大面积热收集式深冷环路热管超临界启动特性研究

The method that cryocooling capacity is obtained from mechanical cryocooler and effectively transported by cryogenic loop heat pipe is the trend of development for future space infrared detector thermal control system. Compared with the traditional point-to-point structure, cryogenic loop heat pipe that can realize large area heat collection is more proper for future infrared system. However, the latter brings some challenges for steady operation because of its special structure, such as sensitivity of heat fluctuation and larger parasitic heat load through larger area. The problems above would make the supercritical startup more difficult to realize and even cause failure. What’s more, the existing research did not point out the necessary constraints for a successful supercritical startup, and it is still not clear about the physical mechanism and operation principle of flow and heat transfer. Firstly, based on the analysis of the thermal state change of the working fluid, a multi-factor matching relationship of supercritical start-up will be established. Secondly, the influence of single parameter on the supercritical start-up process will be obtained by mathematical modeling and experimental test. And then its inherent physical mechanism will be revealed. Finally, the optimal strategy to realize supercritical start-up will be proposed for engineering design objectives and constraints.

采用“机械制冷机获取所需冷量、深冷环路热管进行高效热传输”是未来空间红外探测器热控系统的发展趋势。相比于传统“点对点”的结构形式，大面积热收集式深冷环路热管更适合未来红外探测系统，但是后者结构上的特点也对系统正常运行带来新的挑战，包括：驱动回路与主传热回路为串联形式导致对热扰动更为敏感，蒸发器热收集面积的增加引入更多的环境漏热等。上述问题会加剧超临界启动的困难程度，甚至诱发启动失败。但是，已有研究工作并未给出启动成功的必要约束条件，对各个参数引起的流动、换热变化规律以及相应的物理机制尚不清晰。本项目基于对工质热力状态变化过程的分析，首先建立超临界启动实现的多因素匹配关系；随后，通过数学建模和实验测试的方法，获取单一参数对超临界启动过程的影响规律，并揭示其内在物理机制；最后，针对工程设计的约束条件，提出超临界启动实现的多目标实现策略。

采用“机械制冷机获取所需冷量、深冷环路热管进行高效热传输”是未来空间红外探测器热控系统的发展趋势。相比于传统“点对点”的结构形式，大面积热收集式深冷环路热管更适合未来红外探测系统，但是后者结构上的特点也对系统正常运行带来新的挑战，包括：驱动回路与主传热回路为串联形式导致对热扰动更为敏感，蒸发器热收集面积的增加引入更多的环境漏热等。上述问题会加剧超临界启动的困难程度，甚至诱发启动失败。本项目采用理论分析与实验测试相结合的方法开展研究工作。依托空间热控技术北京市重点实验室，本项目团队针对大面积热收集式深冷环路热管，开展超临界启动特性的研究工作，通过理论建模与实验测试相结合的方法，掌握超临界启动过程中工质热力状态随时间的变化规律，建立超临界启动成功实现的参数匹配关系。研制了多套不同结构参数的原理样机，并进行了大量的性能试验研究，研究了毛细芯孔径、储气室容积、冷凝器长度、工质类型（氮、氖）等结构参数和热载荷、充装压力、热沉温度、反重力高度等工作参数对超临界启动过程的影响，并分析各因素之间的内在联系；通过调节毛细芯、冷凝器上热边界条件的加载大小、加载顺序、相互之间的时序关系，找到了最利于超临界启动的实现方法，获得了不同结构参数和工作参数对启动过程的影响特性。依托空间搭载深冷环路热管系统，针对工程上不同的设计目标，如减小系统重量、提高传热能力、缩短超临界启动时间、减少制冷机的冷量需求等，探究了结构参数与工作参数之间最优的匹配关系，建立了适用于宇航工程实际的超临界启动多目标实现策略。