技术领域

本发明涉及航天器热控制技术领城， 尤其涉及一种两相流体回路真空热性 能试验装置及方法。 背景技术

两相流体回路技术是近二十年来国内外重点发 展的航天器热控制技术， 主 要包括环路热管技术、 机械泵驱动两相流体回路技术、 重力驱动两相流体回路 技术等。 重力驱动两相流体回路系统是解决嫦娥探月工 程中巡视器和着陆器度 过月夜的关键技术， 通过两相流体回路系统， 将同位素热源的热量带入到载荷 舱内， 保证载荷舱各设备的温度不至于过低。 重力驱动两相流体回路的系统组 成如图 1所示， 包括蒸发器 1 (包括丝网蒸发器 7、 液体分流器 8和蒸气汇流器 9)、 蒸气管路 2、 冷凝管路 3、 储液器 4、 液体管路 6和控制阀 5 , 其中， 冷凝 管路 3位于储液器 4重力场上方， 蒸发器 1位于储液器 4重力场的下方、 并与 同位素热源耦合安装， 储液器 4 内液面和蒸发器 1 底部之间形成重力辅助高度 差； 储液器 4通过液体管路 6连接至蒸发器 1 入口， 在液体管路 6上设有控制 阀 5 , 蒸发器 1 出口依次通过蒸气管路 2、 冷凝管路 3连接至储液器 4 , 形成封 闭的管路系统。为确保重力驱动两相流体回路 在 -50°C〜7(TC温度范围内具有良好 的传热特性， 选择氨作为工作介质。 月夜期间， 重力驱动两相流体回路控制阀 5 开启， 启动重力驱动两相流体回路， 将同位素核热源的热量引入探测器内部。 月昼期间， 重力驱动两相流体回路控制阀 5关闭， 关闭重力驱动两相流体回路， 阻断同位素核热源向探测器内部传递热源。 为了保证重力驱动两相流体回路技术能够正常 运行， 同时保证在月夜时重 力驱动两相流体回路能够传递满足系统所需要 的传热量、 在月昼时重力驱动两 相流体回路系统能够正常阻断， 必须对重力驱动两相流体回路进行真空试睑， 要求重力驱动两相流体回路在给定的稳态工作 温度 （即储液器 4 温度） 下， 重 力驱动两相流体回路的稳态传热量和稳态传热 温差 （蒸发器 1 与储液器 4之间 的温差） 满足技术指标。

由于重力驱动两相流体回路技术是航天器热控 制的新型热控方法， 没有固 定的测试方式和测试方法。 同时， 考虑到月球恶劣的环境， 重力驱动两相流体 回路与同位素热源联合使用， 此种情况下的传热能力、 阻断性能的测试方法未 见文献报道， 需要自行摸索， 从而指导重力驱动两相流体回路的在轨应用。 发明内容

有鉴于此， 本发明提供了一种两相流体回路真空热性能试 验装置， 采用该 装置， 能够对两相流体回路在不同工作温度下的传热 能力和阻断性能进行测试、 评估。

为了解决上述技术问题， 本发明是这样实现的：

两相流体回路真空热性能试验装置包括： 散热板、 控溫加热器、 多层隔热 组件、 温度传感器、 模拟热源和回路支架； 其中， 散热板通过隔热垫隔热安装 在回路支架的上部； 两相流体回路的冷凝管路埋在散热板中， 两相流体回路的 储液器半埋在散热板中； 两相流体回路中的蒸发器隔热安装在回路支架 的下部； 控温加热器安装在两相流体回路的蒸汽管路、 储液器、 控制阀和液体管路上； 温度传感器安装在两相流体回路的蒸发器、 蒸汽管路、 冷凝管路、 储液器、 控 制阀和液体管路、 模拟热源以及散热板边缘区域上； 多层隔热組件包裹在蒸汽 管路、 储液器、 控制阀和液体管路上； 模拟热源为 RHU同位素电模拟热源， 固 定安装在蒸发器内； 安装为散热板提供工作温度的散热板加热器， 所述散热板 加热器为安装在散热板外侧空间的红外加热器 或粘贴在散热板上的加热片； 回 路支架放置在真空仓中；

其中， 所述蒸发器安装在隔热板上， 模拟热源放置在蒸发器的内部， 模拟 热源工装的耳片通过螺 和隔热垫固定在隔热板上， 所迷隔热板通过 4 个隔热 柱固定安装在回路支架上；

模拟热源用于控制蒸发器的温度，使蒸发器的 温度为 -55°C〜50°C；散热板加 热器用于控制散热板的温度，使散热板的温度 为 -60°C~50°C； 控温加热器用于防 止蒸汽管路、 储液器、 控制阀和液体管路冻结， 控温加热器的自控门限设置为 -55°C~-30°C；

所述温度传感器用于观察重力驱动两相流体回 路中氨工质在各部件中的状 态， 温度传感器的安装位置为：

蒸发器的 4个翅片上沿高度方向分别布置至少 2个温度传感器， 其中一个 位于蒸发器翅片的下端， 一个位于蒸发器翅片的上端；

蒸气管路的进口、 顶部和出口处分别布置 1个温度传感器；

冷凝管路的进口、 出口分别布置 1 个温度传感器， 在冷凝管路的翅片上布 置至少 1个温度传感器；

储液器的外表面沿高度方向布置 3 个温度传感器， 分别位于储液器的气空 间、 气液界面和液体空间；

连接储液器和控制阀的液体管路上布置至少 1 个温度传感器， 在连接控制 阀和蒸发器的液体管路上布置至少 1个温度传感器；

控制阀上布置 1个温度传感器； 模拟热源上布置至少 1个温度传感器；

散热板的内表面的边缘区域布置至少 1个温度传感器。

其中， 所述隔热板 （12)、 隔热垫 （13) 和隔热柱 （14) 材料为聚酰亚胺或 玻璃钢。

所述散热板（11 ) 的基板为铝板或蜂窝板， 散热板（11 ) 的表面粘贴有 OSR 片或喷涂高发射率的涂层。

所述控温加热器为加热片、 加热丝、 加热带或加热板。

本发明还提供了一种采用上述试验装置的两相 流体回路真空热性能试验方 法， 能够对两相流体回路在不同工作温度下的传热 能力和阻断性能进行测试、 评估。

所迷试验方法包括如下步骤：

步骤 2 , 将回路支架放入真空仓中， 抽真空， 使得真空度小于 2x l (T ³ Pa, 设 置储液器、 控制阀、 液体管路和蒸气管路上的控温加热器为自控状 态， 自控门 限为 -55° (：〜 -30°C； 设置散热板加热器的自控门限为 -55°C~-30°C；

步骤 3， 向真空仓的热沉通液氮， 降低真空仓温度至 -150°C； 将储液器的温 度降至第一测试温度 -50°C， 且达到两相流体回路工况平衡； 所迷工况平衡为储 液器温度在半小时维持不变或单调变化小于 l °C/h ; 储液器的温度即为两相流体 回路的工作温度；

步骤 4， 极限传热能力测试：

开启模拟热源， 按照设定的步长增加模拟热源的加热功率， 在每次增加模 拟热源的加热功率的同时减小散热板加热器的 加热功率， 使储液器的温度维持 在 -50°C， 且达到两相流体回路工况平衡， 直至散热板加热器的加热功率为零或 者因蒸发器的温度突升导致无法维持工况平衡 ； 则散热板加热器的加热功率为 零时或者蒸发器的温度突升前一平衡时刻的模 拟热源的加热功率即为该工作温 度下两相流体回路的极限传热能力；

步骤 5 , 通过降低蒸发器的功率、 同时增加散热板的功率， 改变储液器的温 度至各测试温度， 依照步骤 4 的方法， 获得各测试温度下两相流体回路的极限 传热能力， 其中， 按照递升的方式改变储液器温度；

步骤 6 , 两相流体回路阻断能力测试：

不同工作温度下， 当两相流体回路运行在平衡工况时， 保持模拟热源和散 热板加热器的加热功率不变， 对控制阀进行开关操作， 检查两相流体回路的阻 断性能： 如果关闭控制阀后， 蒸发器的温度不断升高后突升、 散热板的温度不 断降低， 而重新开启控制阀后， 蒸发器温度降低、 散热板温度提升， 直至达到 工况平衡， 表明两相流体回路阻断性能正常； 如果关闭控制阀后， 蒸发器的温 度不变或平稳升高， 则表明两相流体回路阻断性能不正常。

其中， 所述步骤 3的降温过程中， 开启模拟热源， 使得两相流体回路运行， 加快蒸发器的降温速率。

有益效果：

( 1 ) 采用本发明试验装置和试验方法可对两相流体 在真空环境下的传热和 阻断性能进行全面、 有效的评估。

(2) 散热板的基板选为铝板或蜂窝板， 在其表面粘贴 OSR 片或喷涂高发 射率的涂层， 有利于提高散热板的散热率。

(3 ) 温度传感器的布置有利于观察两相流体回路中 氨工质的状态， 查看两 相流体回路中的各部件是否满足温度要求， 同时还可以查看两相流体回路是否 达到平衡。

(4) 由于冷凝管路和蒸发器降温速率不同， 在降温过程中加大模拟热源的 加热功率可以使得蒸发器的温度提升， 两相流体回路中的氨工质将蒸发器的热 量传递至冷凝管路， 能够提高蒸发器的降温速率。 附图说明

图 1 为重力驱动两相流体回路系统组成示意图。

图 2为两相流体回路真空热性能试验装置示意图� �

图 3为两相流体回路蒸发器的安装示意图。

图 4为两相流体回路上的温度传感器的布置示意� �。

图 5为散热板 （包括冷凝管路） 上温度传感器的布置示意图。

其中， 1 -蒸发器， 2-蒸汽管路， 3-冷凝管路， 4-储液器， 5-控制阀， 6-液体 管路， 7-丝网蒸发器， 8-液体分流器， 9-蒸汽汇流器， 〗0-真空仓， 1 1-散热板， 12-隔热板， 13-隔热垫， 14-隔热柱， 15-模拟热源， 16-红外加热器， 17-回路支 架。 具体实施方式

下面结合附图并举实施例， 对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种两相流体回路真空热性能试 验装置， 如图 2 所示， 包括 散热板 1 1、 控温加热器、 多层隔热組件、 温度传感器、 模拟热源 15和回路支架 17。

其中， 两相流体回路和散热板 1 1 隔热安装在回路支架 17上， 散热板 1 1 用 隔热垫隔热安装在回路支架 Π的上部，用于模拟两相流体回路在轨的散热� ��分； 两相流体回路的冷凝管路 3埋在散热板 11 中， 两相流体回路的储液器 4半埋在 散热板 1 1 中， 位于冷凝管路 3的出口处； 两相流体回路中的蒸发器 1 隔热安装 在回路支架 17的下部， 位于冷凝管路 3的下方； 控温加热器安装在两相流体回 路的蒸汽管路 2、 储液器 4、 控制阀 5和液体管路 6上， 防止管路冻结； 温度传 感器安装在两相流体回路的蒸发器 1、 蒸汽管路 2、 冷凝管路 3、 储液器 4、 控 制阀 5和液体管路 6 , 以及散热板 11 上， 用于测量两相流体回路各部件以及散 热板的温度， 检测两相流体回路的运行情况； 多层隔热組件安装在蒸汽管路 2、 储液器 4、 控制阀 5和液体管路 6上， 用来防止管路部分环境漏热， 模拟在轨工 况； 模拟热源 15采用 RHU同位素电模拟热源， 固定安装在蒸发器 1 内， 用来 模拟同位素加热器件， 模拟热源 15同时也是蒸发器 1 的控温加热器； 回路支架 17放置在真空仓 10 中， 真空仓 10提供温度不大于 80K, 真空度小于 2x l(T ³ pa 的真空环境。

其中， 散热板的基板可以采用铝板或蜂窝板等导热性 能较好的材料制成， 其外表面粘贴有 OSR片， 或喷涂高发射率的涂层， 从而有利于散热。

蒸发器 1、 模拟热源 15与回路支架 17之间的隔热方式如图 3所示， 蒸发器 1安装在隔热板 12上， 模拟热源 15放置在蒸发器 1 的内部， 模拟热源 15工装 的耳片通过螺钉和隔热垫 13 固定在隔热板 12上， 所述隔热板 12通过 4个隔热 柱 14固定安装在回路支架 17上。 其中， 隔热板 12、 隔热垫 13和隔热柱 14材 料为聚酰亚胺或玻璃钢等导热率低的材料。 液体分流器 8下表面与隔热板 12上 表面间的距离大于 10mm， 隔热板 12 与回路支架 17 间的有效隔热距离大于 100mm , 隔热垫 13的外径小于 10mm。

温度传感器为热电偶温度传感器， 其布置如图 4 所示。 在两相流体回路上 布置 34个溫度传感器：

①在蒸发器 1 的 4个翅片上沿高度方向由下至上分别均匀布置 3 个温度传 感器， 共 12 个， 编号 T1~T12 , 也可以只在蒸发器翅片的下端和上端布置传感 器， 主要是用于测量蒸发器中液态工质和气态工作 的温度， 从而反应蒸发器 1 的工作状态。

②在蒸气管路 2 的进口、 顶部和出口处分别布置 1 个温度传感器， 编号分 别为 T13、 T14和 Τ15。

③在冷凝管路 3 的进口、 出口及冷凝管路上布置 9 个温度传感器， 编号 T16-T24 , 如图 5所示； 冷凝管路 3—般安装有翅片， 用于增大散热面积， 温度 传感器一般安装在翅片上。

④在储液器 4 的外表面沿高度方向布置 3 个温度传感器， 编号 Τ25 Τ27 , 分别用于测量储液器 4中气体、 气液界面和液体的温度。

⑤液体管路 6分为两段，一段连接储液器 3和控制阀 5， 另一段连接控制阀 5和蒸发器 1。 其中， 在连接储液器 3和控制阀 5的液体管路的中点处布置 1个 溫度传感器， 编号 Τ28 ;在连接控制阀 5和蒸发器 1 的液体管路的进口和出口处 分别布置 1 个温度传感器， 编号分别为 T31 和 Τ32 , 也可以在连接控制阀 5和 蒸发器 1的液体管路的中点处布置 1个温度传感器。

⑥在控制阀 5上布置温度传感器。若控制阀 5由两个并行的阀（a阀和 b阀） 组成， 则在 a阀和 b阀上分别布置 1个温度传感器， 编号分别为 T29和 T30 ;

⑦在模拟热源上布置 2个温度传感器， 编号为 T33和 T34 ;

⑧在散热板 11 的内表面的边缘区域布置 4 个温度传感器， 编号为 T35 和 T38 , 4个温度传感器距散热板边缘 100mm, 如图 5所示。

温度传感器所在位置即为测点位置。

控温加热器可以是加热片、 加热丝、 加热带、 加热板或其他加热方式， 采 用 PID控制或通断控温的方式， 主要是防止两相流体回路各部件被冻结。 其中， 储液器 4上的控温加热器采用在储液器 4上串联安装 2个加热片实现；控制阀 5 上的控温加热器采用在控制阀 5 连接的液体管路上安装加热带， 如图 2所示的 (测点 28和测点 29之间管路、 测点 29与测点 31之间管路、 测点 28与测点 30 之间管路、侧点 30与测点 31之间管路）分别安装 1个加热带， 4个加热带串联， 每段管路长约 50mm ; 液体管路 6 上的控温加热器采用在液体管路 6上的测点 3 1与测点 32之间安装 1个加热带实现；蒸气管路 2上的控温加热器采用 3个串 联安装的加热带实现。

储液器 4、 控制阀 5、 液体管路 6和蒸气管路 2上的控温加热器主要起防止 管路冻结的作用。

蒸发器 1的温度控制依靠安装在其内部的模拟热源 15实现。 由于在传热过 程中， 同位素热源的热量被两相流体回路传递带走， 同位素热源自身表面的温 度会降低到与蒸发器的温度一致。

冷凝管路 2预埋在散热板 1 1 中， 与散热板 1 1 的温度基本一致， 散热板 11 的温度控制依靠安装在散热板 1 1 外側的红外加热器 16 或者是粘贴在散热板上 的加热片实现。

其中， 控制散热板 11 的温度为 -60°C~50°C。 由于两相流体回路运行过程中 氨工质的热传递作用， 蒸发器 1、 蒸汽管路 2、 冷凝管路 3、 储液器 4、 控制阀 5 和液体管路 6的温度基本在 -55°C〜50° (：范围内。其中，储液器 4的温度即为两相 流体回路的工作温度。

选择测点 T1 (蒸发器 1下部， 靠近液体管路 6的出口）、 T3 (蒸发器 1上部， 靠近蒸 气管路 2的进口）、 T14 (蒸气管路 2中部)、 T17 (冷凝管路 3进口）、 T23 (冷凝管路 3出 口)、 T25 (储液器 4上部， 即储液器气空间)、 T27 (储液器下部)、 T29-T30 (控制阀 a和 控制阀 b)、 T3 1 (液体管路 6进口）、 T35-T38 (散热板 11的 4个角） 为温度监测 点， 监控模拟热源 15、 散热板 11和两相流体回路是否满足温度要求， 同时， 通 过比较温度监测点与其他测点的温度， 判断是否达到平衡。

利用上述试验装置进行重力驱动两相流体回路 真空热性能试验， 测试重力 驱动两相流体回路在不同的工作温度下的极限 传热性能和阻断性能。 其中， 两 相流体回路的工作温度为储液器 4 的温度， 测试过程中， 依靠改变蒸发器 1 和 散热板 11 的温度改变储液器 4的温度， 储液器 4、 控制阀 5、 液体管路 6和蒸 气管路 2 上的控溫加热器仅用于防止两相流体回路中各 部件被冻结， 具体实现 步骤如下：

步骤 1， 将回路支架 17放入真空仓 10中， 抽真空 （真空度小于 2xl0_ ³ pa)， 设置储液器 4、控制阀 5、液体管路 6和蒸气管路 2上的控温加热器为自控状态， 自控门限为 -55°C〜- 30°C， 即当温度小于自控门限时， 控温加热器自动开启， 防 止其被冻结。 设置散热板加热器的自控门限为 -55°C— 30t。

步骤 2 , 向真空仓的热沉通液氮， 降低真空仓温度至 -150°C， 由于两相流体 回路的蒸汽管路 （2)、 储液器 （4)、 控制阀 （5) 和液体管路 （6) 被多层隔热 組件包裹， 其降温速率慢， 散热板的降温速率最快， 为提高两相流体回路各部 件的降温速率， 在降温过程中， 开启模拟热源 15 , 使得两相流体回路运行， 通 过散热板中的冷凝管路带动蒸发器、 储液器降温， 加快蒸发器的降温速率， 直 到将储液器的温度降至 -50°C， 当储液器温度在半小时維持不变或单调变化小 于 l°C/h时， 认为工况平衡。 储液器的温度即为两相流体回路的工作温度。

步骤 3， 极限传热能力测试： 按照一定的步长增加蒸发器的加热功率 （即模 拟热源的加热功率）， 在每次增加模拟热源的加热功率的同时同步减 小散热板加 热器的加热功率， 使储液器的温度维持在 -50°C , 每次加热功率调整后均需等待 两相流体回路工况平衡， 直至散热板加热器的加热功率为零或者因蒸发 器的温 度突升导致无法维持工况平衡。 当散热板加热功率为 0 时， 散热板达到此工作 温度下的最大散热能力， 蒸发器加热功率的继续提升会使得储液器的温 度升高， 不能继续維持在 -50°C。当蒸发器的加热功率大于两相流体回路 极限传热能力时， 蒸发器内的液体被烧干， 导致蒸发器的温度突升。 因此， 散热板加热器的加热 功率为零时或者蒸发器的温度突升前一平衡时 刻的蒸发器的加热功率为该工作 温度下两相流体回路的极限传热能力。

步驟 4 , 通过降低蒸发器的功率、 同时增加散热板的功率， 改变储液器的温 度， 依照步骤 3 的方法， 获得不同工作溫度下两相流体回路的极限传热 能力。 其中， 在测试不同工作温度下两相流体回路的极限传 热能力时， 工作温度的调 整方法为逐步升高， 如首先测 -50°C工作温度时的极限传热能力， 然后依次测量 -40°C、 -30°C、 -20°C……工作温度时的极限传热能力。

步骤 5， 两相流体回路阻断能力测试：

不同工作温度下， 当两相流体回路运行在平衡工况时， 保持蒸发器和散热 板加热器的加热功率不变， 对重力驱动两相流体回路的阀进行开关操作， 检查 两相流体回路的阻断性能： 如果关闭控制阀后， 蒸发器的温度不断升高并迅速 突升， 散热板的温度不断降低， 重新开启控制阀， 蒸发器温度降低、 散热板温 度提升， 直至达到工况平衡， 表明两相流体回路阻断性能正常； 如果关闭控制 阀后， 蒸发器的温度不变或緩慢升高， 则表明两相流体回路阻断性能不正常。

综上所述， 以上仅为本发明的较佳实施例而已， 并非用于限定本发明的保 护范围。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。