航天器分支槽道熱管設計及傳熱特性分析

董俊彪 張維絲 蔣明 隨俊杰 龐樂 趙小翔 孫敬文

(1 上海衛星裝備研究所 宇航先進熱控產品制造技術實驗室,上海 200240) (2 上海衛星工程研究所,上海 201109)

隨著航天器的小型化和集成化,航天器內熱源的分布變得越來越復雜,如何在小空間內實現復雜分布熱源的溫度均勻(簡稱“均溫”)成為航天器熱控的難題。熱管是一種利用工質相變實現傳熱的高效被動熱控產品,具有傳熱效率高、傳熱功率大、結構緊湊等優點,在航天器上得到了廣泛使用。然而,傳統的鋁氨槽道熱管由于彎曲半徑及制造工藝的限制,無法同時對多個復雜分布的熱源進行均溫,且無法在復雜小空間內安裝,因此急需開發一種可以在有限空間內進行多熱源均溫的新型熱管。

近年來,國內外對航天器多熱源的均溫問題開展了研究。文獻[1]中設計了一種3D打印結構熱控一體化平板熱管,將槽道熱管以十字交叉形式預埋在鋁蜂窩板中,可實現平板上多個熱源的均溫,同時具有承載功能。文獻[2]中設計了一種帶有雙蒸發器的圓柱式環路熱管,研究表明,當2個蒸發器熱負荷不同時,低熱負荷蒸發器會成為高熱負荷蒸發器的冷凝器,可實現2個熱源的有效均溫。文獻[3]中使用沖壓和微銑削的方法制備了厚度為2mm的超薄鋁平板熱管并進行試驗研究,結果表明,其具有良好的熱響應和傳熱性能,最小熱阻為0.156K/W。文獻[4]中設計了燒結銅粉復合型吸液芯平板熱管,可進行多熱源均溫,當加熱功率為120W時,最小熱阻為0.196K/W。文獻[5]中研究了一種帶雙蒸發器的環路熱管,試驗測試表明,該熱管在6種不同姿態下均能穩定運行。文獻[6-7]中設計了一種蒸發面為燒結銅粉、其他區域為絲網的復合平板熱管,其等效導熱系數為2000W/mK。文獻[8]中研制了一種雙層燒結銅粉的平板熱管,其熱阻比普通單層燒結銅粉平板熱管減小了12%。文獻[9]中設計了一種熱收集面積為1m2、帶有5個蒸發器的環路熱管,可同時實現20個熱源的均溫,最大溫差在5K以內。

綜上可知:目前對航天器多熱源均溫的研究主要集中在多蒸發器環路熱管和平板熱管;然而,多蒸發器環路熱管部件較多且結構較為復雜,平板熱管對安裝空間需求較大且質量較大。為此,本文設計了一種帶有多個分支的槽道熱管,并進行了均溫試驗和傳熱試驗,證明了其具有良好的均溫和傳熱性能。

1 分支槽道熱管設計及試驗

1.1 分支槽道熱管設計

本文設計的帶有多個分支的槽道熱管,利用熱管的分支將多個熱源連接,通過熱管內壁環形貫通的槽道建立多熱源間的工質輸運通道,從而實現小空間內多熱源的均溫。熱源之間通過專屬分支連接,相對平板熱管可有效減小質量,加快均溫速度。為實現分支與分支間的傳熱,分支槽道熱管側壁設計有環形的槽道,以建立工質在分支與分支間的吸液回流通道。分支槽道熱管具體結構如圖1所示。分支數量可根據熱源數量增減,但分支過多會導致工質回流阻力過大,熱管難以啟動。為解決航天器4個不同位置載荷的均溫問題,共設計有3個分支,4個載荷分別安裝于3個分支和連接段,溫度最高的載荷成為蒸發段,溫度最低的載荷成為冷凝段。分支槽道熱管的槽道分布于側面、頂面和底面,槽道橫截面為Ω形。分支槽道熱管的設計工作溫度為-60～+60℃,因此選用氨作為工質。在分支槽道熱管的內部結構設計中,為保證具有一定的結構強度,熱管壁厚設計為5mm,且在連接段設計4個直徑為10mm的支撐柱。為便于與熱源或結構件安裝,支撐柱中心設計直徑4.3mm的通孔,以安裝M4螺釘。

圖1 分支槽道熱管結構示意Fig.1 Schematic diagram of branched axially grooved heat pipe

對分支槽道熱管進行力學仿真。為了減少計算量,根據對稱性取1/4進行仿真,選擇3D四面體網格進行網格劃分,最小網格大小設置為2mm,共有239782個網格。分支槽道熱管采用3D打印的方法加工,材料為AlSi10Mg,其密度為2670kg/m3,楊氏模量為75GPa,泊松比為0.34。分支槽道熱管設計的最高溫度為60℃,工質為氨,該溫度下氨的飽和蒸氣壓為2.578MPa,因此在分支槽道熱管內部表面施加2.578MPa的壓力邊界條件。上側和右側的對稱截面施加對稱邊界條件。仿真結果如圖2所示,最大應力為140.43MPa,位于支撐柱根部,是材料強度的0.47倍,因此結構強度滿足要求。

圖2 分支槽道熱管應力分布Fig.2 Stress division of branched axially grooved heat pipe

1.2 試驗裝置

分支槽道熱管試驗裝置分為加熱部分、冷卻部分和數據采集部分,試驗裝置如圖3所示。加熱部分采用薄膜型電加熱器進行加熱,加熱功率通過可調直流穩壓電源控制。冷卻部分采用壓縮式制冷機進行冷卻,制冷機通過循環冷卻液與熱沉連接。數據采集部分采用T型熱電偶進行溫度測量,精度為-0.1～+0.1℃,通過數據采集儀采集溫度信號并輸出到計算機。在3個分支及連接段分別布置2個測溫點,測溫點分布如圖4所示。

圖3 分支槽道熱管試驗裝置Fig.3 Branched axially grooved heat pipe testing device

圖4 測溫點分布及區域劃分Fig.4 Temperature measurement points division and regional division

1.3 數據處理

蒸發段和冷凝段溫度均取布置在各段的2個熱電偶的平均溫度。

(1)

(2)

式中:Te為蒸發段溫度,℃;Tc為冷凝段溫度,℃;Te1和Te2分別為蒸發段2個熱電偶的溫度,℃;Tc1和Tc2分別為冷凝段2個熱電偶的溫度,℃。

分支槽道熱管的熱阻定義為蒸發段和冷凝段溫差與加熱功率之比,即

(3)

式中:R為分支槽道熱管的熱阻,K/W;加熱功率Q由式(4)計算,W。

Q=UI

(4)

式中:U為直流穩壓電源的輸出電壓,V;I為直流穩壓電源的輸出電流,A。

1.4 誤差分析

在本試驗中,溫度的測量采用T型熱電偶,其測溫最大誤差ΔT為0.1℃,而本文試驗的最小測溫溫度絕對值為2.8℃,因此溫度的最大相對誤差為

(5)

電壓和電流均從直流穩壓電源讀取,電壓和電流的顯示精度均為1%,電壓量程0～30V,電流量程0～5A。當加熱功率為4W時,電壓和電流分別達到最小值為4V和1A,因此加熱功率的最大相對誤差為

(6)

式中:ΔQ,ΔU,ΔI分別為Q,U,I的最大誤差。

蒸發段與冷凝段溫差的最小值為3.2℃,因此熱阻的最大相對誤差為

(7)

式中:ΔR,ΔTe,ΔTc分別為R,Te,Tc的最大誤差。

2 試驗結果與分析

2.1 均溫試驗

對分支槽道熱管進行多熱源均溫試驗,在區域A,B,C,D(區域劃分見圖4)同時粘貼4片薄膜型電加熱片用于模擬多熱源,加熱功率分別設置為4W,8W,12W,16W,以模擬不同的載荷功耗。試驗結果如圖5所示。由圖5可知:熱源的加熱功率越大,對應的測點溫度越高,試驗結果合理。當溫度趨于穩定后,區域D的溫度最高,其對應測點7和8的最高溫度為36.6℃;區域A的溫度最低,其對應測點1和2的最低溫度為35.7℃。因此,溫度穩定后,分支槽道熱管的最大溫差為0.9℃,滿足使用要求。

圖5 分支槽道熱管均溫試驗溫度Fig.5 Temperatures of branched axially grooved heat pipe temperature uniform testing

2.2 傳熱試驗

測試分支槽道熱管分支與連接段間的傳熱性能。在區域D粘貼薄膜型電加熱片,以模擬熱源;在區域A布置冷板,以模擬熱沉;熱沉的溫度設置為-20℃,加熱片的功率設置為16W。充氨前和充氨后的試驗結果如圖6所示。由圖6可知:充氨后的分支槽道熱管溫度先升高后降低,這是制冷機的制冷速度比加熱片的加熱速度慢導致的。充氨前,分支槽道熱管溫度穩定后,蒸發段和冷凝段的溫度分別為32.9℃和-16.9℃,由式(3)可得熱阻為3.1K/W;充氨后,分支槽道熱管溫度穩定后,蒸發段和冷凝段的溫度分別為-3.8℃和-6.2℃,由式(3)可得熱阻為0.15K/W,相對充氨前,熱阻降低了95%,說明分支冷凝的液氨可通過槽道輸送回連接段,分支與連接段之間的傳熱性能良好。

圖6 充氨前和充氮后分支與連接段間傳熱試驗溫度Fig.6 Temperatures of heat transfer testing between branch and connecting section before and after ammonia filling

測試分支槽道熱管分支與分支間的傳熱性能。在區域C粘貼薄膜型電加熱片,以模擬熱源;在區域A布置冷板,以模擬熱沉;熱沉的溫度設置為-20℃,加熱片的功率設置為16W。充氨前和充氨后的試驗結果如圖7所示。充氨前,分支槽道熱管溫度穩定后,蒸發段和冷凝段的溫度分別為34.2℃和-17.3℃,由式(3)可得熱阻為3.2K/W;充氨后,分支槽道熱管溫度穩定后,蒸發段和冷凝段的溫度分別為-3.5℃和-6.1℃,由式(3)可得熱阻為0.17K/W,相對充氨前,熱阻降低了95%,說明分支冷凝的液氨可通過槽道輸送回另一個分支,分支之間的傳熱性能良好。

圖7 充氨前和充氮后分支與分支間傳熱試驗溫度Fig.7 Temperatures of heat transfer testing between branch and branch before and after ammonia filling

對比圖6和圖7可知:分支與連接段間的熱阻小于分支與分支間的熱阻,這是因為分支與分支間的槽道較長且彎曲較多,液氨通過槽道回流的阻力較大。

3 結論

為解決航天器多熱源均溫問題,本文設計并制造了一種帶有多個分支的航天器槽道熱管,通過均溫試驗和傳熱試驗對其傳熱特性進行了研究,可得到如下結論。

(1)在功率分別為4W,8W,12W,16W的4個熱源同時加熱下,分支槽道熱管最大溫差為0.9℃,表明其多熱源均溫性能良好,可滿足航天器的熱控需求。

(2)當加熱功率為16W時,分支槽道熱管分支與連接段間的熱阻為0.15K/W,相對充氨前熱阻降低了95%,分支與連接段間的傳熱性能良好;分支與分支間的熱阻為0.17K/W,相對充氨前熱阻降低了95%,分支與分支間的傳熱性能良好。分支與分支間的熱阻較大,后續可增加側面槽道數量以強化分支與分支間的傳熱能力。

(3)分支槽道熱管可有效解決多熱源均溫問題,在微小衛星、光學載荷和激光雷達等小空間、大熱流的均溫場合具有較好的工程應用前景。