载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计

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1、Vo1．18No．4载人航天第18卷第4期30MannedSpaceflight2012年7月载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计程雪涛，徐向华，梁新刚(清华大学航天航空学院热科学与动力X-程教育部重点实验室，北京100084)摘要建立载人航天器热控系统内各组成部分传热和质量的数学物理模型，对热控流体回路进行轻量化设计，并讨论相关参数对优化结果的影响。研究发现，在回路散热任务给定时，回路各组成部分的结构参数和辐射器内的散热管道数都存在最佳值，在该值下回路系统质量达到最轻。随着辐射器散热面积的增加，最优的辐射器内散热管道数减少；在给定辐射器散热面积时，当回路散热任

2、务增加时，回路最优设计质量和辐射器内的最优管道数均增加。关键词栽人航天器；热控系统；流体回路；轻量化设计中图分类号：V444．3TK121文献标识码：A文章编号：1674-5825(2012)04--0030--07荣[”建立了换热器、管道等系统组成部分的质量模1引言型，并对环控生保系统进行了分析。但笔者认为，就热控系统设计是载人航天器总体设计不可缺少总体水平而言，对于航天器热控系统的轻量化设的重要组成之一。为营造乘员和设备正常生活和工作计，目前还没有成熟并广泛应用的设计方法及计算所需的热环境，无论是局部加热还是对外散热，各种仿真软件。本文以载人航天器密封舱的主动热控

3、系载人航天器都必需满足相关功能要求的热控系统【1l。统流体回路为例，对影响回路质量的管道、冷板、辐对于热控系统的设计，国内外研究人员采用热射器等多个因素分别建立数学物理模型，以整个回管理等思想开展了大量的研究工作。但另一方面，路质量最小为优化目标，对载人航天器密封舱主动Mark和David~在1985年就指出热控系统设计还应热控系统流体回路的轻量化设计问题进行分析和考虑轻量化的要求。李明海等[61提出的热泵一蓄冷组讨论。合热控方案，在未来航天热控系统中具有应用潜力。2数学物理模型张信荣等[7-9]在建立载人航天器热控系统数学物理模型的基础上，对航天器内外耦合回路热网模

4、型、并联载人航天器密封舱的主动热控系统流体回路示热网络回路系统以及整个热控回路全局进行了轻量意图如图1所示。其中，内回路中的冷流体通过热组化设计；程雪涛等】采用变量代换法以及Lagrange件的冷板后，将热组件散发的热量带走，再通过中间乘子法，对并联热网络的轻量化设计进行了分析。此换热器传递给外回路的流体，外回路流体将热量通外，对于两支路的简单并联热网络，程雪涛等㈣还对过辐射器散发到外环境中。管道、冷板、泵、电源系统等部组件建立了较为详细从图1可见，主动热控系统流体回路主要由管的质量模型，进行了热网络轻量化设计分析与讨论。道、用于冷却热组件的冷板、中间换热器、辐射器，

5、泵这些研究工作对载人航天器热控系统的轻量化设计以及驱动泵所需的电源系统等组成。这些组成部分具有理论参考意义和工程应用价值。的质量，均与其各自工作任务、结构参数以及流体的尽管在整个热控系统的轻量化设计方面，张信温度、流量等参数相关。因此，可以将流体回路的总收稿日期：2011-11-12；修回日期：2012—02—14作者简介：程雪涛(1983一)，男，博士，助理研究员，主要从事航天器热管理和传热优化研究工作。E-mail：chengxtob@mail．tsinghua．edu—第4期程雪涛等：载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计31l、k．Y．J辐器I热组Il}_

6、一l间换热由件器I吊、，f图1密封舱主动热控系统流体回路示意图体质量表达为：M=M(W，s(1)其中，表示工作任务，如冷板在某工作温度要求下所需要向外传递的热量等；S表示各组成部分结构参数，如管径、换热器尺寸参数等；厂表示流体参数，如流体温度、流量等。对于中间换热器和辐射器等部分，在结构参数和流体参数确定的情况下，可以得到其散热量；对于冷板，如果还确定了其工作温度，也可以得到其散热量，即有：Q=Q(S(2)对流体回路进行轻量化设计，即在满足工作任务要求的前提下，对系统中流体参数、部件结构参数㈦进行优化设计，以求流体回路的总体质量尽可能小。因此，该问题可表达为：minM

7、，s,t．W=Q(S(3)O(Tinl_Tin2){exp[kmAm(11)]-1}(～=———1—==———==一(7)流体回路的管道和冷板的质量与传热模型见参唧一)卜一考文献【l2】，在此不再赘述。下面，我们建立流体回路中中间换热器和辐射器等组成部分的质量与传热模型。图1中，外回路中设计有旁路，以对热控系统进行调节。以下仅讨论系统正常工作时的情况，暂时忽略涉及旁路的优化设计。2．1中间换热器的质量模型与传热模型作为内外回路之间的桥梁，中间换热器是图1所示的热控回路中至关重要的一部分。在中间换热器内部，则分为内回路通道和外回路通道两部分，其中每一部