靳 健，何振輝，呂樹申，莫冬傳，黃臻成，侯永青

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.中山大學(xué)，廣州510275）

1 引言

熱管理系統(tǒng)是空間站系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是實現(xiàn)熱量合理有效的收集、傳輸、利用和排散，保證結(jié)構(gòu)、設(shè)備溫度要求以及乘員舒適性[1-4]。隨著科技的進步，空間站系統(tǒng)由俄羅斯“禮炮”號系列為代表的單艙段結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到以“和平”號和國際空間站為代表的多艙段組合體式結(jié)構(gòu)[5-8]，各個艙段不但機械連接，而且還并網(wǎng)進行艙間大額度功耗調(diào)配，在此模式下，組合體的熱負(fù)荷會重新分配，熱管理方案必須能夠適應(yīng)熱負(fù)荷的變化，保證各艙段的溫度水平處于正常范圍。

適應(yīng)各艙段熱負(fù)荷變化的最簡單熱管理途徑是各艙段熱管理系統(tǒng)獨立并按單艙可能經(jīng)歷的最大熱負(fù)荷進行設(shè)計，由于艙段熱負(fù)荷包括艙段自身熱負(fù)荷和艙間功耗調(diào)配兩部分，這種設(shè)計會使熱管理系統(tǒng)規(guī)模加大，并且各艙獨立的設(shè)計也不具備故障情況下的重組功能。另一個值得考慮的選項是艙段間耦合式熱管理系統(tǒng)，通過艙間耦合結(jié)構(gòu)，在艙間功耗調(diào)配的同時進行熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移。通過這種方式，各個艙段熱管理系統(tǒng)對熱負(fù)荷進行集中處理，避免了功耗調(diào)配造成的單艙熱負(fù)荷增加，此外，各艙熱管理系統(tǒng)可以互相支持、互相備份。如圖1所示。

本文提出一個假想的中等規(guī)?？臻g站，確定了最為可行的耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。艙間大額度的熱負(fù)荷調(diào)配是一個非穩(wěn)態(tài)的過程[9-10]，流體回路要經(jīng)受熱負(fù)荷的大幅度變動。在這個過程中，流體回路各個位置溫度水平的變化情況直接決定了耦合系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此，建立數(shù)學(xué)模型，研究了如下內(nèi)容：

各艙段熱管理系統(tǒng)獨立運行時，也就是穩(wěn)態(tài)工況下，各個流體回路系統(tǒng)的性能是否滿足要求；

艙間出現(xiàn)大額度熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時，各個艙段熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文提出的耦合式熱管理系統(tǒng)可以作為我國多艙段空間站熱管理系統(tǒng)設(shè)計的參考依據(jù)。

2 假想空間站熱管理系統(tǒng)描述

2.1 空間站熱負(fù)荷

本文分析所用空間站由艙A、艙B和艙C三個艙段組成，各個艙段的熱量平衡關(guān)系見下式，

上式中Qp為乘員的代謝產(chǎn)熱；Qd代表平臺設(shè)備的熱負(fù)荷，Qe代表實驗載荷的熱負(fù)荷；Ql代表密封艙漏熱量，由于密封艙外表面包覆有多層隔熱介質(zhì)，因此漏熱量較為恒定；Qr代表輻射器排散的熱負(fù)荷。為了簡化問題，假定乘員代謝產(chǎn)熱和密封艙漏熱基本相當(dāng)，可以互相抵消。

各個艙段的熱負(fù)荷分布見表1，其中艙A的平臺設(shè)備按重要性分為核心設(shè)備、非核心設(shè)備和再生生保設(shè)備三類，艙B和艙C的平臺設(shè)備不進行劃分。

此外三個艙段之間可以進行最高3000W的功耗調(diào)配，該功耗調(diào)配主要是用來支持艙段內(nèi)進行某些短期的高功耗科學(xué)實驗或大型非連續(xù)工作的設(shè)備。

圖1 獨立和耦合熱管理系統(tǒng)

2.2 各艙熱管理系統(tǒng)構(gòu)成

由于三個艙段在形成組合體前，都存在獨立飛行的階段，因此各個艙段均配備完善的熱管理系統(tǒng)?？臻g站功耗高、熱源變化幅度大、溫度控制要求高，通常采用流體回路和強迫通風(fēng)兩種主動熱管理技術(shù)作為主要的控溫手段。

流體回路分為外回路、低溫內(nèi)回路和中溫內(nèi)回路，所有回路均采用機械泵驅(qū)動的單相流體回路。低溫回路主要為冷凝干燥器和一些低溫設(shè)備提供冷源，中溫回路為平臺設(shè)備、再生生保設(shè)備和部分實驗載荷設(shè)備提供冷源，外回路負(fù)責(zé)收集內(nèi)回路的熱負(fù)荷，并通過輻射器進行排散，通過溫控閥控制流進輻射器的工質(zhì)流量，控制輻射器的排熱量，保證控溫點的溫度。外回路以全氟三乙胺為工質(zhì)，低溫和中溫內(nèi)回路均以水為工質(zhì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 空間站各艙段熱負(fù)荷

2.3 熱管理系統(tǒng)耦合系統(tǒng)構(gòu)成

由于艙間通風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷傳遞能力很有限，艙間大額度熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)移必然由流體回路間的耦合來實現(xiàn)。由于流體回路分為內(nèi)回路和外回路，所以從原理上艙間流體回路耦合系統(tǒng)有多種設(shè)計方案。根據(jù)國際空間站熱管理系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，本文選擇內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。

某艙段的熱負(fù)荷可以通過中間換熱器轉(zhuǎn)移到其它艙段的內(nèi)回路，再通過其它艙段外回路的輻射器進行排散。例如，將艙A的內(nèi)回路熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移至艙B和艙C內(nèi)回路，再通過艙B、艙C的外回路進行排散，熱負(fù)荷的傳輸途徑見圖4。

圖2 各艙主動熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)各艙熱管理系統(tǒng)獨立運行時，截止閥門AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 開通，而截止閥門 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3 關(guān)閉。當(dāng)三艙熱管理系統(tǒng)耦合時，閥門 AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 關(guān)閉，而截止閥門 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3開通。

圖4 內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合方案熱負(fù)荷傳輸路徑

3 熱管理系統(tǒng)分析模型

建立基于SINDA/FLUINT v4.8的流體回路耦合模型。模型包含了三個艙段相關(guān)流體模型和熱模型，以及用于實現(xiàn)三個艙段耦合的艙間中溫、低溫中間換熱器模型。圖5給出了艙段熱管理系統(tǒng)主要部件的位置與結(jié)構(gòu)，以及三個艙段各個測溫點的編號位置。

各個艙段的外回路的控溫點為TL70，低溫回路控溫點為TL90，通過PID控制旁路閥門實現(xiàn)溫度控制。閥門開度與流量滿足等百分比關(guān)系。

三個艙段分別通過中溫回路和低溫回路的艙間中間換熱器進行熱耦合，代表換熱器換熱板的節(jié)點分別與回路的流體兩兩相連，以實現(xiàn)來自不同艙段的流體可以通過換熱板發(fā)生傳熱。系統(tǒng)的輻射邊界設(shè)定為4K，邊界外熱流變化周期為5400s，為了研究輻射器排熱能力的變動對艙內(nèi)溫度水平的影響，假定了一種極端情況：一個周期內(nèi)輻射器最大排熱量與最小排熱量所占的時間之比為1∶1，即2700s為最大排熱量142W/m2，另外2700s內(nèi)為最小排熱量78W/m2。

圖5 物理模型和測溫點位置編號

4 計算結(jié)果和分析

計算了兩個工況，工況一研究了各個艙段獨立工作時的系統(tǒng)性能；工況二研究了艙間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時的系統(tǒng)性能。

4.1 工況一

工況一分析了三個艙段流體回路獨立運行時，低溫回路和中溫回路控溫點數(shù)據(jù)，特別是中溫回路控溫設(shè)置點，確認(rèn)各艙段模型在沒有耦合時可正常運行。艙A的總負(fù)荷為2000（低溫回路）+7000（中溫回路）=9000W，艙B艙C的總熱量均為2000（低溫回路）+4500（中溫回路）=6500W。分析結(jié)果見圖6。

圖6 各艙獨立運行時各個測溫點溫度

從模擬的結(jié)果來看，在各個艙段獨立的時候，即使在外熱流發(fā)生方波式階躍變化，系統(tǒng)仍可以正常的運行。低溫回路的控溫點控制的很好，在3～4℃，波動范圍不超過1℃。由中溫設(shè)備出口溫度可以看到，流體回路的溫度沒有超過30℃的上限溫度，最高的中溫設(shè)備出口溫度也在22℃以內(nèi)，因此可以保證中溫設(shè)備工作在40℃以內(nèi)的要求。從冰點檢查來看，外回路的最低溫度（TL65）在-17℃以上，不存在結(jié)冰的問題。而低溫回路工作在0℃左右，由于內(nèi)回路工質(zhì)為水，則可能需要考慮提高主回路設(shè)定點的溫度。

4.2 工況二

為了分析流體回路在艙段間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況下的工作狀況，以上一個工況為基礎(chǔ)，艙B和艙C各將1500W功耗調(diào)配至艙A，通過切換中溫回路的閥門，艙A再將熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移回艙B和艙C。上述過程中，熱負(fù)荷由原來的艙A 9000W和艙B、艙C 6500W調(diào)成艙 A 2000（低溫）+10000（中溫）W，艙 B、艙 C：2000（低溫）+3000（中溫）W。最后考察系統(tǒng)隨邊界變化的響應(yīng)情況。

艙間換熱器的閥門在第50s打開，艙間功耗調(diào)配在第800s開始，圖7給出了三艙發(fā)生功率調(diào)配后系統(tǒng)隨邊界變化的情況。

在各個溫度監(jiān)測點中，應(yīng)重點關(guān)注MID.TL20：設(shè)備入口溫度，MID.TL25：設(shè)備出口溫度也是中間換熱器入口溫度，MID.TL40：中間換熱器出口溫度。為了保證設(shè)備溫度水平滿足要求，必須保證TL20的溫度水平滿足要求。由圖7可知，整個過程以第800s為界分為兩個區(qū)域：

0～800 s區(qū)間：由于閥門打開前耦合回路中存在10℃的低溫工質(zhì)，所以閥門打開后這些低溫工質(zhì)流過HFMIN.TL40時會造成該測溫點溫度短時間內(nèi)明顯下降，隨后開始快速上升并趨于穩(wěn)定。由于艙A中溫回路冷板熱負(fù)荷高，中溫回路中冷板出口溫度水平也比艙B、艙C相對高些，在功耗調(diào)配前，會有少量熱負(fù)荷從艙A轉(zhuǎn)移至艙B、艙C，造成艙AHFMID.TL40的溫度低于HFMID.TL25，而艙A的G1FMID.TL25要高于G1FMID.TL40，艙C情況類似。在這個過程中，各艙MID.TL20的溫度水平很平穩(wěn)。

800s以后區(qū)間：此時艙B、艙C向艙A進行大幅度功耗調(diào)配，同時熱負(fù)荷由艙A轉(zhuǎn)移回艙B、艙C。由于熱負(fù)荷明顯增大，艙AHFMIN.TL25的溫度水平快速上升。由于熱負(fù)荷明顯減小，G1MIN.TL25和G2MIN.TL25的溫度水平快速下降。整個過程中各個艙段的MIN.TL20溫度點均較為平穩(wěn)。

綜上所述，雖然艙間出現(xiàn)了較大額度的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移，但是依靠各個艙段溫控閥的調(diào)節(jié)，各個艙段的測溫點變換幅度很小，很平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)溫度的大幅度跳動。

圖7 艙間熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移時各個測溫點溫度

5 結(jié)束語

本文提出了一種空間站艙間耦合式熱管理系統(tǒng)方案，并建立數(shù)學(xué)模型研究了穩(wěn)態(tài)和功耗調(diào)配狀態(tài)下，該系統(tǒng)流體內(nèi)回路各個位置的溫度水平，結(jié)果表明，三個艙段的流體內(nèi)回路溫度水平均能滿足要求。艙間出現(xiàn)大額度功耗調(diào)配時，通過各艙溫控閥的調(diào)節(jié)，各個艙段關(guān)鍵溫度點變化平穩(wěn)，滿足溫度要求。這表明對于內(nèi)—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)，艙間大額度的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程并不需要復(fù)雜的控制方法，各艙熱管理系統(tǒng)仍然按照獨立時的方式進行控制即可滿足要求。本文的研究結(jié)果為我國空間站熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種可行的技術(shù)依據(jù)和有效的分析方法。

內(nèi)回路—內(nèi)回路耦合系統(tǒng)是一種新穎的方案，若將該方案真正應(yīng)用于工程實際中，還需對其可行性進行進一步的研究，包括系統(tǒng)性能包絡(luò)、系統(tǒng)敏感性分析和敏感參數(shù)識別等。 ◇

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