當(dāng)中溫外回路輻射器工質(zhì)發(fā)生泄漏時(shí)，通過(guò)關(guān)閉中溫外回路輻射器截止閥隔離泄漏的工質(zhì)管路，后續(xù)的閥門調(diào)節(jié)、工質(zhì)流向以及溫度控制與低溫外回路故障時(shí)一致。

通過(guò)上述管路系統(tǒng)重構(gòu)，當(dāng)某條外回路輻射器故障時(shí)可保證系統(tǒng)的部分散熱能力及系統(tǒng)安全。

3 回路性能仿真分析

3.1 仿真模型及設(shè)置

本文采用Sinda-Fluint 軟件建立了并網(wǎng)控溫回路系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，主要控制方程描述如下。

質(zhì)量方程為

式中：ρ為工質(zhì)密度；S為流體回路截面積；u為流速；t為時(shí)間；x為流程。

動(dòng)量方程為

式中：p為壓力；Fa為局部阻力，F(xiàn)a=-(faρu2S)/2，fa為局部阻力系數(shù)；Fm為沿程壁面摩擦阻力，F(xiàn)m=(fmρu2S)/2，fm為沿程阻力系數(shù)；sM為動(dòng)量源。

能量方程為

式中：U為內(nèi)能；H為焓；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為液體工質(zhì)溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Tp為管壁溫度；Sw為對(duì)流換熱面積；Qi為輸入熱量。

為了使模型封閉，必須引入流動(dòng)傳熱的物理關(guān)系式。將式(1)～式(3)中的空間項(xiàng)離散，時(shí)間項(xiàng)保持連續(xù)，將分布參數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為集中參數(shù)問(wèn)題，得到離散模型

式中：M為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；en為第n根管路的流率矯正系數(shù)；θr,n為第n根管路內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流率。

式中：Sf為管路流通截面積；L為管路長(zhǎng)度；pu是管路上游靜壓；pd是管路下游靜壓；Kc是壓頭系數(shù)；fng是非可獲得損失系數(shù)；Z是流率指數(shù)；fg是可獲得損失系數(shù)；fd是界面阻力系數(shù)。

式中：In是第n根管路連接偏移因子；Qd為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)能量源或能量匯；p1為工質(zhì)靜壓；Vd為節(jié)點(diǎn)容積變化率；Vo為體積流率；Co為節(jié)點(diǎn)外壁兼容系數(shù)。

輻射器等效熱沉溫度Ts計(jì)算公式為

式中：ε是輻射器面板紅外發(fā)射率；σ是玻耳茲曼常量；αs是輻射器面板太陽(yáng)吸收比；q1是太陽(yáng)輻射熱流，q2是地球反射太陽(yáng)輻射熱流，q3是地球紅外輻射熱流，這3 種熱流的計(jì)算方式參見文獻(xiàn)[17]。

每一個(gè)輻射器微面元的散熱能力計(jì)算公式為

式中：Q是輻射器輻射散熱量；η是輻射器肋片效率；W是輻射器寬度；Tw是輻射器面板溫度。

載人航天器控溫回路系統(tǒng)模型如圖4所示，固態(tài)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為480 個(gè)，流體節(jié)點(diǎn)總數(shù)為224 個(gè)。

圖4 載人航天器控溫回路系統(tǒng)模型Fig.4 Simulation model of thermal control loop of manned spacecraft

仿真分析采用低地球軌道（LEO）參數(shù)：軌道高度為400 km，太陽(yáng)入射角為0°。載人航天器在軌飛行采用三軸穩(wěn)定對(duì)地姿態(tài)，輻射器軸線與載人航天器飛行速度方向一致。太陽(yáng)輻照常數(shù)為1354 W/m2，地球反射太陽(yáng)輻射系數(shù)選為0.3，地球紅外輻射設(shè)定地球輻射溫度為250 K。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 外回路無(wú)故障工況

當(dāng)外回路無(wú)故障時(shí)，中、低溫外回路處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)設(shè)定為277 K，中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)設(shè)定為293 K。設(shè)定t0=3000 s，該時(shí)刻平臺(tái)設(shè)備L1、M1、M2 的熱負(fù)荷水平參見表1，所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備熱負(fù)荷為0 W；隨后每隔6000 s，實(shí)驗(yàn)設(shè)備L2 的熱負(fù)荷增加200 W，實(shí)驗(yàn)設(shè)備M3 和M4 的熱負(fù)荷各增加175 W。

為進(jìn)行對(duì)比，本文同時(shí)分析了單外回路系統(tǒng)工作性能，且將單外回路工質(zhì)流量設(shè)定為900 kg/h+ 900 kg/h=1800 kg/h，其他配置及熱負(fù)荷水平與雙外回路系統(tǒng)一致。

中、低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖5。外回路工質(zhì)流量分配見圖6。

圖5 無(wú)故障時(shí)內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度Fig.5 Control point temperature of inner loop when external loops working without failure

圖6 無(wú)故障時(shí)外回路工質(zhì)流量分配Fig.6 Flux distribution of external loop when external loops working without failure

由圖5(a)可知，對(duì)于雙外回路系統(tǒng)，通過(guò)外回路溫控閥的調(diào)節(jié)，低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在t0～(t0+6×6000) s 時(shí)間范圍內(nèi)都維持在277 K。由圖6(a)可知，隨著低溫內(nèi)回路熱負(fù)荷水平不斷增加，流過(guò)輻射器的低溫外回路工質(zhì)流量持續(xù)增加，在(t0+5×6000)～(t0+6×6000) s，陽(yáng)照區(qū)時(shí)低溫外回路工質(zhì)短時(shí)間內(nèi)全流量流過(guò)輻射器，但低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)還維持在277 K；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s，隨著熱負(fù)荷水平進(jìn)一步增大，低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在陽(yáng)照區(qū)短時(shí)間內(nèi)超調(diào)至278.8 K。

由圖5(a)可知，通過(guò)外回路溫控閥的調(diào)節(jié)，中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在t0～(t0+4×6000) s 都維持在293 K。由圖6(b)可知，隨著中溫內(nèi)回路熱負(fù)荷水平不斷增加，流過(guò)輻射器的中溫外回路工質(zhì)流量持續(xù)增加，在(t0+4×6000)～(t0+5×6000) s，陽(yáng)照區(qū)時(shí)中溫外回路工質(zhì)短時(shí)間內(nèi)全流量流過(guò)輻射器，而中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)已經(jīng)超調(diào)至 295 K；在(t0+5×6000)～(t0+6×6000) s，隨著熱負(fù)荷水平進(jìn)一步增大，中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在陽(yáng)照區(qū)短時(shí)間內(nèi)超調(diào)至298 K；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s，中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在陽(yáng)照區(qū)短時(shí)間內(nèi)超調(diào)至301.5 K，而此時(shí)中溫外回路流量已經(jīng)持續(xù)全部流過(guò)輻射器。

由圖5(b)可知，對(duì)于單外回路系統(tǒng)，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)始終維持在293 K。在(t0+4×6000)～(t0+5×6000) s，陽(yáng)照區(qū)時(shí)低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)已經(jīng)超調(diào)至278.5 K；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s，陽(yáng)照區(qū)時(shí)低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)已經(jīng)超調(diào)至286.5 K。由圖6(c)可知，在(t0+4×6000)～(t0+5×6000) s，陽(yáng)照區(qū)時(shí)外回路工質(zhì)已經(jīng)全流量流過(guò)輻射器。

各個(gè)設(shè)備溫度隨著在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 無(wú)故障時(shí)各設(shè)備溫度Fig.7 Equipment temperature when external loops working without failure

由圖7(a)可知，對(duì)于雙外回路系統(tǒng)，L1 的工作溫度在t0～(t0+6×6000) s 一直穩(wěn)定在280 K，滿足不高于281 K 的指標(biāo)要求；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s 內(nèi)短時(shí)間達(dá)到282 K，超出了指標(biāo)要求。L2 的工作溫度在t0～(t0+6×6000) s 隨著熱負(fù)荷的增加而升高，但始終不超過(guò)285 K 的指標(biāo)要求；在(t0+6×6000) ～(t0+7×6000) s 短時(shí)間達(dá)到287 K，超出了指標(biāo)要求。綜上可得，低溫內(nèi)回路所能夠承受的熱負(fù)荷水平為650 W+200 W×6 = 1850 W。

M1 和M2 的工作溫度在t0～(t0+4×6000) s 一直穩(wěn)定在298 K，滿足指標(biāo)要求；在(t0+4×6000)～(t0+6×6000) s 由于控溫點(diǎn)在陽(yáng)照區(qū)超調(diào)而出現(xiàn)波動(dòng)，但峰值依然沒(méi)有超過(guò)303 K 的指標(biāo)要求；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s，峰值達(dá)到306.5 K，超出了指標(biāo)要求。M3 和M4 的工作溫度在t0～(t0+6×6000) s 時(shí)間范圍內(nèi)隨著熱負(fù)荷水平增加而升高，但始終不超過(guò) 313 K 的指標(biāo)要求；在(t0+6×6000)～(t0+7×6000) s 短時(shí)間達(dá)到314.5 K，超出了指標(biāo)要求。綜上可得，中溫內(nèi)回路所能夠承受的熱負(fù)荷水平為600 W× 2+350 W×6 = 3300 W。

由圖7(b)可知，對(duì)于單外回路系統(tǒng)，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程內(nèi)，中溫內(nèi)回路設(shè)備溫度始終在控制范圍內(nèi)；但在(t0+4×6000)～(t0+5×6000) s，L1 的溫度在陽(yáng)照區(qū)短時(shí)間內(nèi)升至282 K，超出了指標(biāo)要求，此時(shí)單外回路系統(tǒng)熱負(fù)荷水平為650 W+ 600 W×2 + 200 W×4 + 350 W×4 = 4050 W，這是單外回路系統(tǒng)承受的最大熱負(fù)荷水平。

綜上所述，當(dāng)外回路工作正常時(shí)，單外回路系統(tǒng)所能承受的熱負(fù)荷上限為4050 W；雙外回路系統(tǒng)所能承受的熱負(fù)荷上限為1850 W+ 3300 W = 5150 W，比單外回路系統(tǒng)高27%。

3.2.2 雙外回路中低溫外回路輻射器管路發(fā)生泄 漏工況

假定低溫外回路輻射器管路發(fā)生工質(zhì)泄漏被截止閥隔離，調(diào)節(jié)三通切換閥連通兩條外回路的工質(zhì)，共用中溫外回路輻射器，通過(guò)外回路溫控閥控制低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在277 K，啟動(dòng)中溫內(nèi)回路溫控閥控制中溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)在293 K。設(shè)定t0=3000 s，該時(shí)刻平臺(tái)設(shè)備L1、M1、M2 的熱負(fù)荷水平參見表1，所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備熱負(fù)荷為0 W。此工況下，中、低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度、外回路流量分配及各設(shè)備溫度隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖8～圖10。

圖8 低溫外回路故障時(shí)內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度水平Fig.8 Control point temperature of inner loop when low temperature external loop fails

圖9 低溫外回路故障時(shí)外回路流量分配Fig.9 Flux distribution of external loop when low temperature external loop fails

圖10 低溫外回路故障時(shí)各設(shè)備溫度Fig.10 Equipment temperature when low temperature external loop fails

由圖8可知，低溫外回路故障時(shí)，通過(guò)外回路系統(tǒng)重構(gòu)，中、低溫內(nèi)回路控溫點(diǎn)均能維持在目標(biāo)值。由圖9可知，流過(guò)輻射器的外回路工質(zhì)流量在陰影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)存在較大變化，在陰影區(qū)時(shí)工質(zhì)流量為0.05 kg/s，在陽(yáng)照區(qū)存在短時(shí)間內(nèi)工質(zhì)全流量流過(guò)輻射器的階段，但由于持續(xù)時(shí)間較短，所以回路控溫點(diǎn)仍然能夠維持住。由圖10可知，L1 的溫度穩(wěn)定維持在280 K，滿足指標(biāo)要求；M1 和M2 的溫度穩(wěn)定維持在298 K，滿足指標(biāo)要求。

綜上所述，當(dāng)?shù)蜏赝饣芈份椛淦靼l(fā)生故障后，通過(guò)耦合管路系統(tǒng)重構(gòu)外回路，可以維持載人航天器平臺(tái)設(shè)備的正常工作。當(dāng)中溫外回路發(fā)生故障時(shí)，外回路系統(tǒng)重構(gòu)方式和控溫性能與低溫外回路故障時(shí)類似。

3.2.3 單外回路和雙外回路對(duì)比分析

雙外回路系統(tǒng)與單外回路系統(tǒng)的內(nèi)回路系統(tǒng)配置完全一致，外回路的輻射器面積、工質(zhì)流量等主要參數(shù)也一致，因此重量、功耗等資源代價(jià)基本一致，主要區(qū)別如下：

1）雙外回路系統(tǒng)比單外回路系統(tǒng)增加1 個(gè)外回路溫控閥和4 個(gè)切換閥，每個(gè)閥門的單重不超過(guò)2.5 kg，因此閥門給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的總重量增量不超過(guò)12.5 kg；

2）雙外回路系統(tǒng)比單外回路系統(tǒng)的外回路管路長(zhǎng)度略有增長(zhǎng)，但由于單外回路的流量和管徑都更大，使得管內(nèi)工質(zhì)重量也增大，因此具體的管道重量和管內(nèi)工質(zhì)重量的對(duì)比還取決于管路具體布局方案；

3）雙外回路存在2 個(gè)獨(dú)立的溫控閥，因此，需要在控制器中增加控制算法；

4）單外回路系統(tǒng)只需1 臺(tái)主份外回路泵，而雙外回路系統(tǒng)需要2 臺(tái)，因此，雙外回路系統(tǒng)的泵重量要大于單外回路系統(tǒng)的，但1 臺(tái)1800 kg/h 流量泵的功耗要大于2 臺(tái)900 kg/h 流量泵的功耗之和。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)式控溫回路系統(tǒng)，中、低溫外回路系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)某外回路故障時(shí)，可通過(guò)管路耦合重構(gòu)以維持系統(tǒng)的部分散熱功能。通過(guò)控溫回路系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)仿真分析模型，分析了回路系統(tǒng)正常工作時(shí)的性能以及某外回路故障重構(gòu)后的控溫回路系統(tǒng)性能，結(jié)果表明：

1）在中、低溫外回路的輻射器面積以及工質(zhì)流量一致的情況下，低溫內(nèi)回路可承受的熱負(fù)荷水平為1850 W，中溫內(nèi)回路可承受的熱負(fù)荷水平則達(dá)到3300 W，比低溫內(nèi)回路高78%；

2）當(dāng)某外回路故障時(shí)，通過(guò)外回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，可有效維持載人航天器平臺(tái)系統(tǒng)正常工作。

綜上，本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)雙外回路控溫系統(tǒng)可有效提高中溫內(nèi)回路的熱負(fù)荷承受能力，提高控溫系統(tǒng)的可靠性，為后續(xù)載人航天器控溫回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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