一种航天环路热管辐射器复合热控系统
文献发布时间:2023-06-19 13:48:08
技术领域
本发明属于太阳能和环路热管领域,尤其涉及一种航天环路热管辐射器复合热控装置。
背景技术
随着现代社会经济的高速发展,人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺,造成价格的不断上涨,同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重,这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源,特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而且资源量巨大,地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10
热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业,自从被引入散热器制造行业,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式,采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果,开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备,其中包括太空散热领域。
自二十一世纪以来,太空领域所带来的巨大的经济价值以及军事战略价值极大地促进了世界范围内航天事业的飞速发展,而卫星的热控系统则是保证其组件在正常温度范围内运行的关键。
近年来,中小型民用及商业航天卫星的发射数量逐年提升,与其适配的散热系统需求日益迫切。在卫星的设计中,做好热分析工作,采用合适的热控制方案,具有举足轻重的作用。作为卫星的工作核心和散热主体,航空航天飞行器上电子设备具有以下特点:1、体积小、重量轻和功耗小;2、能在恶劣的环境条件下工作;3、高效率、高可靠和长寿命。而对于中小型民用及商业航天卫星来说,它的紧凑化和小型化设计理念,致使众多的电子元件集成在越来越小的区域内,从而使热流密度急剧增加,再加上所处的特殊的环境条件,使得电子器件的散热和保温更加困难;同时,我国的民用及商业卫星的发展正处于起步阶段,卫星的热控技术水平相对较低且普遍存在成本高、研制周期长等问题,因此针对民用及商业中小型卫星的热控制问题亟待解决。
综上,不断推进的国家政策体系以及日益迫切的中小型商业及民用卫星的研制需求促进了卫星热控产业的蓬勃发展,为我们的项目提供了良好的环境支持。当前国内外主流的卫星热控制的方案及其优缺点如下表所示。
表1国内外主流卫星热控制方案
本团队以传统的LHP技术为基础,结合MEMS百叶窗、太阳能电加热技术与泡沫功能材料散热技术,研制出一套热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合的热控系统。该系统可一体化实现高效率、高抗重力、高传热距离的零能耗散热与保温效果,进而使卫星组件始终保持在额定温度范围内,显著提高其使用寿命与工作效率。同时,为了更好地实现散热效果,本团队对热管与辐射板的内部结构进行优化,在热管内部增添副毛细芯结构并设置引流槽以提升其抽吸回流能力,在辐射板的部分空腔内填充石墨烯泡沫铜材料来增大热管环路管道与辐射器的接触面积,单根热管最终实现了高达400W左右的传热功率,可满足大多数民用与商业航天卫星的散热需求。
据美国卫星产业协会(SIA)统计数据显示,截止到2018年,商业通信卫星占全球发射卫星总量的22%,仅次于遥感卫星。此外,据《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2019)》显示,2018年我国卫星产业总体产值达3016亿元,较2017年增长18.3%,对于卫星散热的需求日益增大。
中小型卫星的发射量与日剧增,民用与商业卫星占据了中小型卫星的69%,但其相关散热技术仍然十分匮乏,且现有散热方案大多成本高昂、寿命较短,变革大型卫星的传统散热方式使之适应中小型航天卫星的需求迫在眉睫。而本设计系统散热功率满足大多数中小型卫星的散热需求,使用寿命可达15年,成本仅为20万元左右,而市面上绝大多数散热方案的成本均不低于180万,因此本设计系统在中小型卫星散热领域具有十足的优势和广阔的商业市场前景。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种新式结构的航天环路热管辐射器复合热控系统。该系统主要由热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合而成。其中,散热系统由镍基毛细芯热管与轻质铝蜂窝复合辐射板经环路管道串联而成;电加热系统则由陶瓷加热片与PET太阳能电池板相连而成。此外,本装置应用stm32f103以实现对整个环节的控制。散热系统与保温系统的密切配合保证了散热部件的正常运行。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种航天环路热管辐射器复合热控系统,所述系统包括平板式环路热管蒸发端1、陶瓷加热片、辐射板、太阳能电池板、蓄电池、线路、蒸发环路管线、电磁阀和温度传感器,陶瓷加热片贴附于散热元器件上方;平板式环路热管的蒸发端紧贴于陶瓷加热片之上,冷凝端采用冷凝管线经过延伸嵌入辐射板中的结构向外散热,散热后的冷凝液循环回到蒸发端;电磁阀安装于蒸发环路管线上;蓄电池一端与环路热管蒸发端通过线路连通,一端通过线路与太阳能电池板连接;温度传感器安装于散热元器件的外侧。
作为优选,当温度传感器检测的散热元器件温度超过额定温度区间时,电磁阀自动开启,启动环路热管为散热元器件散热,环路热管的蒸发端从元器件表面吸收热量,其内部的液体工质在毛细芯外表面受热蒸发,产生的汽体工质经由蒸汽槽道流入蒸发环路管线,继而进入辐射器中,将热量经热辐射散出到外太空中,蒸汽冷凝后的液体循环回到蒸发端;当温度传感器检测的元器件温度低于额定温度区间时,温度传感器将元器件的温度参数传递给控制器,控制器控制电磁阀关闭,控制蓄电池输出电能,向陶瓷加热片供电,从而使元器件的温度上升。
作为优选,辐射板位于卫星星体的外侧,其一端由合页固定并可绕该端进行转动;电动推杆一端位于卫星表面,另一端位于辐射板的内侧;太阳能板贴附于辐射板的外侧。
作为优选,系统检测太阳位置,辐射板在推杆的作用下转动以减小辐射板与太阳光线的夹角,保证辐射板向外部高效散热,从而使元器件的温度降低。
作为优选,散热元件温度处于额定工作区间且元器件温度高于热管蒸发端时,辐射板所在法线与太阳光之间角度的控制公式:
该角度控制公式确定了辐射板由当前位置转到辐射板理论最佳倾角位置时所需要转动的角度,其中:
e
e
K
K
K
本发明具有如下优点:
1)创新性地将热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合,可一体化实现零能耗的散热与保温效果。
2)热管结构优化。在热管的储液室内加入副毛细芯并插入毛细芯内部,使回路的轴向毛细力加强,并可有效减少毛细芯内部液体管线的大气泡,降低反向漏热,保证热管的稳定正向运行,并使热管的毛细抽吸速度提高到0.6g/s。
3)将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。传热距离得以明显提升,其最远可达10m。抗重力能力也显著增强,抗重力高度最高可达5m。以上突出性能解决了传统热管使用方位和长度限制的问题,在太空中具有极高的适用性。
4)辐射板结构优化。本装置采用夹层蜂窝板辐射器设计,蜂窝板的结构具有质量轻的显著优势,可以有效减少卫星升空及运行时带来的能源消耗,抗冲击能力也更强。在蜂窝板中环路管道经过的腔室内填充石墨烯泡沫铜,可使环路热管与辐射器的接触面积提高346.4%。
5)散热与保温系统均零耗能。散热系统依靠热管的抽吸回流功能自发完成,无需任何能源输入;保温系统依靠辐射板外侧的太阳能电池板吸收太阳能并转化为电能储存起来,在卫星组件需要保温时,对加热片供电实现保温效果。整个系统摆脱了对外加能源的依赖,相较于其他散热装置,单位热控系统每昼夜最多可节约86400KJ的能量。
6)热管高传热效率。装置采用镍基毛细芯氨工质环路热管,其中镍基毛细芯孔隙率高达 60%以上、毛细抽吸速度达到0.6g/s,热管热阻在60%充注量下可稳定在0.15±0.02℃/W,低于市场现有0.18-0.32℃/W的普遍范围,整体传热功率可达400W,且极限功率较普通热管提升100W,整体传热性能大幅提升。
7)创新性的提出了辐射板与太阳光之间的夹角最优化关系控制公式,避免散热元件过热或者过冷,保证散热元件最佳的工作温度。
附图说明:
图1是航天环路热管辐射器复合热控系统机械部分平面展示图;
图2是本发明平板式环路热管实物图。
图3是本发明环路热管基本结构及工作原理图。
图4是本发明毛细芯实物图。
图5是本发明蒸发端内部结构图。
图6是本发明辐射板切面图。
图7是本发明辐射板结构原理图。
图8是保温系统原理图。
图9是保温系统模拟图。
图10-1是温度控制系统图。
图10-2是追日系统部件示意图。
图11是装置工作流程图
图12是毛细芯的制备过程示意图。
图13是毛细芯抽吸实验曲线图
附图中:
图1:1-热管及加热片;2-辐射板与太阳能板;3-蓄电池;4-线路;5-环路管线;6-电磁阀。
图5:7-灌注接口;8-副毛细芯;9-孔;10-毛细芯;11-热管外壳;12-气体缓冲室;13-储液室。
图6:14-上蜂窝板;15-下蜂窝板;20-太阳能板;21-硅酸铝纤维纸;23-冷凝管线;24-辐射板边缘封装。
图7:14-上蜂窝板;15-气相工质;16-下层蜂窝板;17-石墨烯泡沫铜;18-环路热管;19液相工质。注:
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本文中,如果没有特殊说明,涉及公式的,“/”表示除法,“×”、“*”表示乘法。
一种航天环路热管辐射器复合热控装置,如图1所示。所述系统包括平板式环路热管蒸发端1、陶瓷加热片(与平板式环路热管蒸发端紧密贴合)、辐射板(平板式环路热管冷凝端)2、太阳能电池板(紧贴于辐射板外表面)、蓄电池3、线路4、蒸发环路管线5、电磁阀6。其中,陶瓷加热片贴附于散热部件上方;平板式环路热管的蒸发端1紧贴于陶瓷加热片之上,冷凝端采用冷凝管线经过延伸嵌入辐射板2中的结构向外散热,散热后的冷凝液循环回到蒸发端;电磁阀6安装于蒸发环路管线上,并保证介质流动方向与电磁阀外客箭头方向一致;蓄电池3 一端与散热元件,优选与陶瓷加热片通过线路连通,一端通过线路4与太阳能电池板20连接。作为优选,太阳能电池板贴附于辐射板的外侧,并与辐射板之间设置绝热层。通过太阳能电池板向蓄电池蓄电。
辐射板2位于卫星星体的外侧,其一端由合页固定并可绕该端进行转动;电动推杆一端位于卫星表面,另一端位于辐射板的内侧;太阳能板贴附于辐射板的外侧。所用的控制元器件如:温度传感器、寻光模块、控制器(例如stm32f103),则分别安装于散热部件的外侧、辐射板的表面以及卫星的内部。
作为优选,散热部件是电子元器件。
表2装置内各部件及其作用
系统内各部件整体运行过程叙述如下:当温度传感器检测的散热部件温度超过额定温度区间时,电磁阀6自动开启,启动散热装置为散热部件散热。此时,环路热管的蒸发端从散热部件表面吸收热量,其内部的液体工质在毛细芯外表面受热蒸发,产生的汽体工质经由蒸汽槽道流入蒸发环路管线5,继而进入辐射器中,将热量经热辐射散出到外太空中,蒸汽冷凝后的液体循环回到蒸发端。当温度传感器检测的散热部件温度低于额定温度区间时,温度传感器将散热部件的温度参数传递给控制器。例如stm32f103,控制器控制电磁阀6关闭,控制蓄电池输出电能,向陶瓷加热片供电,从而使元器件的温度上升。
作为一个优选,系统检测太阳位置,辐射板在推杆的作用下转动以减小辐射板与太阳光线的夹角,保证辐射板向外部高效散热,从而使元器件的温度降低。
图1展示了热控装置的机械部分结构示意图。如图1所示,所述机械部分包括保温系统和散热系统。其中保温系统包括太阳能电池板(贴于辐射板外表面)、陶瓷加热片(紧贴于环路热管蒸发端)、蓄电池3、温度传感器以及控制器;散热系统包括平板式环路热管蒸发端1、辐射板2(即平板式环路热管冷凝端)、电磁阀6、温度传感器、控制器以及寻光模块。保温及散热系统的详细运行过程叙述如下:
①散热过程:当散热部件表面的温度传感器检测到散热部件温度过高时,电磁阀6自动开启,环路热管开始工作,利用热管的环路散热作用对散热部件进行散热。首先,散热部件将热量传递给其表面的环路热管蒸发端,蒸发端内部的液体工质吸热气化,并产生推动工质循环的动力;产生的汽体工质继而在毛细芯表面蒸汽槽道中进行收集与加热,并通过蒸汽管线流入辐射器2中;过热蒸汽在辐射器中经辐射散失掉显热和潜热后,最后凝结成液体,在毛细抽吸力的作用下回流,循环往复。同时,寻光模块检测太阳光线的位置,辐射板在推杆的作用下转动以减小辐射板与太阳的夹角,从而使元器件的温度降低。此外,为防止散热部件温度的持续降低,当散热部件散热至额定温度时,电磁阀关闭,环路热管停止工作,散热过程停止。
②保温过程:当散热部件表面的温度传感器检测到散热部件温度过高时,控制器控制蓄电池输出电能,为元器件表面的陶瓷加热片供电。陶瓷加热片通电后板面发热,进而可以对散热部件进行加热,使其温度上升至额定工作区间。
作为优选,环路热管包括蒸发端和冷凝端两部分。作为散热系统主体的平板式环路热管,其结构图及工作原理图如下图2、3所示。其中图2是环路热管具体实物图,图3是环路热管的基本结构及其工作原理图。
作为优选,蒸发端1采用平板式结构并使之与表面覆盖有陶瓷加热片的散热元器件紧密贴合,所述热量从散热元器件中通过陶瓷加热片传递给蒸发端1,然后通过蒸发端1循环到热管冷凝端2,从而达到散热的目的。本装置所采用的蒸发端相较于传统环路热管的蒸发端具有以下两方面的发明创新:一是副毛细芯室8的构造,二是将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。
如图5所示,所述蒸发端包括外壳。所述外壳内设置四个腔室,分别是汽体缓冲室12、毛细芯室10、副毛细芯室8和储液室13。作为优选,所述外壳使用不锈钢制造;毛细芯室10 设置的毛细芯为镍基毛细芯,可从大功率器件处吸收热量传递给工质,工质发生相变带走热量;毛细芯的一侧打多个孔9(优选3个孔)作为引流槽道并可增大径向毛细力;毛细芯上表面刻有槽道,便于液氨汽化成饱和汽体后逸散。副毛细芯室8由材质为优选20微米孔径的不锈钢丝网的副毛细芯包裹在储液室四周构成,副毛细芯孔径小于毛细芯孔径。可进一步加强轴向毛细力,并有效破坏毛细芯内部液体管线的大气泡,降低反向漏热,保证热管的稳定正向运行。副毛细芯与主毛细芯一侧的孔相配合,使回流液体工质可直接进入毛细芯前端进行蒸发。储液室可以保证毛细芯一直被液体工质所浸润,启动前无需进行任何预处理,可直接对蒸发器施加热载荷来启动热管,保证对蒸发器毛细芯的液体储备与供给。汽体缓冲室提高了汽体从毛细芯中逸出的速率,并且可以平衡汽体扩散的速率,降低汽体扩散的阻力,使汽体平稳扩散。
作为优选,从毛细芯中间位置到周边位置,毛细芯的孔9的长度逐渐变短。通过大量的数值模拟和实验研究发现,通过上述设置毛细芯的孔9的长度逐渐变短,能够使得热管的稳定正向效果更好,能够提高8-10%的技术效果。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果,也是本申请的一个发明点,并不是本领域的公知常识。
进一步优选,从毛细芯中间位置到周边位置,毛细芯的孔9的长度逐渐变短的幅度越老越大。通过大量的数值模拟和实验研究发现,通过上述设置能够使得热管的稳定正向效果最优。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果,也是本申请的一个发明点,并不是本领域的公知常识。
本申请通过大量的研究,找出了最佳的毛细芯长度分配关系优化公式。
外壳是圆形结构,外壳的内径是2R,外壳中心处的毛细芯的孔9的长度为L,则距离中心的距离为r位置的毛细芯的孔9的长度l规律如下:l=b*L-c*L*(r/R)