载人航天器热控系统并联回路的轻量化设计

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1、技术论文载人航天2010年第3期载人航天器热控系统并联回路的轻量化设计程雪涛徐向华梁新刚(清华大学)摘7要为优化栽人航天器热控系统的并联液体回路，减轻其质量，建立了并联回路传热和质量的数学物理模型；并以两支路系统为例，分析了其并联回路的轻量化设计问题，讨论了最优流量分配系数与流体流量、冷流体温度等参数之间的关系。研究发现，对并联回路而言，存在最佳管径与流量分配方案，使其质量最轻；随着流体总流量的增加，最优流量分配方案逐渐接近平均分配；给定流体总流量时，冷流体温度较低时最优的分配方式为平均分配，随着冷流体温度的提高，最优分配由支路散热任务、工作温度等因素决定。此外，

2、还研究了支路管道长度和电源系统质量与泵功率之间的比例系数等因素对最优流量分配的影响。关键词栽人航天器热控系统并联回路轻量化设计分类号v416．4TKl21文献标识码A文章编号1674—5825(2010)03—0037—071引言载人航天器内部电子器件、实验设备等在完成特定工作任务时会产生废热，而为满足这些设备、器件对工作温度的要求，系统须将废热及时排出。因此，载人航天器中一般均有热控制能力很强的流体冷却回路，如气体循环热控回路、液体循环热控回路等【1】。由于各器件等对工作温度有不同要求，散热量也不同，故常用并联方式对其散热组件进行冷却，这样就构成了并联回路闭。航

3、天领域，考虑成本问题，对并联回路进行轻量化设计是相当必要的。对并联回路轻量化设计问题，张信荣等闭用非线性数学规划方法，以传热面积最小为优化目标，对航天器并联回路开展过研究，讨论了并联回路中冷流体分配系数和系统质量之间的关系，但该文所用方法计算复杂度高，不适应支路数量较庞大的问题。为减小计算量，文献[3]采用变量代换的方法，文献[4]采用Lagrange乘子法，将该问题的计算范围推广到支路数量较庞大的计算工况中。文献[3]、文献[4]还根据计算结果分别整理了具有一定适用范围的并联回路流体分配系数近似计算式。但是，以上工作仅针对回路中热组件的冷板总传热面积进行优化设计

4、。在实际情况下，回路质量除了受热组件传热面积影响以外，还受回路管道、冷板、流体压降等多方面因素的影响。基于此，本文就影响回路质量的管道、冷板等多个因素分别建立数学物理模型，并以两支路并联回路为例，就以整个回路质量最小为优化目标，对并联回路的轻量化设计问题进行分析和讨论。2数学物理模型如图l所示的并联液体回路，其中有两条支路。主管道中冷流体的流量和温度分别为补瓦；两支路的热组件l和热组件2的散热任务分别为Q，、Q：，来稿日期：201咖5—29；修回日期：2010—08-03。作者简介：程雪涛(1983崩l_)。男，博士研究生。主要从事航天器热管理方面的研究。图l并联

5、液体回路示意图37载人航天20lO年第3期技术论文工作温度要求分别为L、疋。各支路中流体的分配量，可通过阀门进行调节。冷流体进入热组件以后，带走热组件散发的热量，再汇合到主管道中。对于图1的任意支路，定义流量分配系数：气=96白(1)其中％为进人第i支路的流体质量流量，图l中i取l或2。显然，对给定散热量Qi和工作温度正的支路，由于冷流体温升受到支路热组件工作温度限制，因而要在工作温度要求下完成散热任务，则对支路流体流量存在一个最低要求值，因而对流量分配系数也有最低要求值，有：菇‰=Qi／【cq(t一瓦)1(2)其中c为冷流体比热容。这样，对任意给定的满足各支路最

6、低流量要求的流量分配方案，我们都可以对各支路的管道、热组件等的结构参数进行设计，使其满足功能要求且使回路质量在该分配方案下达到最小。对于分配方案，我们可以以最小回路质量为目标进行优化。这就是并联回路的轻量化设计问题。该问题表达为：fIIliI埘(5(菇1，菇2)≯l，省2)，、【并l忆2=l，【髫l，菇2∈(o，1)】⋯7肘为回路质量，S为在流量分配系数为搿，、菇：时满足散热任务且使回路质量最轻的结构参数。2．1管道的质量模型管道带给回路的质量包括管道制造材料质量、管内流体质量，以及驱动流体流动所需的泵质量以及电源系统质量。制造材料质量为：，‰=仃p￡，(6+扔)

7、(4)其中管道厚度艿取lmm，制作材料(铝)密度p取2700k咖3，d为管道内径，￡。为管道长度。对于内部流体质量‰，有：’鸭_f=仃p^d／4(5)流体为水，其密度风取1000k咖，。要计算驱动流体所需的泵质量鸭叩和电源系统质量坂，，则首先需计算管道的流体压降：卸，《(L，／d礼飞)pf‘／2(6)其中‰为流体流速，有：38u一咄，／(仃p，?)(7)其中口，为流体质量流量；式(6)中后体现弯头或三通的影响，采用j通和弯头时，后分别取60和20，仇为三通或弯头数量Ⅲ坑为管道中流体阻力系数，层流时有‘=鲋Re(Re为流体雷诺数)，湍流时则有‘=(1．82lgRe一

8、1．64)