高冰點(diǎn)熱管工作特性實(shí)驗(yàn)研究及在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上的應(yīng)用

劉 暢，宗立爭(zhēng)，王 錄，呂 巍，苗建印，范雨秾，王浩然，馬巨印

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

0 引言

基于月球的自轉(zhuǎn)周期，月晝及月夜時(shí)長(zhǎng)分別約為340 h。月晝期間，月面日下點(diǎn)最高溫度可達(dá)120℃；月夜期間，除赤道帶外的絕大部分地區(qū)月表溫度迅速降至-180℃（赤道地區(qū)維持-120℃左右）[1-2]。因而月球探測(cè)器上儀器設(shè)備的月晝高溫散熱[3]和月夜低溫保溫成為月球探測(cè)器熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前已有的熱開(kāi)關(guān)通過(guò)驅(qū)動(dòng)力控制導(dǎo)熱面接觸或分離來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱路徑的通斷[4]適用于熱源和散熱面距離相對(duì)較近的場(chǎng)合，且活動(dòng)面的存在降低了開(kāi)關(guān)的可靠性。針對(duì)此，設(shè)備與熱沉間的變熱導(dǎo)傳熱成為解決散熱和保溫矛盾的有效途徑。通過(guò)可變熱導(dǎo)熱管技術(shù)實(shí)現(xiàn)變熱導(dǎo)傳熱在國(guó)內(nèi)外已有大量應(yīng)用[5-7]，我國(guó)“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器即采用了可變熱導(dǎo)輻射散熱器技術(shù)[6,8-9]。該技術(shù)利用氣體阻塞式可變熱導(dǎo)熱管連接設(shè)備與散熱面；月夜期間隨溫度降低，熱管內(nèi)的不凝氣體自動(dòng)阻塞熱管冷凝段、減小散熱面積，從而減少散熱量，直至完全斷開(kāi)通過(guò)熱管的兩相傳熱，以實(shí)現(xiàn)月夜深低溫環(huán)境下散熱的阻斷。但可變熱導(dǎo)熱管一般具有儲(chǔ)氣室結(jié)構(gòu)、含有2種工作介質(zhì)，熱管制造、工質(zhì)充裝工藝復(fù)雜，且功能段漏熱抑制能力有待進(jìn)一步提升。

利用開(kāi)關(guān)式熱管可有效解決長(zhǎng)距離熱量收集、傳輸，以及熱量高效排散和低溫可靠截留問(wèn)題[10]，即：月晝期間通過(guò)熱管內(nèi)工質(zhì)氣液兩相傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量的高效收集和傳遞；月夜期間熱管溫度低于工質(zhì)凝固點(diǎn)，工質(zhì)凝結(jié)，不再發(fā)生氣液相變和相變傳熱，僅存在管殼漏熱。開(kāi)關(guān)式熱管無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高，且不消耗電能，可以避免常規(guī)熱控方案在高溫工況采用大散熱面、低溫工況采用大功率補(bǔ)償所引發(fā)的資源消耗。

傳統(tǒng)鋁氨熱管工質(zhì)的凝固點(diǎn)（冰點(diǎn)）為-77.7℃，低于多數(shù)儀器設(shè)備的最低存儲(chǔ)溫度，低溫阻斷散熱功能的適用范圍較小。八氟環(huán)丁烷熱管工質(zhì)的凝固點(diǎn)為-42℃，可作為開(kāi)關(guān)式熱管工質(zhì)應(yīng)用于大部分儀器設(shè)備的高溫區(qū)散熱和低溫區(qū)保溫。八氟環(huán)丁烷熱管屬于中溫?zé)峁躘11]，由于八氟環(huán)丁烷的冰點(diǎn)高于氨的冰點(diǎn)，所以習(xí)慣上也稱八氟環(huán)丁烷熱管為高冰點(diǎn)熱管。這種熱管已在“嫦娥四號(hào)”著陸器上得到成功應(yīng)用，可隨著溫度變化實(shí)現(xiàn)熱管的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，凝固點(diǎn)附近的開(kāi)關(guān)比大于33[10]；熱管工作期間，7℃工作溫度下的傳熱能力大于15 W，傳熱溫差小于4℃，能夠適應(yīng)著陸器±15°的傾斜。

本文針對(duì)一種適用于月球探測(cè)器設(shè)備月晝高效傳熱和月夜阻斷傳熱、以八氟環(huán)丁烷為工質(zhì)的槽道熱管，對(duì)其常溫下傳熱及啟動(dòng)特性進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)該熱管在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上應(yīng)用時(shí)的地面熱試驗(yàn)及在軌工作情況進(jìn)行介紹。

1 開(kāi)關(guān)式高冰點(diǎn)熱管原理及設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

開(kāi)關(guān)式高冰點(diǎn)熱管采用的工質(zhì)的凝固點(diǎn)高于設(shè)備的存儲(chǔ)溫度下限然低于設(shè)備的工作溫度下限，當(dāng)設(shè)備溫度處于工作溫度時(shí)，熱管正常工作，實(shí)現(xiàn)高效傳熱；當(dāng)設(shè)備處于存儲(chǔ)狀態(tài)、溫度降至熱管工質(zhì)凝固點(diǎn)溫度時(shí)，熱管內(nèi)工質(zhì)凝結(jié)，阻斷傳熱，實(shí)現(xiàn)保溫。因此，開(kāi)關(guān)式熱管同時(shí)具備傳熱和隔熱性能。

1.2 熱管設(shè)計(jì)

根據(jù)高冰點(diǎn)熱管的工作溫區(qū)、工質(zhì)凍結(jié)性能要求，綜合考慮傳熱性能等因素，選用八氟環(huán)丁烷作為熱管工質(zhì)。熱管殼體材料為鋁，管材內(nèi)部采用周向槽道結(jié)構(gòu)。槽道熱管的傳熱極限一般為毛細(xì)限，熱管正常運(yùn)行時(shí)其最大傳熱能力為[12]

式中：ΔPmax為熱管最大驅(qū)動(dòng)壓力；fl為液體流動(dòng)阻力系數(shù)；fv為蒸氣流動(dòng)阻力系數(shù)。

軸向槽道熱管的驅(qū)動(dòng)力為槽道表面的毛細(xì)力及重力的合力，即

式中：σ為八氟環(huán)丁烷的表面張力系數(shù)；θ為工質(zhì)與管材接觸角；W為軸向槽寬；ΔPg為重力作用力，ΔPg=ΔPg⊥±ΔPg//=ρlg(dωcosφ±lsinφ)， 其中，ΔPg⊥為重力的垂直分量，用來(lái)抵消毛細(xì)壓力作用；ΔPg//為重力的軸向分量，視其與熱管工質(zhì)回流方向一致與否，可能起驅(qū)動(dòng)輔助作用，也可能起阻礙作用；ρl為液體密度；g為重力加速度；dω為熱管直徑；l為熱管長(zhǎng)度；φ為熱管與水平面夾角。

液體流動(dòng)阻力為八氟環(huán)丁烷在軸向槽道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，

式中：μl為液體黏度系數(shù)；λ為汽化潛熱；Al為單個(gè)軸向槽道的面積；Dl為軸向槽道的水力當(dāng)量直徑，Dl=4Al/L，其中L為槽道周長(zhǎng)。

蒸氣流動(dòng)阻力為工質(zhì)在蒸氣腔內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，

式中：μv為蒸氣黏度系數(shù)；ρv為蒸氣密度；Av為蒸氣腔的面積；Dv為蒸氣腔的直徑。

可由式(1)～式(4)計(jì)算得到不同溫度下的熱管最大傳熱能力。

2 高冰點(diǎn)熱管傳熱性能地面實(shí)驗(yàn)研究

2.1 地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)式高冰點(diǎn)熱管性能地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

1）測(cè)量系統(tǒng)。采用銅/康銅熱電偶對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。熱電偶經(jīng)過(guò)標(biāo)定，測(cè)溫誤差在±0.2℃內(nèi)。

2）功率加載系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中有2套功率加載系統(tǒng)：①傳熱性能實(shí)驗(yàn)中的功率加載系統(tǒng)主要為電源，具有輸出電流連續(xù)可調(diào)功能，用于控制模擬熱源電加熱器的加熱功率；②啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)中的功率加載系統(tǒng)為高溫液體容器，用于模擬啟動(dòng)過(guò)程的恒溫?zé)嶝?fù)荷。

3）熱管實(shí)驗(yàn)件。實(shí)驗(yàn)件共2件，編號(hào)分別為HP1-1#和HP1-2#。實(shí)驗(yàn)件有2種狀態(tài)：①傳熱性能實(shí)驗(yàn)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行絕熱處理，實(shí)驗(yàn)件冷凝段與流體回路通過(guò)板式換熱器（以下簡(jiǎn)稱冷板）進(jìn)行熱耦合，冷凝段與冷板之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，冷板內(nèi)工質(zhì)溫度由水循環(huán)機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)模擬熱源電加熱器進(jìn)行功率加載，如圖1所示。②啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)中，不對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行絕熱處理，熱管蒸發(fā)端與管體中部各布置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，參照熱管等溫性測(cè)試方法，直接將蒸發(fā)端插入高溫液體容器中。

圖1 熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Experimental system for heat transfer study of heat pipe

2.2 傳熱性能實(shí)驗(yàn)

通過(guò)測(cè)試不同工作溫度下熱管的傳熱能力來(lái)表征熱管傳熱性能。熱管實(shí)驗(yàn)件溫度測(cè)點(diǎn)布局及驅(qū)動(dòng)高度參見(jiàn)圖2。

圖2 地面實(shí)驗(yàn)中高冰點(diǎn)熱管溫度測(cè)點(diǎn)布局及驅(qū)動(dòng)高度示意Fig.2 Layout of temperature measurement points and sketch map of drive height in ground experiment

高冰點(diǎn)熱管在月面工作時(shí)的重力條件為地球重力的1/6，因此地面性能測(cè)試過(guò)程中，需要將在軌工作時(shí)月面重力引起的驅(qū)動(dòng)力等效為地面條件下的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行傳熱能力測(cè)試。重力引起的驅(qū)動(dòng)力與重力加速度大小、驅(qū)動(dòng)高度相關(guān)，熱管實(shí)際工作過(guò)程中，軸線方向上月面重力輔助高度為150 mm，由于管體長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于熱管直徑，故可忽略重力垂直分量，確定地面測(cè)試時(shí)的驅(qū)動(dòng)高度為月面工作時(shí)的1/6，即25 mm。

應(yīng)用2.1節(jié)所述地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展常溫下熱管傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1熱管最大傳熱能力

2件熱管實(shí)驗(yàn)件工作溫度35℃條件下的最大傳熱量Qmax, T35實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。傳熱量為Qmax, T35時(shí)，熱管在工作溫度45℃、55℃條件下均可正常工作。另外，圖3還給出了根據(jù)1.2節(jié)公式計(jì)算得到的熱管最大傳熱能力Qmax隨溫度變化曲線。對(duì)于八氟環(huán)丁烷工質(zhì)與管材的接觸角θ，目前尚未得到確定數(shù)值，因此本文對(duì)θ取不同值進(jìn)行了計(jì)算。

圖3 高冰點(diǎn)熱管最大傳熱量理論值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Comparison of maximum heat transfer capacity between simulated and experimental results

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）重力輔助條件下，高冰點(diǎn)熱管工作溫度35～55℃范圍內(nèi)，最大傳熱量大于40 W；2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，八氟環(huán)丁烷工質(zhì)與管材接觸角θ接近80°，進(jìn)一步可計(jì)算得到該型高冰點(diǎn)熱管月球重力條件下35～55℃溫區(qū)最大傳熱能力僅為6 W·m 左右。這說(shuō)明八氟環(huán)丁烷與鋁的浸潤(rùn)性不佳，液體工質(zhì)回流驅(qū)動(dòng)力較小。但是八氟環(huán)丁烷熱管在月面實(shí)際條件下應(yīng)用時(shí)，在月球重力下產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力能夠輔助液體回流。為擴(kuò)展八氟環(huán)丁烷熱管適用范圍，后續(xù)可以從槽道結(jié)構(gòu)、管體材料等方面開(kāi)展優(yōu)化研究。另外，針對(duì)八氟環(huán)丁烷工質(zhì)與管材的接觸角，后續(xù)可通過(guò)進(jìn)行熱管水平狀態(tài)傳熱能力測(cè)試、工質(zhì)與管材接觸角的測(cè)量等工作開(kāi)展進(jìn)一步研究。

2.2.2常溫下熱管傳熱特性

熱管實(shí)驗(yàn)件工作溫度35～55℃范圍內(nèi)，不同傳熱功率下的管體溫度分布見(jiàn)圖4，其中橫軸（測(cè)點(diǎn)位置）原點(diǎn)代表熱管蒸發(fā)段起始點(diǎn)。

圖4 高冰點(diǎn)熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental resultsof heat transfer characteristicsof the heat pipe

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）高冰點(diǎn)熱管傳熱量為25 W的情況下，工作溫度35～55℃范圍內(nèi)，傳熱溫差（蒸發(fā)段測(cè)點(diǎn)與冷凝段測(cè)點(diǎn)溫差）均小于5℃；2）熱管在同一傳熱量情況下，工作溫度越高，傳熱溫差越小，說(shuō)明熱管在高溫工作時(shí)的傳熱熱阻小。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這可能是因?yàn)闊峁芄べ|(zhì)在高溫條件下，冷凝過(guò)程效率更高，相變換熱系數(shù)較大。

2.3 啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)

本文研究的熱管在月面實(shí)際工作過(guò)程中存在月球重力輔助附加效應(yīng)，而對(duì)于重力輔助姿態(tài)下熱管的啟動(dòng)，重力引起的驅(qū)動(dòng)力越大，越難啟動(dòng)。這是由于：熱管在重力影響下管內(nèi)液態(tài)工質(zhì)逐漸聚集到位置較低的蒸發(fā)段形成液塞。開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)段受熱后液態(tài)工質(zhì)自槽道壁面吸熱蒸發(fā)并形成氣泡，氣泡受液塞阻礙積聚在蒸發(fā)段的氣腔內(nèi)而不能到達(dá)冷凝段。隨著蒸發(fā)段持續(xù)受熱，蒸發(fā)段氣腔內(nèi)積聚的氣體越來(lái)越多，直至蒸發(fā)段內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)沖破液塞到達(dá)冷凝段后，液塞現(xiàn)象消失。后續(xù)產(chǎn)生的氣體均能順利到達(dá)冷凝段，蒸發(fā)段和冷凝段的溫差將隨之減小，熱管進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，啟動(dòng)成功。而重力引起的驅(qū)動(dòng)力越大，啟動(dòng)過(guò)程蒸發(fā)段內(nèi)氣體沖破液塞所需克服的重力作用越大，這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，故而啟動(dòng)難度越大。

地面啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)針對(duì)高冰點(diǎn)熱管與水平面夾角（傾角）φ為10°、30°兩種情況進(jìn)行。以熱管蒸發(fā)段插入高溫液體容器時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，熱管蒸發(fā)段測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1#）與中部測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)2#）間溫差在1℃以內(nèi)時(shí)認(rèn)為熱管啟動(dòng)成功。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高冰點(diǎn)熱管在不同傾角、不同啟動(dòng)溫度下的啟動(dòng)時(shí)間見(jiàn)表1?？梢钥吹剑喊朔h(huán)丁烷熱管與水平面夾角越大，即重力驅(qū)動(dòng)高度越高，啟動(dòng)所需時(shí)間越長(zhǎng)；但在工作溫度28～44℃范圍內(nèi)，熱管正常啟動(dòng)時(shí)間均不超過(guò)90 s。

表1 高冰點(diǎn)熱管在不同傾角和溫度下的啟動(dòng)時(shí)間Table 1 Startup time at different temperature and inclination

3 高冰點(diǎn)熱管在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上的應(yīng)用情況

3.1 “嫦娥四號(hào)”整器地面熱平衡試驗(yàn)

高冰點(diǎn)熱管在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上得到應(yīng)用，用于某固態(tài)放大器設(shè)備向某電子學(xué)設(shè)備在高溫工況的熱量傳遞以及在低溫工況的熱量截留。高冰點(diǎn)熱管隨“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器開(kāi)展了整器地面熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)熱管預(yù)埋于蜂窩板內(nèi)部，在蜂窩板上熱管蒸發(fā)段、過(guò)渡段與冷凝段的對(duì)應(yīng)位置粘貼熱電偶測(cè)溫。圖5給出了整器降溫及喚醒升溫過(guò)程中高冰點(diǎn)熱管的凍結(jié)和解凍溫度曲線。

圖5 高冰點(diǎn)熱管整器熱試驗(yàn)溫度曲線Fig.5 Temperature during frost and defrost in Chang’e-4 probe’s ground test

圖5(a)模擬月夜低溫工況，整器降溫過(guò)程中熱管先降溫至-40℃左右，繼續(xù)降溫，熱管蒸發(fā)段和冷凝段溫差迅速變大，表明蒸發(fā)段與冷凝段熱阻變大，熱管工質(zhì)成功凍結(jié)。圖5(b)模擬月晝喚醒工況，整器升溫過(guò)程中熱管先升溫至-40℃左右，繼續(xù)升溫，熱管蒸發(fā)段和冷凝段溫差迅速變小，表明蒸發(fā)段與冷凝段熱阻變小，熱管工質(zhì)解凍成功。

3.2 “嫦娥四號(hào)”在軌應(yīng)用

高冰點(diǎn)熱管隨“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器執(zhí)行月球探測(cè)任務(wù)。受限于測(cè)溫通道資源，高冰點(diǎn)熱管附近并未布置溫度測(cè)點(diǎn)，故以熱管附近載荷設(shè)備的溫度作為評(píng)估熱管工作狀態(tài)的參考。同時(shí)，受限于數(shù)據(jù)傳輸資源，無(wú)法獲取高冰點(diǎn)熱管附近設(shè)備月夜期間的在軌溫度數(shù)據(jù)。

月晝期間，高冰點(diǎn)熱管蒸發(fā)段附近某固態(tài)放大器設(shè)備、冷凝段附近某電子學(xué)設(shè)備的在軌溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，月晝期間高冰點(diǎn)熱管傳熱效果良好，工作正常。

圖6 高冰點(diǎn)熱管在軌溫度Fig.6 Temperature in heat pipe operating in the orbit

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種以八氟環(huán)丁烷為工質(zhì)的高冰點(diǎn)槽道熱管，對(duì)其常溫下傳熱及啟動(dòng)特性開(kāi)展了地面實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）高冰點(diǎn)熱管工作溫度35～55℃范圍內(nèi)的最大傳熱量大于40 W；2）工作溫度范圍內(nèi)、傳熱量為25 W 時(shí)，傳熱溫差均小于5℃；3）熱管在相同傳熱量情況下，工作溫度越高，傳熱溫差越??；4）管體與水平面夾角分別為10°、30°兩種情況下，熱管均能在90 s內(nèi)正常啟動(dòng)。

該熱管已在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上得到成功應(yīng)用。地面熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高冰點(diǎn)熱管在月夜低溫工況工質(zhì)凍結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備保溫，升溫后可以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)解凍；探測(cè)器在軌數(shù)據(jù)表明，高冰點(diǎn)熱管在月晝高溫工況傳熱效果良好，確保了探測(cè)器相關(guān)設(shè)備在軌的高性能工作。