航天分散熱源控溫用環(huán)路熱管設(shè)計(jì)及飛行應(yīng)用

楊 濤，趙石磊，高 騰，趙振明，趙 宇，李春林

(北京空間機(jī)電研究所，北京100094)

0 引 言

環(huán)路熱管(Loop heat pipe，LHP)于1972年由俄羅斯國(guó)家科學(xué)院的Maidanik發(fā)明[1]，是一種利用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)來傳遞熱量的兩相流體回路裝置，具有傳輸熱量大、傳輸距離遠(yuǎn)、無運(yùn)動(dòng)部件和管路柔性靈活布局等諸多優(yōu)點(diǎn)[2-5]。20世紀(jì)末，美俄的LHP技術(shù)已發(fā)展較為成熟，并開始正式應(yīng)用于航天器熱控制。典型的航天器包括俄羅斯的Obzor衛(wèi)星[6]、MARS-96火星探測(cè)器[7]、YAMAL-200[8]衛(wèi)星等；美國(guó)的TACSAT-4衛(wèi)星[9]等；國(guó)際空間站上的ASM-2[10]等。

中國(guó)多個(gè)高校、院所于上世紀(jì)末開始LHP技術(shù)研究，包括北京航空航天大學(xué)[11-12]、中山大學(xué)[13]、華中科技大學(xué)[14]、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)[15]、中國(guó)科學(xué)院[16]及航天院所[17-18]等。但工程應(yīng)用方面，尤其是在航天器熱控領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)LHP的應(yīng)用極少，更缺失長(zhǎng)時(shí)間有效的空間微重力環(huán)境下的飛行數(shù)據(jù)。

2010年，北京空間機(jī)電研究所啟動(dòng)了LHP的技術(shù)研究，旨在解決國(guó)家高分專項(xiàng)工程中遙感衛(wèi)星焦面電路的恒溫控制難題。GF-9衛(wèi)星是國(guó)家重大科技專項(xiàng)-高分專項(xiàng)安排的一顆光學(xué)遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度約為500 km，周期約為90 min。衛(wèi)星的主載荷為全色多光譜遙感器，地面像元分辨率最高可達(dá)亞米級(jí)。全色多光譜遙感器共包含4片CCD器件，單片熱耗為9 W，單軌需工作0～15 min，要求整軌4片CCD器件的溫度穩(wěn)定性和一致性均優(yōu)于±2 ℃。

傳統(tǒng)的LHP構(gòu)型如圖1所示，毛細(xì)泵蒸發(fā)器受熱后產(chǎn)生蒸氣，蒸氣沿氣相管路傳遞至冷凝器，在冷凝器中液化放熱，液體工質(zhì)沿液相管路再回流至毛細(xì)泵儲(chǔ)液器，形成循環(huán)[1-3]。傳統(tǒng)LHP應(yīng)用于焦面CCD器件控溫存在如下不足： 1)吸熱部位僅為毛細(xì)泵蒸發(fā)器，單套LHP較難適應(yīng)分散式熱源的統(tǒng)一熱管理； 2)毛細(xì)泵蒸發(fā)器通常為柱狀結(jié)構(gòu)，難以小型化，且需通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與熱源耦合，增加了額外的熱阻。

圖1 傳統(tǒng)LHP組成示意圖Fig.1 Composition of traditional LHP system

為此，本文針對(duì)GF-9衛(wèi)星的遙感器CCD器件的溫控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種在構(gòu)型上顯著區(qū)別于傳統(tǒng)LHP的分散式熱源精密控溫用LHP，既實(shí)現(xiàn)了狹小空間內(nèi)對(duì)多片焦面CCD器件的統(tǒng)一恒溫控制，柔性傳熱管線又兼顧了焦面結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星艙板間的力學(xué)解耦功能。在地面試驗(yàn)中測(cè)試了該控溫用LHP的熱負(fù)載攜帶能力以及對(duì)分散式熱源的精確控溫效果。2015年9月將該LHP成功應(yīng)用于GF-9衛(wèi)星遙感器CCD器件的在軌控溫。LHP入軌后一次啟動(dòng)成功，迄今為止已在軌連續(xù)運(yùn)行超60個(gè)月，目前處于超期服役狀態(tài)。被控制的4片CCD器件溫度穩(wěn)定性達(dá)±0.7 ℃/年，較好地完成了衛(wèi)星焦面電路CCD器件的恒溫控制任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)控溫用LHP首次在空間微重力環(huán)境下的成功應(yīng)用。

1 控溫用環(huán)路熱管設(shè)計(jì)

針對(duì)GF-9衛(wèi)星遙感器焦面電路4片CCD器件的分布情況和在軌恒溫控制要求，本文設(shè)計(jì)了一種可4熱源同時(shí)精確控溫的控溫用LHP。如圖2所示，相比傳統(tǒng)LHP構(gòu)型，本文設(shè)計(jì)的控溫用LHP引入了副冷凝器、預(yù)熱板和冷板組件(由多個(gè)冷板串/并聯(lián)組成)。毛細(xì)泵蒸發(fā)器上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電加熱器，儲(chǔ)液器上設(shè)置有控溫電加熱器，預(yù)熱板上設(shè)置有預(yù)熱電加熱器，冷板分別與4個(gè)分散式熱源一一對(duì)應(yīng)耦合。

圖2 控溫用LHP組成及關(guān)鍵部位壓力和溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Composition of temperature control LHP and layout of pressure and temperature monitoring points in key parts

毛細(xì)泵蒸發(fā)器上的驅(qū)動(dòng)電加熱器功率加載后，蒸發(fā)器受熱使內(nèi)部液體汽化，并在毛細(xì)芯表面產(chǎn)生毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力。氣相工質(zhì)沿著氣相管路進(jìn)入副冷凝器并冷凝為過冷液體；液體工質(zhì)再進(jìn)入預(yù)熱板，被預(yù)熱電加熱器加熱成兩相態(tài)；兩相工質(zhì)再依次流經(jīng)各個(gè)冷板，吸收熱源廢熱的同時(shí)，通過調(diào)節(jié)自身干度保持恒溫；最后兩相工質(zhì)再進(jìn)入主冷凝器再次冷凝成過冷液體，并回流至儲(chǔ)液器形成閉環(huán)。通過恒定控制儲(chǔ)液器溫度，能精密控制環(huán)路內(nèi)任意位置的兩相態(tài)工質(zhì)的溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了冷板及被控?zé)嵩礈囟鹊母叻€(wěn)定性控制。

1.1 理論模型

1)壓力平衡方程

如圖2所示，毛細(xì)芯表面微孔產(chǎn)生的毛細(xì)力應(yīng)時(shí)刻相等于環(huán)路ΔPLid-link系統(tǒng)內(nèi)各部分的總流阻，并且隨總流阻的變化自匹配調(diào)整，但不得超過毛細(xì)芯所能提供的最大毛細(xì)力，否則觸及環(huán)路熱管毛細(xì)限。環(huán)路熱管運(yùn)行過程中，各部分壓力需始終滿足如下方程及不等式[19-20]：

ΔPCap=ΔPTot=ΔPWick+ΔPGro+ΔPVap+

ΔPSec+ΔPLid-link+ΔPPre-H+ΔPCP+

ΔPV,L-link+ΔPPri+ΔPLid+ΔPG

(1)

ΔPCap≤ΔPCap,Max=2γcosθ/r

(2)

式中:ΔPCap為實(shí)際毛細(xì)壓頭;ΔPTot為環(huán)路系統(tǒng)總流阻;ΔPWick為毛細(xì)芯內(nèi)部壓降;ΔPGro為蒸氣槽道壓降;ΔPVap為氣相管路壓降;ΔPSec為副冷凝器壓降;ΔPLid-link為液體連接管路壓降;ΔPPre-H為預(yù)熱板壓降;ΔPCP為冷板組件壓降;ΔPV,L-Link為兩相連接管路壓降;ΔPPri為主冷凝器壓降;ΔPLid為液相管路壓降;ΔPG為重力壓差;ΔPCap,Max為毛細(xì)芯能提供的最大毛細(xì)壓頭;γ為工質(zhì)表面張力;θ為工質(zhì)與毛細(xì)芯的接觸角;r為毛細(xì)芯表面微孔的有效半徑。

2)溫度壓力關(guān)聯(lián)式

由工質(zhì)的P-T圖可知，其飽和壓力和飽和溫度存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本文該型LHP中，儲(chǔ)液器與冷板內(nèi)部的工質(zhì)均始終保持為兩相態(tài)，因此兩者溫度存在如下關(guān)聯(lián):

TCP1=(PCP1-PCC)dT/dP+TCC

(3)

TCP2=(PCP2-PCC)dT/dP+TCC

(4)

TCP3=(PCP3-PCC)dT/dP+TCC

(5)

TCP4=(PCP4-PCC)dT/dP+TCC

(6)

由克勞修斯-克拉貝隆方程[21]的轉(zhuǎn)換式可知:

dT/dP=TSatΔv/Hfg

(7)

式中:TSat為工質(zhì)飽和溫度;Δv為飽和工質(zhì)氣液相比體積之差;Hfg為工質(zhì)汽化潛熱。

對(duì)于氨工質(zhì)，式(7)通常遠(yuǎn)小于1，以本文控溫用LHP為例，氨工質(zhì)在5 ℃時(shí)，dT/dP為0.053 ℃/kPa，而各冷板至儲(chǔ)液器的壓降最大不超過2 kPa，則各冷板組件與儲(chǔ)液器的溫差不超過0.11 ℃。即:

TCP1≈TCP2≈TCP3≈TCP4≈TCC

(8)

3)能量平衡方程

如忽略LHP各部位(除冷凝器輻射面)向環(huán)境的漏熱損失，在穩(wěn)態(tài)工況下，本文控溫用LHP的熱網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示，總能量平衡方程如下:

圖3 控溫用LHP的熱網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Heat network of temperature control LHP

QE+QCC+QPre-H+QLoad+QSec-Hr+

QPri-Hr=QSec-R+QPri-R

(9)

m=(QE-QLeak)/Hfg

(10)

在式(9)、(10)和圖3中，QE為蒸發(fā)器上驅(qū)動(dòng)電加熱器功率;QCC為儲(chǔ)液器上控溫電加熱器功率;QLeak為蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱;QPre-H為預(yù)熱板上預(yù)熱電加熱器功率;QLoad加載至冷板上的熱負(fù)載;QSec-Hr為副冷凝器吸收的軌道外熱流;QPri-Hr為主冷凝器吸收的軌道外熱流;QSec-R為副冷凝器向冷空間輻射排散的熱量;QPri-R為主冷凝器向冷空間輻射排散的熱量;m為控溫用環(huán)路熱管運(yùn)行時(shí)工質(zhì)的質(zhì)量流量;X為工質(zhì)干度;TSec-in為副冷凝器入口工質(zhì)溫度;TSec-out為副冷凝器出口工質(zhì)溫度;TPri-in為主冷凝器入口工質(zhì)溫度;TPri-out為主冷凝器出口工質(zhì)溫度;TSink為冷空間溫度。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

1)毛細(xì)泵內(nèi)毛細(xì)芯孔隙設(shè)計(jì)

毛細(xì)芯孔隙參數(shù)包括孔徑和孔隙率。由式(2)可知，毛細(xì)芯的孔徑越小，其提供的毛細(xì)力和揚(yáng)程就越大；然而如式(11)[20]所示，孔徑與孔隙率又會(huì)顯著影響毛細(xì)芯內(nèi)部的流阻，即在一定孔隙率下，孔徑過小又會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)芯內(nèi)部流阻過大。

(11)

因此，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)各部位的流阻，通過迭代設(shè)計(jì)，選擇合理的孔徑和孔隙率，保證式(1)和(2)能時(shí)刻滿足。

2)毛細(xì)泵儲(chǔ)液器容積及工質(zhì)充裝量設(shè)計(jì)

環(huán)路熱管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件之一：儲(chǔ)液器內(nèi)部始終保持氣液兩相態(tài)，既能保證有充分的液體供給至毛細(xì)芯以維持蒸發(fā)器的持續(xù)運(yùn)行；又需保證有足夠的氣相空間來容納外回路內(nèi)(LHP除毛細(xì)泵以外的回路)由于液變氣時(shí)溢出的液體工質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)回路壓力及溫度的控制[19]。因此，毛細(xì)泵儲(chǔ)液器容積及工質(zhì)充裝量需滿足如下兩個(gè)條件: 1)環(huán)路熱管運(yùn)行時(shí)，且熱沉溫度最高時(shí)，儲(chǔ)液器內(nèi)不能充滿液體工質(zhì); 2)環(huán)路熱管啟動(dòng)前，且熱沉溫度最低時(shí)，儲(chǔ)液器內(nèi)仍有充足的液體工質(zhì)能充分浸潤(rùn)毛細(xì)芯。因而控溫用LHP工質(zhì)充裝量與儲(chǔ)液器容積需滿足關(guān)聯(lián)式：

ρL(Vloop+VWick+αVCC)?M?ρL(VLid-Link+

VLid+VCC+VWick)

(12)

式中:M為工質(zhì)質(zhì)量;VCC為儲(chǔ)液器容積;ρL為液氨密度;Vloop為外回路容積;VWick為毛細(xì)芯孔隙容積;VLid-Link為液體連接管路容積;VLid為液相管路容積;α為維系毛細(xì)泵穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)液器內(nèi)所需的最少液體的體積占比(本文定義為：毛細(xì)泵沿軸向水平放置時(shí)，儲(chǔ)液器內(nèi)位于毛細(xì)芯最低點(diǎn)以下的容積與儲(chǔ)液器總?cè)莘e的比值)。

3)蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電加熱器功率設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率用于驅(qū)動(dòng)環(huán)路熱管運(yùn)行。在本文設(shè)計(jì)的控溫用環(huán)路熱管中，在任意時(shí)刻蒸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)電功率應(yīng)能足夠大，以保證有充足的液體工質(zhì)進(jìn)入冷板組件，并能完全利用其汽化潛熱吸收被控?zé)嵩吹乃袕U熱，即：

mHfg≥QPre-H+QLoad

(13)

聯(lián)合式(10)、(13)，可得:

QE≥QPre-H+QLoad+QLeak

(14)

4)儲(chǔ)液器控溫電加熱器功率及控溫算法

由圖2可知，儲(chǔ)液器溫度取決于蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱QLeak、回流液的過冷量QSub及儲(chǔ)液器上加載的控溫電功率QCC。本文通過對(duì)主冷凝器的過冷設(shè)計(jì)，保證QSub始終大于QLeak；再通過儲(chǔ)液器溫度反饋，以比例開關(guān)算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)QCC的大小，實(shí)現(xiàn)三者間的動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而達(dá)到恒定控制儲(chǔ)液器溫度和冷板溫度的目的。即：

QSub-QLeak≥0

(15)

QSub=CLm(TCC-TPri-out)

(16)

QCC,Max≥MAX(QSub-QLeak)

(17)

(18)

式中:QSub為回流液過冷量;CL為液氨顯熱比熱容;TH為儲(chǔ)液器控溫閾值上限;TL為儲(chǔ)液器控溫閾值下限;QCC,Max為儲(chǔ)液器上電加熱器功率峰值。

5)預(yù)熱板預(yù)熱電加熱器功率設(shè)計(jì)

預(yù)熱板用于保證進(jìn)入其下游冷板組件內(nèi)的工質(zhì)始終為兩相態(tài)，需將流經(jīng)其內(nèi)部的過冷液體加熱至相變點(diǎn)。本文預(yù)熱板的預(yù)熱電功率QPre-H為恒定值設(shè)計(jì)，并在任意時(shí)刻均能滿足如下不等式:

QPre-H≥CLm(TSat-TSec-out)≈CLm(TCC-TSec-out)

(19)

TSat為工質(zhì)飽和溫度溫度。

6)熱輻射器面積設(shè)計(jì)

副冷凝器用于輻射排散蒸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)電功率，并使工質(zhì)能充分液化，面積由如下公式[21]確定:

QSec-R-QSec-Hr=QE-QLeak

(20)

(21)

主冷凝器用于輻射排散預(yù)熱板的預(yù)熱電功耗和熱源的廢熱，并使工質(zhì)冷凝為過冷液體，面積由如下公式[19]確定:

QPri-R-QPri-Hr=QPre-H+QLoad+QSub

(22)

(23)

在上述理論基礎(chǔ)上，本文控溫用LHP的具體材料及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。LHP本體主要由毛細(xì)泵組件、預(yù)熱板、冷板組件、副冷凝器、主冷凝器、及氣相管路、液相管路等串聯(lián)焊接組成。預(yù)熱板及冷板單元均為板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有蛇形流道增強(qiáng)換熱。冷板組件共包含4片依次串聯(lián)的冷板，實(shí)際應(yīng)用時(shí)冷板分別與4片CCD器件進(jìn)行導(dǎo)熱耦合，通過控制4片冷板的溫度來控制CCD器件的溫度。

表1 控溫用LHP的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of temperature control LHP

結(jié)合衛(wèi)星軌道外熱流數(shù)據(jù)，通過LHP的熱平衡方程和SINDA/FLUINT兩相流分析軟件，進(jìn)行仿真分析可進(jìn)一步確定控溫用LHP各部位加載的電功率及冷凝器面積見表2，具體的詳細(xì)過程參見文獻(xiàn)[22]。

表2 溫控組件設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 2 Design results of temperature control components

目前國(guó)內(nèi)外研究的多蒸發(fā)器環(huán)路熱管，其蒸發(fā)器是指毛細(xì)泵蒸發(fā)器，在其內(nèi)部設(shè)置有毛細(xì)芯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程上也較難實(shí)施，成本高。并且多個(gè)蒸發(fā)器的溫度分別取決于各自的儲(chǔ)液器，溫度一致性較差。而本文采用包含多個(gè)冷板單元的冷板組件對(duì)分散熱源進(jìn)行控溫，冷板單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易小型化設(shè)計(jì)，可靠性高；所有冷板單元共用一個(gè)毛細(xì)泵，各冷板單元的溫度均取決于唯一儲(chǔ)液器，溫度一致性較好，控溫精度更高。此外，本文中毛細(xì)泵的毛細(xì)芯為氮化硅陶瓷粉末燒結(jié)的多孔芯，孔徑小而孔隙率高，使LHP能夠產(chǎn)生更大的泵送能力。

盡管如此，控溫用LHP也存在諸多不足，比如增設(shè)了副冷凝器、預(yù)熱板及冷板組件等結(jié)構(gòu)，外回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大；驅(qū)動(dòng)電加熱器和預(yù)熱電加熱器會(huì)消耗額外的電功率；副冷凝器需消耗額外的散熱面面積資源等。

2 地面性能測(cè)試

該控溫用LHP在低溫真空罐內(nèi)進(jìn)行了傳熱性能測(cè)試驗(yàn)證。真空罐采用了低溫液氮制冷，熱沉的溫度均布在-183 ℃～-173 ℃，真空罐的真空度不大于1×10-2Pa·m3/s；試驗(yàn)過程采用了紅外籠模擬空間太陽、地球輻射熱流，紅外籠的熱流均勻性優(yōu)于±5%，外熱流模擬精度優(yōu)于±5%?？販赜肔HP的主、副冷凝器外表面噴涂熱控白漆，通過輻射制冷。除主、副冷凝器輻射面外，環(huán)路熱管其余部位均采用多層隔熱組件包覆，隔離環(huán)境漏熱。采用Agilent 6675 A(輸出功率精度優(yōu)于2%)提供驅(qū)動(dòng)及負(fù)載等所需的電功耗。采用T型熱電偶作為溫度傳感器(經(jīng)高精度標(biāo)定，精度優(yōu)于±0.05 ℃)，Agilent 34980采集溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)不確定度量化分析試驗(yàn)測(cè)試誤差優(yōu)于6.8%。

2.1 熱負(fù)載能力測(cè)試

控溫用環(huán)路熱管熱負(fù)載攜帶能力定義為熱負(fù)載與蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率之比。圖4所示是環(huán)路熱管熱負(fù)載攜帶能力測(cè)試曲線，測(cè)試過程中毛細(xì)泵蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率為100 W，預(yù)熱電功率為0 W， 4塊冷板模擬熱負(fù)載總功耗按80W- 90W- 95W- 98W的階梯進(jìn)行加載(4片冷板功耗均勻加載)。整個(gè)過程毛細(xì)泵蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器及回液管溫度均平緩穩(wěn)定，說明環(huán)路熱管運(yùn)行穩(wěn)定。冷板總功耗從80 W階梯上升至98 W時(shí)， 4片冷板溫度一致性及溫度波動(dòng)均小于±0.3 ℃。

圖4 控溫用LHP熱負(fù)載攜帶能力測(cè)試曲線Fig.4 Heat load capacity curves of temperature control LHP

式(14)是控溫用LHP穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，即QLeak(蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱損失)必然導(dǎo)致蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率無法完全用于汽化液體工質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致熱負(fù)載攜帶能力通常會(huì)小于100%。換言之，QLeak越小，則熱負(fù)載攜帶能力會(huì)越大，越接近于100%。圖4中的冷板在80W- 90W- 95W- 98W的熱負(fù)荷加載過程中， 4片冷板的溫度曲線表明：在蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率為100 W，冷板總功耗為98 W時(shí)，仍未超過環(huán)路熱管的熱負(fù)載攜帶極限，即該LHP的熱負(fù)載攜帶能力不小于98%，驗(yàn)證了本文控溫用環(huán)路熱管設(shè)計(jì)的正確性及毛細(xì)泵的良好傳熱性能。

2.2 控溫效果測(cè)試

圖5、圖6為控溫用LHP的控溫性能測(cè)試曲線。毛細(xì)泵蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電功率為50 W時(shí)，4片冷板模擬負(fù)載總功率為0～36 W的階梯加載(4片冷板為均勻加載)。圖5中預(yù)熱板未加載預(yù)熱電功率，圖6中的預(yù)熱板加載預(yù)熱電功率且始終為10 W。圖5中，4片冷板溫度波動(dòng)達(dá)10 ℃以上。原因是當(dāng)冷板模擬負(fù)載為0 W時(shí)，進(jìn)入4片冷板中的工質(zhì)均為過冷液體，此時(shí)冷板溫度取決于過冷液體溫度；當(dāng)冷板模擬負(fù)載加載后，4片冷板溫度開始上升，直至冷板內(nèi)部液體溫度超過飽和溫度并達(dá)到一定過熱度時(shí)，液體工質(zhì)發(fā)生相變，溫度急劇回落至飽和溫度點(diǎn)，4片冷板溫度隨之回落并穩(wěn)定；熱負(fù)載關(guān)閉后，冷板內(nèi)的工質(zhì)再次轉(zhuǎn)變?yōu)檫^冷液體，冷板溫度再次降低。即模擬負(fù)載在0～36 W間交變時(shí)，進(jìn)入4片冷板的工質(zhì)在過冷液體-過熱液體-兩相工質(zhì)-過冷液體間循環(huán)切換，導(dǎo)致4片冷板溫度大幅波動(dòng)。

圖5 負(fù)載通斷電過程冷板溫度曲線(預(yù)熱電加熱器關(guān)閉)Fig.5 Temperature curves of cold plate during heat source on-off (preheater is off)

圖6中，預(yù)熱板上的預(yù)熱電功率始終處于開啟狀態(tài)，在熱負(fù)載通斷電時(shí)，4片冷板溫度波動(dòng)很小，不超過±1 ℃。原因是工質(zhì)在進(jìn)入冷板前，已經(jīng)在上游的預(yù)熱板內(nèi)被預(yù)熱電功率加熱成兩相工質(zhì)，即流經(jīng)4片冷板內(nèi)的工質(zhì)始終為兩相態(tài)。兩相態(tài)工質(zhì)可通過調(diào)節(jié)干度，具有能在吸收或釋放熱量的過程中始終保持溫度恒定的特征。同時(shí)在LHP中，各部位兩相態(tài)工質(zhì)溫度均錨定于儲(chǔ)液器溫度，因此4片CCD冷板的溫度始終保持一致，并近似相等于儲(chǔ)液器溫度。可見，通過在冷板組件上游設(shè)置預(yù)熱板，并恒定控制儲(chǔ)液器溫度，便能較好實(shí)現(xiàn)控溫用LHP對(duì)分散式熱源的精密控溫功能。

圖6 負(fù)載通斷電過程冷板溫度曲線(預(yù)熱電加熱器開啟)Fig.6 Temperature curves of cold plate during heat source on-off (preheater is on)

3 在軌飛行數(shù)據(jù)

本文設(shè)計(jì)的分散式熱源精確控溫用LHP用于GF-9衛(wèi)星遙感器焦面CCD器件的恒溫控制。GF-9衛(wèi)星于2015年9月發(fā)射，衛(wèi)星入軌后，環(huán)路熱管一次啟動(dòng)成功[22]。

啟動(dòng)前，僅LHP儲(chǔ)液器上的控溫電加熱器開啟，其余各加熱器均關(guān)閉。環(huán)路熱管啟動(dòng)過程分別在兩軌內(nèi)進(jìn)行，第一軌開啟預(yù)熱板的預(yù)熱電加熱器，預(yù)熱板內(nèi)工質(zhì)汽化后，推動(dòng)冷凝管路中液體工質(zhì)進(jìn)入毛細(xì)泵，液體工質(zhì)進(jìn)一步浸潤(rùn)毛細(xì)芯，有利于環(huán)路熱管在微重力下啟動(dòng)；第二軌開啟蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電加熱器，當(dāng)蒸發(fā)器與儲(chǔ)液器溫差達(dá)到一定值時(shí)(過熱度)，環(huán)路熱管開始啟動(dòng)。

圖7為啟動(dòng)過程中第一軌環(huán)路熱管各部位溫度變化曲線。預(yù)熱板的預(yù)熱電加熱器開啟前，儲(chǔ)液器溫度穩(wěn)定維持在6.5 ℃附近，在控溫閾值3 ℃～7 ℃內(nèi)；蒸發(fā)器溫度為-4 ℃，明顯低于儲(chǔ)液器溫度，此時(shí)可斷定蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)為過冷液體，毛細(xì)芯被液體浸潤(rùn)；預(yù)熱板的預(yù)熱電加熱器開啟后，蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器溫度均降低1 ℃～2 ℃左右，說明冷凝器中過冷液體進(jìn)入了毛細(xì)泵，毛細(xì)芯進(jìn)一步得到過冷液體補(bǔ)充。整個(gè)過程冷凝器溫度均不低于-45 ℃。

圖7 LHP啟動(dòng)過程(第一軌)各部位溫度曲線Fig.7 Temperature curves of each part in LHP startup process (first orbit)

圖8為啟動(dòng)過程中第二軌環(huán)路熱管各部位溫度變化曲線。蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電加熱器開啟前，蒸發(fā)器溫度維持在-7 ℃， 4片CCD冷板溫度維持在3 ℃～6 ℃之間；蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電加熱器開啟后，蒸發(fā)器溫度迅速上升，約128 s后蒸發(fā)器溫度上升至7.4 ℃，高出儲(chǔ)液器溫度約1.5 ℃；隨后蒸發(fā)器溫度逐步平穩(wěn)，伴隨著預(yù)熱板溫度從30 ℃急劇下跌至7 ℃左右，4片CCD溫度也維持在5.8 ℃～6.2 ℃之間，此時(shí)可確定環(huán)路熱管已啟動(dòng)成功。

圖8 LHP啟動(dòng)過程(第二軌)各部位溫度曲線Fig.8 Temperature curves of each part during LHP startup process (second orbit)

蒸發(fā)器受熱后，溫度持續(xù)上升，當(dāng)與儲(chǔ)液器溫度達(dá)到一定過熱度時(shí)，毛細(xì)芯表面液態(tài)工質(zhì)發(fā)生汽化，在毛細(xì)芯表面微孔內(nèi)形成彎月面并產(chǎn)生毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，毛細(xì)力推動(dòng)工質(zhì)在環(huán)路熱管內(nèi)循環(huán)。從蒸發(fā)器泵出的氣相工質(zhì)沿氣相管路進(jìn)入副冷凝器，在副冷凝器內(nèi)液化并過冷；過冷液體首先達(dá)到預(yù)熱板，被預(yù)熱板上的預(yù)熱電熱器加熱至相變點(diǎn)并發(fā)生相變，因此預(yù)熱板溫度最終恒定在7 ℃附近；兩相態(tài)工質(zhì)再依次經(jīng)過4片CCD冷板，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD冷板的精確控溫，若CCD器件加電工作，其熱耗將在相變溫度下被工質(zhì)吸收， 4片CCD冷板溫度始終控制在6 ℃附近(近似等于儲(chǔ)液器溫度)。最后相變工質(zhì)進(jìn)入主冷凝器，液化并過冷后回到儲(chǔ)液器，形成了閉環(huán)系統(tǒng)。

截止2020年9月份，衛(wèi)星發(fā)射已達(dá)到60個(gè)月。圖9為GF-9衛(wèi)星入軌后，控溫用LHP 4片CCD冷板在軌的遙測(cè)溫度。從圖9可見，該控溫用LHP自衛(wèi)星入軌啟動(dòng)后，始終穩(wěn)定運(yùn)行。CCD器件每軌加電0 min至15 min不等，在累計(jì)約30000軌內(nèi)，4片冷板溫度穩(wěn)定性始終維持在±0.7 ℃/年，優(yōu)于衛(wèi)星提出的控溫指標(biāo)，驗(yàn)證了該控溫用LHP設(shè)計(jì)的正確性。

圖9 GF-9衛(wèi)星遙感器CCD器件控溫用LHP 4片冷板在軌溫度遙測(cè)(代表60個(gè)月CCD器件在軌溫度遙測(cè))Fig.9 Four cold plates’ temperature data of loop heat pipe in GF-9 satellite remote sensor (representing 60 months’flight temperature data of CCD devices)

圖10為GF-9衛(wèi)星入軌后，該控溫用LHP主、副冷凝器及毛細(xì)泵組件的在軌溫度遙測(cè)，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻與圖9一致。受軌道外熱流影響，單軌90 min內(nèi)，環(huán)路熱管主冷凝器溫度在-50 ℃至-30 ℃間波動(dòng)，副冷凝器在-30 ℃至-15 ℃間波動(dòng)，而毛細(xì)泵蒸發(fā)器及儲(chǔ)液器溫度穩(wěn)定性始終維持±0.5 ℃以內(nèi)。驗(yàn)證了該控溫用LHP在軌微重力下的適應(yīng)性和長(zhǎng)壽命可靠性。

圖10 GF-9衛(wèi)星遙感器CCD器件控溫用LHP各部位在軌溫度遙測(cè)(60個(gè)月)Fig.10 Flight temperature data of the LHP of GF-9 satellite remote sensor CCD devices (60 months’ flight temperature data)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了GF-9衛(wèi)星遙感器分散式CCD器件精密控溫用環(huán)路熱管，并對(duì)其進(jìn)行了地面性能試驗(yàn)和超過60個(gè)月的在軌飛行應(yīng)用。結(jié)果表明:

1)相比傳統(tǒng)LHP構(gòu)型，在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)表明本文設(shè)計(jì)的控溫用LHP既能實(shí)現(xiàn)分散式熱源的統(tǒng)一高效熱管理，也能有效抵御外熱流擾動(dòng)影響，可大幅提升周期性工作熱源的控溫精度；

2)累計(jì)約30000軌的零故障穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的控溫用LHP 4片冷板溫度(間接代表CCD器件溫度)穩(wěn)定性始終維持在±0.7 ℃/年以內(nèi)，充分驗(yàn)證了該控溫用LHP對(duì)空間微重力環(huán)境的適應(yīng)性及良好的控溫性能；

3)GF-9衛(wèi)星于2015年9月發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)控溫用LHP在空間微重力環(huán)境下的首次成功應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法和在軌飛行數(shù)據(jù)可以對(duì)后續(xù)LHP在航天器熱控領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考和借鑒；

盡管如此，該控溫用LHP存在著重量大，消耗額外電功耗的固有缺點(diǎn)，很大程度上制約其在航天器上的大幅推廣應(yīng)用。后續(xù)將進(jìn)一步從以下三方面對(duì)控溫用LHP做出改進(jìn)：

1)采用鋁、鈦等輕質(zhì)材料替代不銹鋼材料制作LHP；

2)設(shè)計(jì)回?zé)崞鳎脷庀喙べ|(zhì)余熱來加熱冷板組件上游的過冷液體，減小甚至消除預(yù)熱電功率；

3)在毛細(xì)泵上引入半導(dǎo)體制冷器，替換儲(chǔ)液器控溫電加熱器和蒸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電加熱器，實(shí)現(xiàn)冷、熱能量合理分配，試圖節(jié)省電功率。