孟慶亮，楊濤，于志，趙振明，趙宇，于峰

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京100094； 2.先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

空間電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）相機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的航天遙感器之一，已被廣泛應(yīng)用于軍事偵察、資源探測(cè)和測(cè)繪等領(lǐng)域［1］。CCD器件是CCD相機(jī)的核心組件，其工作性能受溫度影響較大，熱電噪聲隨溫度的升高呈指數(shù)遞增，如果溫度波動(dòng)較大，熱噪聲變化不定，會(huì)給電路設(shè)計(jì)和信號(hào)輸出帶來(lái)較大的負(fù)面影響［2-3］。隨著空間CCD 相機(jī)的不斷進(jìn)步，其對(duì)CCD器件的溫度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的熱控方法受限于傳熱量、安裝尺寸及溫度穩(wěn)定性逐漸難以滿(mǎn)足精密控溫需求，需要采用新的熱設(shè)計(jì)方法和熱控產(chǎn)品對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行散熱與控溫［4］。

環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是一種先進(jìn)的航天熱控產(chǎn)品，通過(guò)利用毛細(xì)芯內(nèi)產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在熱源與熱沉之間循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的獲取、傳輸和排散，其已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、電池、光學(xué)儀器等設(shè)備的散熱和控溫［5-6］。為適應(yīng)CCD相機(jī)的控溫需求，北京空間機(jī)電研究所于2015年首次將LHP應(yīng)用于高分九號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)的精密控溫，通過(guò)將蒸發(fā)器與熱源CCD器件進(jìn)行解耦，利用加熱器給蒸發(fā)器加熱，產(chǎn)生毛細(xì)力，驅(qū)動(dòng)流體在蒸發(fā)段吸收CCD器件的發(fā)熱量，在冷凝段將熱量釋放出去［7］。迄今為止，高分九號(hào)衛(wèi)星相機(jī)用LHP已在軌成功應(yīng)用超過(guò)4年，結(jié)果表明，LHP能夠很好地滿(mǎn)足CCD相機(jī)在軌散熱及控溫的需求，并實(shí)現(xiàn)了±0.5℃的控溫精度［8］。

目前，對(duì)于LHP的研究主要以實(shí)驗(yàn)為主，理論分析和數(shù)值模擬相對(duì)較少。盡管通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但受限于觀測(cè)手段，一些物理參數(shù)并不能夠準(zhǔn)確被獲取，如實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)在各部件中的溫度只能通過(guò)測(cè)試相關(guān)的壁面溫度來(lái)近似，無(wú)法了解流體溫度的真實(shí)變化情況，有時(shí)甚至?xí)嬖诤艽蟮牟町悺３酥?，目前的?shí)驗(yàn)通常成本高、周期長(zhǎng)，而且易受外界因素的影響，尤其是當(dāng)LHP在軌應(yīng)用時(shí)，受限于地面實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)果。相比于實(shí)驗(yàn)研究，理論分析和數(shù)值模擬可以獲得更多的傳熱與流動(dòng)參數(shù)，并可以快速預(yù)測(cè)航天環(huán)境（微重力、高真空、4K深低溫等）下的瞬態(tài)工作特性，其對(duì)于LHP產(chǎn)品在軌應(yīng)用、模式調(diào)整和故障分析具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，用于研究LHP的數(shù)值模型，包括穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型。在穩(wěn)態(tài)模型方面，國(guó)內(nèi)外研究者建立了不同復(fù)雜度的數(shù)學(xué)模型［9-13］，并在穩(wěn)態(tài)壓力降、可變熱導(dǎo)特性、毛細(xì)芯內(nèi)壓力降、兩相流型等方面取得了一些進(jìn)展。然而考慮到空間遙感器的瞬態(tài)工作特性，穩(wěn)態(tài)模型已不再適用。在瞬態(tài)模型方面，Wrenn等［14］與Hoang、Ku［15］建立了LHP的模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)誤差較大；Pouzet等［16］建立了較全面的毛細(xì)泵驅(qū)回路動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，該模型對(duì)于建立LHP模型具有重要的指導(dǎo)意義；Cullimore和Baumann［17］基于節(jié)點(diǎn)-網(wǎng)絡(luò)法建立了LHP模型，可以用于研究LHP的 啟 動(dòng) 瞬 態(tài) 特 性；Zinna等［18］利 用 SINDA/FLUINT軟件設(shè)計(jì)和模擬了LHP熱控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于AMS-02上的冷磁電路盒的冷卻；Xin等［19］建立了LHP的系統(tǒng)模型，用于分析不同外熱流和工況下AMS-02上制冷機(jī)的瞬態(tài)工作特性；何發(fā)龍等［20］建立了深冷LHP的瞬態(tài)模型，可用于分析深冷LHP在固定輔熱載荷作用下的傳熱特性變化規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

然而，針對(duì)空間遙感器用LHP的瞬態(tài)數(shù)值模擬研究較少，一方面現(xiàn)有的模型進(jìn)行了一些假設(shè)，如忽略了毛細(xì)芯漏熱對(duì)儲(chǔ)液器的溫度影響，導(dǎo)致蒸發(fā)器與儲(chǔ)液器的仿真溫度偏差較大，又如采用多項(xiàng)式計(jì)算工質(zhì)熱物性，導(dǎo)致熱物性偏差較大，模型精度不高；另一方面，由于缺少在軌飛行數(shù)據(jù)的支撐，現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性和有效性尚未獲得驗(yàn)證?；诖?，本文針對(duì)空間遙感器用LHP的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行特性的特點(diǎn)，建立了LHP系統(tǒng)級(jí)瞬態(tài)數(shù)值模型。首先，給出空間遙感器用LHP的控溫原理和數(shù)學(xué)模型。然后，將仿真結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，給出了模型預(yù)測(cè)的溫度偏差。最后，分析了高低溫工況下LHP組件各參數(shù)的變化趨勢(shì)。

1 控溫原理

圖1 空間遙感器用LHP工作原理圖和實(shí)物圖Fig.1 Working principle and photo of LHP for space remote sensor

圖1為高分九號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)用LHP的應(yīng)用示意圖和實(shí)物圖。通過(guò)加熱器給蒸發(fā)器加載熱量Qin，使蒸發(fā)器內(nèi)部的液體工質(zhì)汽化，產(chǎn)生毛細(xì)力，驅(qū)動(dòng)氣態(tài)工質(zhì)從毛細(xì)泵中流出，工質(zhì)先經(jīng)冷凝器A變成液態(tài)，釋放Qout1熱量，再經(jīng)預(yù)熱器變?yōu)轱柡土黧w后到達(dá)CCD冷板，吸收CCD相機(jī)的熱量（Q1+Q2+Q3+Q4）后，最后經(jīng)冷凝器B變成液體，釋放Qout2熱量后回流到儲(chǔ)液器當(dāng)中，如此往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)了CCD相機(jī)的散熱。測(cè)點(diǎn)A_1位于冷凝器A回液管附近，用于監(jiān)測(cè)回流液管路溫度，測(cè)點(diǎn)A_2位于冷凝器A蒸汽管路出口附近，用于監(jiān)測(cè)蒸汽管路的溫度；測(cè)點(diǎn)B_1位于冷凝器B管路出口附近，用于監(jiān)測(cè)出口管路的溫度，測(cè)點(diǎn)B_2位于冷凝器B管路中間位置，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)了冷凝器的最低溫度變化。此外，A_1和B_2還被用做2個(gè)冷凝器控溫點(diǎn)，防止冷凝器溫度過(guò)低，LHP內(nèi)部工質(zhì)凍結(jié)。

LHP的控溫點(diǎn)，即兩相工質(zhì)在CCD冷板內(nèi)的吸熱溫度，其與儲(chǔ)液器的溫差為［21］

式中：ΔPccd-cc為CCD冷板與儲(chǔ)液器內(nèi)工質(zhì)的飽和壓力差；（d P/d T）sat為工質(zhì)在壓力-溫度圖上飽和線的斜率；Tccd和Tcc分別為CCD冷板和儲(chǔ)液器內(nèi)工質(zhì)的溫度。對(duì)液氨工質(zhì)，（d P/d T）sat較大，如5℃時(shí)為3.78 kPa/℃，LHP正常循環(huán)時(shí)，由于工質(zhì)流量較小，且回路內(nèi)基本為光滑管路，回路流阻較小，若壓差為1 kPa，則溫差為0.26℃。因此，通過(guò)控溫手段保持儲(chǔ)液器溫度恒定，其內(nèi)飽和蒸汽壓力就維持恒定，整個(gè)系統(tǒng)也就穩(wěn)定在這一壓力上，相應(yīng)的CCD冷板內(nèi)兩相工質(zhì)便穩(wěn)定在該壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度上。

2 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)別于傳統(tǒng)散熱型的LHP，本文研究的LHP主要對(duì)多點(diǎn)熱源進(jìn)行控溫，LHP的管路布局和結(jié)構(gòu)組成更加復(fù)雜，這增加了數(shù)值分析的難度和復(fù)雜度。LHP瞬態(tài)數(shù)值模型涉及了回路內(nèi)工質(zhì)分布、熱力學(xué)狀態(tài)變化及傳熱傳質(zhì)特性?；诖?，本文針對(duì)空間遙感器的應(yīng)用特點(diǎn)，模型的主要特性包括：

1）對(duì)蒸發(fā)器通過(guò)毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器的漏熱，綜合考慮了工質(zhì)物性、流量及毛細(xì)芯參數(shù)的影響。

2）LHP內(nèi)部的工質(zhì)物性參數(shù)來(lái)源于REFROP數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了仿真精度。

3）通過(guò)將流體節(jié)點(diǎn)的比焓與純液相或氣相焓的比較，判斷工質(zhì)的相態(tài)。

4）考慮了工質(zhì)冷凝過(guò)程中涉及的輻射、熱傳導(dǎo)、氣液相變等多耦合過(guò)程。

此外，模型還采用了如下假設(shè)：

1）管路內(nèi)工質(zhì)的單相流動(dòng)狀態(tài)考慮為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2）兩相流阻力的計(jì)算采用分相流動(dòng)模型，即將氣相和液相分別按單相流處理，單相和液相考慮具有不同的物性和速度。

3）蒸發(fā)器的徑向熱流密度假設(shè)為均勻，儲(chǔ)液器始終處于飽和狀態(tài)。

4）忽略壓力變化引起工質(zhì)的能量變化。

2.1 控制方程

LHP的瞬態(tài)數(shù)值模型包括熱模型和流體模型［17］，如圖2所示。熱模型通過(guò)熱流傳遞和連接的溫度點(diǎn)組成熱體系網(wǎng)絡(luò)，主要用于計(jì)算分析系統(tǒng)（蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器、冷凝器管路的壁面及輻射器節(jié)點(diǎn)）的熱量傳遞，熱模型包含固體溫度Ts、固體熱容c等參數(shù)；流體模型通過(guò)流動(dòng)方式和流體節(jié)點(diǎn)組成流體網(wǎng)絡(luò)，可以計(jì)算流體傳遞過(guò)程和熱流耦合的流動(dòng)問(wèn)題，流體模型包含工質(zhì)與內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)h、壓力P、流體溫度Tf、密度ρ、質(zhì)量流量 ˙m等參數(shù)。

圖2 熱模型和流體模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal and flow models

熱模型主要為熱節(jié)點(diǎn)，其基本方程為能量方程，表達(dá)式為

式中：Prl=μlcpl/kl，μl、cpl和kl分別為液相工質(zhì)黏度、定壓比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；P*=P/Pc，Pc為臨界壓力；各參數(shù)的定性溫度取兩相段的飽和溫度；x為工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干度）。

流體模型包括流體節(jié)點(diǎn)和流動(dòng)路徑。流體節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量方程為

式中：ζ為局部阻力系數(shù)。

工質(zhì)為兩相時(shí)，ΔPf的計(jì)算采用Friedel模型進(jìn)行計(jì)算，該模型考慮了重力加速度、表面張力等影響因子，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的誤差較小，表達(dá)式為［25］

式中：μ、g、σ分別為黏度、重力加速度、表面張力系數(shù)，下標(biāo)v和l分別表示氣相和液相；ρtp=［x/ρv-（1-x）/ρl］-1。

在蒸發(fā)器中，流體從毛細(xì)芯內(nèi)壁穿過(guò)毛細(xì)芯到達(dá)外壁的流動(dòng)阻力ΔPf，w為

式中：ro和ri分別為管路外徑和內(nèi)徑；Kw為毛細(xì)芯的滲透率；Lw為毛細(xì)芯的長(zhǎng)度。

2.2 毛細(xì)泵模型

圖3給出了毛細(xì)泵的示意圖和熱網(wǎng)絡(luò)圖。LHP的毛細(xì)泵由蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器采用一體化設(shè)計(jì)組成，這兩者之間存在著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)關(guān)系。

通過(guò)加熱器加載到蒸發(fā)器壁面上的熱量Q用于蒸發(fā)毛細(xì)芯中液體的熱量Qe為

式中：QL-W、QL-a、QL-v分別為通過(guò)濕毛細(xì)芯漏熱給儲(chǔ)液器的熱量、通過(guò)蒸發(fā)器壁面向儲(chǔ)液器壁面的漏熱量、用于過(guò)熱蒸發(fā)器槽內(nèi)生成蒸汽的熱量。

毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器漏熱的主要途徑為濕毛細(xì)芯的徑向漏熱。由于LHP的毛細(xì)芯在正常工作時(shí)其內(nèi)部有工質(zhì)的流動(dòng)，單純地采用毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)計(jì)算是存在較大偏差的。

由于工質(zhì)的流動(dòng)速率非常慢，毛細(xì)芯內(nèi)部充滿(mǎn)工質(zhì)的圓柱狀毛細(xì)芯的能量方程可以由穩(wěn)態(tài)方程表示為

圖3 毛細(xì)泵的示意圖和熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Schematic diagram of capillary pumped and thermal network

式中：γlv為汽化潛熱，其與工質(zhì)的飽和溫度和飽和壓力相關(guān)。

2.3 相變計(jì)算

在LHP的預(yù)熱器、CCD冷板和冷凝器內(nèi)存在氣液相變的過(guò)程。在預(yù)熱器內(nèi)，工質(zhì)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)；在CCD冷板內(nèi)，飽和工質(zhì)的干度不斷增加，繼續(xù)維持兩相態(tài)；在冷凝器內(nèi)，工質(zhì)從兩相態(tài)變?yōu)橐合鄳B(tài)，釋放熱量。本文通過(guò)將每個(gè)流體節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的比焓與飽和液相比焓γsat_l和飽和氣相比焓γsat_v進(jìn)行比較，從而判斷工質(zhì)的狀態(tài)。

當(dāng)γ＜γsat_l時(shí)，工質(zhì)為液相，吸收的熱量將使工質(zhì)溫度上升，即

2.4 初始和邊界條件

模型的初始條件為T(mén)=6℃，干度x=0，壓力P=0.53 MPa。

模型的邊界條件包括：①Tsink=-269.15℃（4K），冷凝器輻射邊界；②管路壁面處為絕熱邊界；③LHP系統(tǒng)在軌工作時(shí)，冷凝器將受到外熱流的影響。

圖4分別給出了冷凝器A和冷凝器B在高溫和低溫工況下外熱流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖4 冷凝器A和冷凝器B外熱流隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 Temporal evolution of external heat flux of condenser A and B

2.5 計(jì)算參數(shù)

本文的計(jì)算模型參數(shù)采用高分九號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)用LHP的設(shè)計(jì)參數(shù)，其主要由毛細(xì)泵組件、CCD冷板組件、冷凝器組件及氣液管路串聯(lián)焊接組成。表1給出了LHP的基本參數(shù)。

表2給出了LHP的溫控組件參數(shù)，加熱回路通過(guò)控溫儀控制，LHP溫控組件的設(shè)計(jì)狀態(tài)見(jiàn)表2。

表1 LHP的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of LHP

表2 LHP的溫控組件參數(shù)Table 2 Parameters of temperature control components of LHP

綜合上述方程和計(jì)算參數(shù)構(gòu)成了LHP的瞬態(tài)數(shù)值模型，結(jié)合工質(zhì)物性參數(shù)庫(kù)（本文使用的工質(zhì)為液氨），以及初始和邊界條件，即構(gòu)成了對(duì)LHP系統(tǒng)內(nèi)部完整的熱力學(xué)-流動(dòng)狀態(tài)的描述。所得到的非線性方程組先通過(guò)Newton-Rapson方法進(jìn)行線性化，再通過(guò)高斯迭代方法進(jìn)行求解，當(dāng)滿(mǎn)足收斂判據(jù)時(shí)，迭代結(jié)束，得到計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算迭代過(guò)程中，如迭代次數(shù)超過(guò)一定次數(shù)仍未收斂，將降低時(shí)間步長(zhǎng)重新開(kāi)始迭代。

3 結(jié)果和討論

3.1 模型驗(yàn)證

圖5為CCD相機(jī)關(guān)機(jī)與開(kāi)機(jī)時(shí)，LHP蒸發(fā)器與儲(chǔ)液器溫度的仿真模擬結(jié)果與在軌飛行數(shù)據(jù)（2015年9月18日09：48—09：58和11：00—11：20）的對(duì)比。CCD相機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器的在軌溫度實(shí)測(cè)值分別維持在7.2℃和5.6℃附近，仿真模擬結(jié)果預(yù)測(cè)的溫度分別維持在7.1℃和5.5℃附近。CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，蒸發(fā)器的在軌溫度從初始的7.3℃逐漸上升至7.7℃，儲(chǔ)液器的在軌溫度從初始的5.8℃上升至6.0℃（這主要是由于CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的兩相段長(zhǎng)度不斷增加，系統(tǒng)的流阻不斷增大，從而導(dǎo)致了蒸發(fā)器飽和溫度的上升），蒸發(fā)器的模擬溫度從初始的7.4℃上升至7.6℃，儲(chǔ)液器的模擬溫度維持在5.6℃附近。此外，通過(guò)圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器的仿真斜率相較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較小，這主要是由于仿真過(guò)程中忽略了相機(jī)焦面組件對(duì)CCD的漏熱影響，相比于CCD器件的熱量，該部分熱量相對(duì)較小，此外，該部分熱量較難通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，因此，本文忽略焦面組件漏熱的影響。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測(cè)蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器溫度變化趨勢(shì)的方面，數(shù)值模擬結(jié)果的偏差很小，且準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)不同的溫度變化趨勢(shì)。

圖5 蒸發(fā)器與儲(chǔ)液器的仿真與在軌溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of on-orbit temperature between simulation and test for evaporator and accumulator

圖6 CCD冷板的仿真與在軌溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of on-orbit temperature between simulation and test for CCD cold plates

圖6為CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)，LHP 4片CCD冷板的仿真與在軌結(jié)果（2015年9月18日09：48—09：58和11：00—11：20）的對(duì)比。CCD相機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，4片CCD冷板溫度在軌實(shí)測(cè)值維持在5.5～5.8℃，仿真模擬結(jié)果維持在5.8～5.9℃。CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，4片CCD冷板殼體的溫度在軌實(shí)測(cè)值從5.8℃逐漸上升至6.6℃，4片CCD冷板溫度上升值約為0.3～0.8℃，仿真模擬結(jié)果從6.1℃上升至6.8℃，4片CCD冷板的溫度上升值約為0.2～0.8℃。CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，兩方面原因?qū)е铝薈CD冷板溫度的上升。一方面，冷凝器溫度上升，回流至儲(chǔ)液器中液體工質(zhì)溫度上升，導(dǎo)致系統(tǒng)控溫點(diǎn)-儲(chǔ)液器的溫度上升，CCD冷板內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度隨之上升；另一方面，系統(tǒng)兩相段長(zhǎng)度不斷增加，工質(zhì)在CCD冷板與儲(chǔ)液器內(nèi)的壓差不斷增大，也拉大了CCD冷板與儲(chǔ)液器的溫差。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，CCD相機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，仿真模擬數(shù)據(jù)與在軌結(jié)果的差值在0.3℃附近，CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，兩者的差值為0.2～0.4℃?？紤]到相機(jī)測(cè)控溫設(shè)備本身的控溫精度±0.5℃的影響，溫度誤差的范圍在此區(qū)間內(nèi)，因此，仿真誤差滿(mǎn)足LHP工程應(yīng)用的要求。

圖7為冷凝器A和冷凝器B上4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的仿真與在軌實(shí)驗(yàn)結(jié)果（2018年1月21日09：00—17：20）的對(duì)比。冷凝器上溫度的變化主要受外熱流和加載功率的影響。在圖7中，4個(gè)測(cè)點(diǎn)模擬結(jié)果的偏差分別在0.5℃附近、0.5～1℃、1～2℃、1～2℃，導(dǎo)致二者偏差的主要原因是由于仿真模型中忽略了相機(jī)中的安裝桁架的影響，實(shí)際應(yīng)用中，相機(jī)桁架會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式向冷凝器漏熱，導(dǎo)致冷凝器的實(shí)際溫度有些偏高。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，仿真數(shù)據(jù)與在軌結(jié)果的偏差較小，這表明仿真模型準(zhǔn)確考慮了接觸熱阻和外熱流的影響。

圖7 冷凝器的仿真與在軌溫度對(duì)比Fig.7 Comparison of on-orbit temperature between simulation and test for condenser

通過(guò)圖5～圖7仿真數(shù)據(jù)與在軌結(jié)果的對(duì)比，一方面檢驗(yàn)了模型的誤差較小，其中，內(nèi)部組件的溫度偏差在0.2～0.4℃以?xún)?nèi)，冷凝器測(cè)點(diǎn)的偏差在0.5～2℃以?xún)?nèi)；另一方面檢驗(yàn)了模型所設(shè)置的接觸熱阻和外熱流等參數(shù)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，模型的有效性和準(zhǔn)確度較高，可以用于預(yù)測(cè)LHP系統(tǒng)的瞬態(tài)工作特性。

3.2 內(nèi)部流體參數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步分析LHP系統(tǒng)瞬態(tài)的工作特性，本節(jié)通過(guò)建立的數(shù)值模型對(duì)LHP系統(tǒng)各部件內(nèi)流體的參數(shù)進(jìn)行分析。

圖8給出了低溫和高溫工況下，預(yù)熱器內(nèi)流體的溫度和干度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。為了保證進(jìn)入到CCD冷板內(nèi)的流體為兩相態(tài)，需要在冷凝器A出口與CCD冷板之間設(shè)置預(yù)熱器，通過(guò)加熱預(yù)熱器使流體從過(guò)冷態(tài)變?yōu)閮上鄳B(tài)。圖8中：1、3、5、7、9、11、13、15表示了預(yù)熱器流道從入口到出口不同位置處的流體。通過(guò)圖8（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，低溫工況時(shí)，預(yù)熱器入口流體的溫度受到外熱流影響存在波動(dòng)，經(jīng)過(guò)預(yù)熱器加熱，出口流體的溫度穩(wěn)定在6℃附近，出口干度穩(wěn)定在0.13附近。通過(guò)圖8（c）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，高溫工況時(shí)，預(yù)熱器入口流體的溫度受到外熱流和CCD工作模式共同的影響，出口流體溫度穩(wěn)定在6℃附近，出口干度為0.125～0.19。預(yù)熱器保證了進(jìn)入到CCD冷板內(nèi)的流體為兩相工質(zhì)。

圖9給出了低溫和高溫工況下，CCD冷板內(nèi)流體的溫度和干度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。低溫工況下，CCD相機(jī)不工作，受外熱流影響，CCD冷板內(nèi)飽和流體的溫度為6.0～6.1℃，干度為0.13左右。因此，低溫工況時(shí)，飽和態(tài)的兩相工質(zhì)通過(guò)干度的調(diào)節(jié)消除軌道外熱流的影響，以接近恒定的溫度流經(jīng)CCD冷板，從而確保了CCD溫度的恒定。高溫工況時(shí)，CCD相機(jī)工作時(shí)，CCD冷板內(nèi)飽和流體的最大溫升為0.1℃，干度從入口處的0.12上升到了出口處的0.90。高溫工況時(shí)，相比溫度的變化，干度的變化趨勢(shì)更明顯，干度從入口處的0.12上升到了出口處的0.90，但工質(zhì)仍是兩相態(tài)。比較工質(zhì)的溫度，可以發(fā)現(xiàn)溫度沿著4片CCD器件呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由兩相壓降引起的。由于飽和氨的溫度壓力變化率之比（d T/d P）很小，兩相壓降造成的沿程溫差很?。ǎ?.1℃），從而保證了4片CCD器件工作溫度的均勻性。

圖10為低溫和高溫工況下，蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器通過(guò)濕毛細(xì)芯的漏熱量隨時(shí)間的變化曲線。2.1節(jié)分析中，蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱包括2部分，分別為通過(guò)濕毛細(xì)芯的漏熱和通過(guò)壁面的漏熱，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，濕毛細(xì)芯為主要的漏熱途徑。低溫工況下，漏熱量在1.7～1.8W 之間，其波動(dòng)主要受外熱流的影響。高溫工況下，CCD相機(jī)不開(kāi)機(jī)時(shí)，漏熱量與低溫工況相同；CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)后，漏熱量上升至2.0 ～2.7W，這是由于CCD的開(kāi)機(jī)導(dǎo)致了蒸發(fā)器的溫升，從而造成了漏熱量的增加。

圖8 預(yù)熱器內(nèi)流體的溫度和干度隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Temporal evolution of fluid temperature and degree of dryness in pre-heater

圖9 CCD冷板內(nèi)流體的溫度和干度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Temporal evolution of fluid temperature and degree of dryness in CCD cold plates

圖11為低溫和高溫工況下，LHP系統(tǒng)流阻隨時(shí)間的變化曲線。低溫工況時(shí)，系統(tǒng)的流阻在2 200～2 300 Pa之間；高溫工況時(shí)，系統(tǒng)的流阻從CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)的2 200 Pa快速上升至3 000 Pa，而后逐漸上升至4 700 Pa，CCD相機(jī)關(guān)機(jī)后，系統(tǒng)的流阻從4 700 Pa快速降至2 500 Pa，隨后逐漸恢復(fù)至開(kāi)機(jī)前的壓力狀態(tài)。高溫工況下，CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)引起的流阻變化可以解釋為：CCD相機(jī)產(chǎn)生的熱量將冷板內(nèi)兩相工質(zhì)中的部分液體蒸發(fā)，引起干度增加，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的氣液兩相段長(zhǎng)度邊長(zhǎng)，從而造成系統(tǒng)流阻的增加，CCD相機(jī)關(guān)機(jī)后，由于受熱容的影響，兩相段長(zhǎng)度的縮減需持續(xù)一段時(shí)間，從而導(dǎo)致了圖11中3 500～4 500 s區(qū)間的2條曲線存在一些差異。

圖10 蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器漏熱量隨時(shí)間的變化曲線Fig.10 Temporal evolution of heat leak from evaporator to accumulator

圖12為低溫和高溫工況下，冷凝器A和B溫度分布云圖（圖中黑色實(shí)線表示管路內(nèi)兩相段的長(zhǎng)度）。低溫工況時(shí)，輻射外熱流最小且內(nèi)部熱源關(guān)機(jī)，此時(shí)除冷凝器B的左下邊緣區(qū)域，冷凝器的溫度在［-40，0］℃范圍內(nèi)，驗(yàn)證了冷凝器上加熱回路的控溫能力，確保了在此工況下冷凝器的最低溫度滿(mǎn)足要求。此時(shí)，從蒸發(fā)器和預(yù)熱器出來(lái)的蒸汽和兩相流體均經(jīng)過(guò)較短的流動(dòng)距離即被冷卻為過(guò)冷液體。高溫工況時(shí)，輻射外熱流最大且CCD相機(jī)開(kāi)機(jī)，此時(shí)冷凝器的溫度范圍在［-35，+5］℃范圍內(nèi)，且回流管所在區(qū)域的溫度范圍在［-10，-5］℃范圍內(nèi)，確保了此工況下，內(nèi)熱源和獲得的熱量均被有效排散出去及毛細(xì)泵的穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)，兩相管路的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，兩相流體經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離的冷卻才被變?yōu)橐簯B(tài)。

圖11 LHP系統(tǒng)流阻隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Temporal evolution of LHP system flow resistance

圖12 冷凝器的溫度分布云圖Fig.12 Temperature distribution contour of condenser

4 結(jié) 論

本文通過(guò)瞬態(tài)數(shù)值模擬，對(duì)空間遙感器用LHP系統(tǒng)內(nèi)的熱力學(xué)和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

2.流行情況。鯉魚(yú)、鯽魚(yú)、鰱魚(yú)、鳙魚(yú)、金魚(yú)、鳊魚(yú)等多種魚(yú)類(lèi)從苗種到成魚(yú)都會(huì)感染此病，尤以草魚(yú)、青魚(yú)最容易感染。對(duì)草魚(yú)、青魚(yú)的苗種危害最為嚴(yán)重。水溫5℃以上就開(kāi)始發(fā)病，魚(yú)密度越大、水溫越高、水質(zhì)越差，越容易流行暴發(fā)此病。

1）通過(guò)仿真數(shù)據(jù)與在軌結(jié)果的對(duì)比，檢驗(yàn)了模型的誤差，內(nèi)部組件的溫度偏差在0.2～0.4℃以?xún)?nèi)，冷凝器測(cè)點(diǎn)的偏差在0.5～2℃以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模型對(duì)LHP瞬態(tài)溫度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2）預(yù)熱器的設(shè)置保證了進(jìn)入不同工況下CCD冷板內(nèi)的流體均被加熱為兩相態(tài)；冷板內(nèi)的兩相工質(zhì)通過(guò)干度的變化來(lái)調(diào)節(jié)軌道外熱流和內(nèi)熱源，其可以為CCD相機(jī)的運(yùn)行提供溫度的邊界。

3）蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱和系統(tǒng)的流阻主要受熱源工作模式的影響，熱源關(guān)機(jī)時(shí)，漏熱和流阻較小，熱源開(kāi)機(jī)時(shí)，漏熱和流阻較大。

4）通過(guò)模型驗(yàn)證了冷凝器設(shè)計(jì)的合理性，冷凝器可以滿(mǎn)足高溫和低溫工況下的應(yīng)用，冷凝器上兩相管路的長(zhǎng)度受外熱流和內(nèi)熱源的影響而發(fā)生變化。

本文所建模型可以用于研究軌道外熱流環(huán)境下，空間遙感器用LHP系統(tǒng)的傳熱與傳質(zhì)過(guò)程，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的瞬態(tài)工作特性，并指導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)。