陳祥貴趙振明,*孟慶亮王鈺

大功率空間激光載荷短時散熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

陳祥貴1,2趙振明1,2,*孟慶亮1,2王鈺1,2

（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）

大功率激光載荷在空間應(yīng)用時具有瞬時熱流密度高、工作時間短、間歇性工作的特點(diǎn)。為確保其高性能的工作，需要高效地解決激光載荷的熱量獲取、傳遞及排散問題。但受限于航天器有限的散熱面面積，其散熱能力往往難以滿足大功率激光器的瞬時散熱需求，而相變儲熱作為一種利用相變潛熱的高效儲熱方式，可以解決航天器熱控系統(tǒng)在供給側(cè)和需求側(cè)時空不匹配的問題。機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop，MPTL）具有高效的傳熱效率和很強(qiáng)的傳熱能力，是解決大功率熱量獲取和傳遞的先進(jìn)技術(shù)。文章針對大功率空間激光載荷的散熱需求，將相變儲熱和兩相傳熱技術(shù)相結(jié)合，提出基于固液相變儲熱和氣液相變傳熱的短時大功率散熱方案，完成了散熱系統(tǒng)研制及性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，散熱系統(tǒng)能夠很好的滿足大功率激光載荷的散熱需求，實(shí)現(xiàn)了12kW大功率載荷短時間穩(wěn)定運(yùn)行，具有很好的工程應(yīng)用前景。

大功率激光載荷 機(jī)械泵驅(qū)動兩相流體回路 相變儲能裝置 航天器熱控

0 引言

近年來，隨著激光技術(shù)的日新月異，大功率空間激光載荷正在通信、遙感等領(lǐng)域的衛(wèi)星上獲得廣泛使用[1]，例如高功率半導(dǎo)體激光器陣列等器件。盡管激光器的輸出功率在不斷提高，但由于光電轉(zhuǎn)換效率的限制，激光二極管依舊會產(chǎn)生較大的熱功率耗散[2]，這意味著空間激光載荷的散熱量和熱流密度呈指數(shù)級增長。為了提高大功率激光載荷的性能和可靠性，迫切需求一種適用于大功率、高熱流密度的散熱系統(tǒng)。

目前針對大功率散熱的傳熱技術(shù)包括單相水冷、兩相冷卻、射流沖擊、噴霧冷卻等[3]。雖然，大通道單相水冷技術(shù)可靠性高、技術(shù)成熟，但存在流量大、管路直徑大、系統(tǒng)體積質(zhì)量大等問題，不適用于對安裝尺寸、體積、質(zhì)量限制嚴(yán)苛的空間應(yīng)用場景。而現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類航天器的槽道熱管、環(huán)路熱管等熱控產(chǎn)品，因毛細(xì)驅(qū)動力不足[4]，難以滿足大功率激光載荷散熱需求。

機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop，MPTL）是以機(jī)械泵作為驅(qū)動部件，利用工質(zhì)氣液相變實(shí)現(xiàn)熱量交換與傳遞的一種兩相換熱系統(tǒng)，相比槽道熱管、環(huán)路熱管具有更強(qiáng)的傳熱能力和更遠(yuǎn)的傳輸距離[5]。

已有研究和在軌飛行應(yīng)用實(shí)例證明，MPTL作為分布式載荷和大功率載荷的熱傳輸系統(tǒng)具有良好的工作特性，其中最典型的就是由歐洲和中國多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制的α磁譜儀硅微帶探測器熱控系統(tǒng)[6]。α磁譜儀硅微帶探測器熱控系統(tǒng)本質(zhì)上是一個工質(zhì)為液態(tài)二氧化碳的MPTL系統(tǒng)，迄今為止，該系統(tǒng)已連續(xù)工作11年，其工作結(jié)果表明MPTL系統(tǒng)在多熱源控溫上具有優(yōu)良的溫度控制精度、穩(wěn)定性和可靠性[7-9]。此后，中山大學(xué)開發(fā)了一種為中國貨運(yùn)飛船“天舟一號”飛船上的微重力流體冷凝實(shí)驗(yàn)提供精確控溫的MPTL系統(tǒng)[10]。法國泰雷茲阿萊尼亞航天公司也一直致力于開發(fā)用于4kW有源天線散熱用MPTL裝置[11]，該公司2021年發(fā)射的最新一代大型通信衛(wèi)星SES-17采用了該MPTL裝置，該裝置可以有效地傳輸大功率設(shè)備的散熱熱量，并保證部組件處于準(zhǔn)等溫狀態(tài)[12]。中國多個院所也對MPTL系統(tǒng)進(jìn)行了在軌驗(yàn)證。

盡管MPTL熱傳輸效率很高，但究其根本只是一種高效的熱傳輸系統(tǒng)，航天器廢熱依舊要依靠散熱面對黑冷空間的熱輻射來排散。受衛(wèi)星軌道、星上能源、散熱面面積、載荷壽命等眾多因素的限制，目前的大功率激光載荷往往采用短時（瞬時）間歇性的工作模式。顯然，為短時間的大功率需求而增加大量的散熱面是得不償失的，對于部分航天器也是無法實(shí)現(xiàn)的。相變儲熱技術(shù)作為一種利用相變潛熱的高效儲熱方式，可以有效的解決上述問題[13]，非常適用于周期性和脈沖式工作的儀器設(shè)備[14]。王愛華等人使用耦合蓄冷裝置的單相流體回路方案和熱泵回路方案，成功減少了輻射器面積、降低了散熱系統(tǒng)質(zhì)量[15]。上海技物所為登月探測器激光載荷熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個相變儲能裝置，并順利通過了振動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和熱真空實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16]，郭遠(yuǎn)東等進(jìn)行了應(yīng)用相變材料的星敏感器控溫研究[17]，歐洲、印度等國也對空間應(yīng)用的相變儲能裝置進(jìn)行了研究[18-19]。上述研究表明空間應(yīng)用中利用相變儲能裝置取代傳統(tǒng)的冷凝器具有可行性。

結(jié)合上述相變儲熱與兩相傳熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種耦合相變儲熱裝置的機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)，并針對大功率空間激光載荷的散熱需求開展了系統(tǒng)工作特性的研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了驗(yàn)證耦合相變儲能裝置（Phase Change Materials Heat Exchanger Device）的機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路熱傳輸系統(tǒng)能否滿足大功率激光載荷的短時散熱需求。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由MPTL子系統(tǒng)和相變儲能裝置兩部分組成，圖1給出了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖，圖中紅色管路部分為兩相段管路，藍(lán)色部分為單相段管路，1、2、3、4、5、6為熱電偶測點(diǎn)布置處的溫度，圖2為系統(tǒng)實(shí)物圖。其中，MPTL子系統(tǒng)包括機(jī)械泵、儲液器、蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2、連接管路、絕對壓力傳感器、壓差傳感器及測溫?zé)犭娕嫉炔考?。蒸發(fā)器1加載3 000 W熱量、蒸發(fā)器2加載9 000 W熱量（基于真實(shí)熱源的模擬），熱流密度最高達(dá)到5.75 W/cm2。MPTL子系統(tǒng)和相變儲能裝置由外徑為8 mm、內(nèi)徑為6 mm的不銹鋼管連接。壓差傳感器通過管路與機(jī)械泵進(jìn)出口連接，用于觀察泵前后系統(tǒng)壓差的變化和機(jī)械泵的工作狀態(tài)；絕對壓力傳感器與儲液器出口相連，用于監(jiān)測儲液器內(nèi)部壓力，便于系統(tǒng)蒸發(fā)器中的飽和溫度的調(diào)整。工質(zhì)在回路中循環(huán)流動的驅(qū)動力由機(jī)械泵提供，機(jī)械泵控制器具備開關(guān)機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)整和預(yù)警功能，保證各項(xiàng)測試需要。

圖1 耦合相變儲能裝置的機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路原理圖

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

表1給出了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要測試項(xiàng)目包括機(jī)械泵開機(jī)測試、熱源加載測試和流量調(diào)整測試。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

Tab.1 The parameter of main components of MPTL system

1.2 MPTL子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選取高純度液氨作為工質(zhì)，液氨具有良好的熱物理特性，性能穩(wěn)定、相變焓值大、導(dǎo)熱系數(shù)高，這使得MPTL系統(tǒng)更輕、流量更小、功率需求更少。另一方面，液氨是航天器熱控系統(tǒng)中成熟常用的工質(zhì)，與除銅之外的多數(shù)金屬材料相容性較好。

機(jī)械泵采用離心泵，并針對電磁環(huán)境、離子輻射等進(jìn)行了屏蔽設(shè)計(jì)。儲液器采用具有自主冷卻能力的兩相控溫型儲液器，利用從相變儲能裝置出來的冷流體，為儲液器控溫提供必要的冷量。

蒸發(fā)器1采用較窄的多并聯(lián)流道設(shè)計(jì)，多個較窄流道的設(shè)計(jì)可以有效增大工質(zhì)受熱的熱流密度，便于工質(zhì)過熱現(xiàn)象的盡快結(jié)束并進(jìn)入兩相態(tài)，使系統(tǒng)盡早進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中。為有效確保蒸發(fā)器各部分的熱量均能被有效獲取，采用了均流技術(shù)設(shè)計(jì)并聯(lián)流道，保證并聯(lián)流道的供液量均勻，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效。

蒸發(fā)器2采用較寬的串聯(lián)蛇形流道，其較寬的流道既可以降低兩相流的流動阻力，也有助于解決工質(zhì)向兩相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中氣態(tài)工質(zhì)體積膨脹導(dǎo)致的流道阻塞、流量波動和干燒等問題。

實(shí)驗(yàn)適配的激光載荷為某型光纖激光器，實(shí)際應(yīng)用中蒸發(fā)器1與激光器的光纖部分耦合，蒸發(fā)器2與激光器的泵浦耦合。光纖部分通過特殊設(shè)計(jì)鑲嵌在蒸發(fā)器1表面內(nèi)，泵浦部分通過導(dǎo)熱硅膠與蒸發(fā)器2導(dǎo)熱安裝，并利用螺栓緊固。實(shí)驗(yàn)時通過陶瓷加熱片模擬激光器工作時所產(chǎn)生的熱量，其中蒸發(fā)器1的加熱片主要集中在蒸發(fā)器上表面中間部分，蒸發(fā)器2的加熱片則布置在蒸發(fā)器蛇形流道處的上下表面，陶瓷加熱片通過導(dǎo)熱硅膠固定在蒸發(fā)器上，并由螺栓和銅片固定。

1.3 相變儲能裝置設(shè)計(jì)

相變儲能裝置主要由相變材料、換熱管路（工質(zhì)和冷卻劑管路）、封裝殼體及裝配件組成，換熱管路埋藏于相變材料中，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中選取正十四烷作為主要的相變儲能材料，其相變焓值為227 kJ/(kg·K)，并加入了少量其他石蠟類物質(zhì)以降低正十四烷的相變溫度。為提升相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提升相變材料的利用率，在相變材料中添加了石墨纖維，混合后的等效導(dǎo)熱率為1.50 W/(m·K)。

由于相變裝置中的工質(zhì)冷卻管路較長，為防止系統(tǒng)流阻過大，相變裝置內(nèi)采用了并聯(lián)管路的方式。相變裝置由十個并聯(lián)管路組成，在最大程度保證冷卻效果的同時，減小系統(tǒng)流阻，如圖4所示。

圖3 相變儲能裝置原理圖

圖4 相變儲能裝置管路圖

1.4 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中測量量包括溫度、壓力、體積流量和熱負(fù)荷。各測量量的精度包括設(shè)備的測量誤差、采集誤差和隨機(jī)誤差。

溫度的不確定度包括測量設(shè)備誤差ΔB、數(shù)據(jù)采集設(shè)備誤差ΔM和隨機(jī)誤差ΔR，即

式中 溫度測量設(shè)備采用直徑0.20 mm的T型（銅-康銅）熱電偶，其誤差為±0.1 K；數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用安捷倫34 980 A，其溫度采集誤差為±0.1 K，系統(tǒng)的隨機(jī)誤差為±0.2 K。因此，溫度的不確定度為±0.24 K。

同樣，壓力的不確定度可由下式計(jì)算

式中 壓力測量設(shè)備采用絕對壓力傳感器和壓差傳感器，其誤差為±1 000 Pa；數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用安捷倫34 980 A，其壓力采集誤差為±500 Pa，系統(tǒng)的隨機(jī)誤差為±1 000 Pa。因此，壓力的不確定度為±1 500 Pa。

流量不確定度的計(jì)算如下

式中 流量測量設(shè)備采用渦輪流量計(jì)，其誤差為±5%；數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用安捷倫34 980 A，其流量采集誤差為±1%，系統(tǒng)的隨機(jī)誤差為±3%。因此，流量的不確定度為±5.91%。

蒸發(fā)器上熱負(fù)荷是導(dǎo)出量，可由電壓和電流的多乘積求和得出。因此，總熱負(fù)荷的不確定度可以計(jì)算為

式中 在測試過程中，使用十個直流電源來模擬蒸發(fā)器上的熱負(fù)荷，下標(biāo)表示第個電源。電壓和電流的測量不確定度皆為1%。將值代入式（4），可以得到熱負(fù)荷的推導(dǎo)不確定度為4.5%。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過空調(diào)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度控制在25 ℃，并在實(shí)驗(yàn)臺部組件外包裹保溫棉來阻止漏熱。因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)境熱損失可由下式計(jì)算

式中l(wèi)ose是單位時間內(nèi)的環(huán)境熱損失；是管路的長度；pip是管路外壁面的溫度；out是環(huán)境溫度；是管路外徑；l是管路外保溫棉外徑；是保溫棉的導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)計(jì)算lose=2.65 W，遠(yuǎn)小于蒸發(fā)器 12 kW的加熱功率，可以視為絕熱邊界條件。

通過上述對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定度的分析證明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)向外界環(huán)境漏熱小，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與外界環(huán)境之間可視為絕熱邊界條件，且實(shí)驗(yàn)誤差小，結(jié)果可信。

2 工作原理

2.1 MPTL系統(tǒng)工作原理

MPTL系統(tǒng)以機(jī)械泵提供驅(qū)動力，利用工質(zhì)的氣液相變潛熱從熱源處吸收并存儲熱量，工質(zhì)在冷凝器或輻射散熱面中冷凝并釋放熱量。儲液器作為MPTL系統(tǒng)的控制核心，可以通過控制儲液器的飽和溫度控制著儲液器和系統(tǒng)的飽和壓力，進(jìn)而控制系統(tǒng)的飽和溫度。

當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)流體達(dá)到兩相飽和態(tài)時，其與儲液器內(nèi)飽和態(tài)流體滿足Clausius-Clapeyron關(guān)系式[20]。因此，兩個組件內(nèi)飽和流體的溫度是相關(guān)的，即

式中eva為蒸發(fā)器內(nèi)的溫度；acc為儲液器內(nèi)的溫度；?EA為儲液器和蒸發(fā)器的飽和壓力之差；(d/d)sat為溫度點(diǎn)acc的壓力-溫度曲線斜率。

式（6）說明蒸發(fā)器中飽和流體的溫度可以由儲液器和飽和壓差?EA控制。該MPTL系統(tǒng)中儲液器和蒸發(fā)器的飽和壓差?EA包括泵的揚(yáng)程和系統(tǒng)流阻造成的影響，即

式中acc為儲液器內(nèi)的絕對壓力；eva為蒸發(fā)器內(nèi)的絕對壓力；?pump為機(jī)械泵提供的揚(yáng)程；?m為儲液器至蒸發(fā)器的流動阻力壓降。

其中，流動阻力壓降?m包括單相段的流動阻力壓降和兩相段的流動壓降，其影響因素包括單相流阻的影響因素、工質(zhì)兩相段的長度、飽和態(tài)工質(zhì)的干度等。

在MPTL系統(tǒng)中，工質(zhì)從過冷狀態(tài)到吸熱結(jié)束會先后經(jīng)歷單相流動和兩相流動。當(dāng)工質(zhì)處于單相流動狀態(tài)時，其傳熱方程為：

式中eva是單位時間內(nèi)蒸發(fā)器上的輸入功率，即eva=，也是系統(tǒng)的單位時間散熱量；是質(zhì)量流量；f,in和f,out分別是蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的入口溫度和出口溫度，單位為℃；c是液氨工質(zhì)的定壓比熱容。

當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入兩相流動狀態(tài)后，其傳熱方程為

2.2 耦合相變儲能裝置的傳熱分析

相變裝置通過相變材料的融化吸收和儲存MPTL系統(tǒng)工質(zhì)攜帶的熱量，并通過航天器散熱面慢慢輻射到黑冷空間。因此，單位時間內(nèi)相變儲能裝置與MPTL系統(tǒng)的熱平衡方程為

式中eva是蒸發(fā)器上的輸入功率；PCM是單位時間內(nèi)相變材料的吸熱量。

在本實(shí)驗(yàn)中相變材料吸熱過程會歷經(jīng)相變前的單相吸熱、相變潛熱吸熱和完全融化后的單相吸熱三個過程。在系統(tǒng)工作的初期，相變材料處于過冷狀態(tài)，即其溫度低于相變溫度。因此，當(dāng)工質(zhì)攜帶熱量流過相變材料時，相變材料首先進(jìn)入固體的單相換熱狀態(tài)，其傳熱方程為

在相變材料的溫度達(dá)到相變溫度后，其進(jìn)入兩相吸熱狀態(tài)，利用相變潛熱吸收工質(zhì)攜帶的熱量，傳熱方程為

在相變材料繼續(xù)升溫后，其進(jìn)入液態(tài)的單相換熱狀態(tài)，其傳熱方程為

式中f是工質(zhì)的溫度；PCM是相變材料的溫度；PCM是MPTL到相變材料的綜合熱阻，包括對流換熱熱阻、管壁熱阻、相變材料內(nèi)部熱阻等。由于該熱阻的存在，實(shí)際換熱過程中靠近MPTL管路的部分將先發(fā)生融化，遠(yuǎn)離部分將最后融化。

3 分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始前，利用工業(yè)制冷機(jī)（模擬航天器輻射散熱器的制冷作用）實(shí)現(xiàn)相變儲能裝置內(nèi)相變材料的冷凝。工業(yè)制冷機(jī)的溫度設(shè)定為–10 ℃，通過低溫制冷劑的循環(huán)冷凝相變材料，直至相變裝置內(nèi)部溫度接近工業(yè)制冷機(jī)溫度。

實(shí)驗(yàn)開始時，系統(tǒng)各部分溫度穩(wěn)定在環(huán)境溫度14.5 ℃附近。50 s時，機(jī)械泵啟動，驅(qū)動流體回路內(nèi)的工質(zhì)開始循環(huán)。150 s時，開始加載熱負(fù)荷，蒸發(fā)器1加載功率為3.0 kW，蒸發(fā)器2加載功率為9.0 kW。270 s時蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)進(jìn)入較為穩(wěn)定的兩相態(tài)，流量穩(wěn)定在1.2 L/min附近，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)測試。292 s時增加泵的轉(zhuǎn)速，流量增加至1.43 L/min；326 s時增加泵的轉(zhuǎn)速，流量增加至1.67 L/min；354 s時增加泵的轉(zhuǎn)速，流量增加至4 L/min。410 s時，相變儲能裝置出口的工質(zhì)溫度上升至12 ℃，臨近運(yùn)轉(zhuǎn)中機(jī)械泵的汽蝕界限，熱載荷關(guān)閉。435 s時，機(jī)械泵關(guān)閉機(jī)。

該MPTL系統(tǒng)通過耦合相變裝置，維持12 kW大功率載荷運(yùn)行了261 s，其中維持激光器溫度穩(wěn)定（溫度波動≤±3 ℃）的運(yùn)行時間為147 s，實(shí)現(xiàn)了激光器穩(wěn)定運(yùn)行90 s的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有很好的工程應(yīng)用前景。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2溫度隨時間的變化曲線。儲液器加熱控溫過程中，蒸發(fā)器1、2的各測點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定在環(huán)境溫度14.5 ℃附近。55 s時機(jī)械泵啟動，回路內(nèi)工質(zhì)開始循環(huán)流動，回路內(nèi)工質(zhì)溫度受相變裝置的影響逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致回路各個位置的壁面溫度開始下降。由于金屬優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，蒸發(fā)器1、2的進(jìn)出口測點(diǎn)溫度1、3、4、6可以近似認(rèn)為是管內(nèi)流動工質(zhì)的溫度。

熱負(fù)荷加載后，蒸發(fā)器1的冷板溫度2和工質(zhì)溫度開始上升。由于蒸發(fā)器1較小的熱負(fù)荷和較大的流量，蒸發(fā)器1實(shí)際上起到了預(yù)熱器的作用。工質(zhì)在蒸發(fā)器1中基本處于被加熱的、穩(wěn)定的單相流動狀態(tài)，隨后進(jìn)入過熱狀態(tài)；290 s時，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，增大流量，蒸發(fā)器1出口溫度3降低。在上述過程中，由于蒸發(fā)器熱阻的存在，蒸發(fā)器1的冷板溫度2大部分時候高于其內(nèi)的工質(zhì)溫度。

熱負(fù)荷加載后，蒸發(fā)器2的冷板溫度4開始上升。蒸發(fā)器2內(nèi)的工質(zhì)首先處于單相流動狀態(tài)，但隨著加熱的持續(xù)和流體溫度的快速上升，工質(zhì)迅速進(jìn)入兩相狀態(tài)，直至處于穩(wěn)定的飽和兩相流動狀態(tài)，隨后蒸發(fā)器2的冷板溫度4僅隨系統(tǒng)飽和壓力的上升而緩慢增加。得益于蒸發(fā)器1并聯(lián)的窄流道設(shè)計(jì)和蒸發(fā)器2自身較大的熱負(fù)荷，蒸發(fā)器2內(nèi)的工質(zhì)未經(jīng)歷過熱狀態(tài)的溫度波動而直接進(jìn)入兩相流動狀態(tài)，在此過程中，蒸發(fā)器1的預(yù)熱器作用保證了兩相流體回路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

工質(zhì)進(jìn)入兩相態(tài)后，蒸發(fā)器2的飽和溫度和飽和壓力仍在緩慢上升，其原因主要是隨著熱量的吸收，管路附近的相變材料組件融化，換熱能力下降，導(dǎo)致相變裝置中工質(zhì)兩相段的延長，使得系統(tǒng)內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)增加和相變裝置出口工質(zhì)溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致流體回路系統(tǒng)飽和壓力的上升，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)各處飽和溫度的上升。而流量調(diào)節(jié)測試過程中，蒸發(fā)器1、2的壁面溫度及其趨勢基本穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象。上述結(jié)果表現(xiàn)出該系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

圖5 蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2冷板溫度和工質(zhì)溫度隨時間變化趨勢圖

圖6給出了實(shí)驗(yàn)過程中相變儲能裝置進(jìn)出口溫度隨時間的變化趨勢。相變裝置作為系統(tǒng)散熱的熱沉，在系統(tǒng)啟動運(yùn)行前初始溫度為–7 ℃，低于系統(tǒng)其它位置溫度。機(jī)械泵啟動后，回路內(nèi)工質(zhì)開始循環(huán)流動，上游溫度較高的工質(zhì)流經(jīng)相變裝置入口后，使得該處溫度出現(xiàn)小幅上升，而后因與相變裝置的換熱，使得完成一個循環(huán)再次流經(jīng)相變裝置入口的工質(zhì)溫度開始迅速下降。對于相變裝置出口處的工質(zhì)，由于其上游為溫度較低的相變裝置，使得機(jī)械泵啟動后該處溫度迅速下降，而后因工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)其它高溫組件的熱交換而逐漸上升。

加載熱負(fù)荷后，相變裝置進(jìn)口溫度迅速上升，這是由于此時MPTL系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)溫度未達(dá)到飽和溫度，處于單相流動狀態(tài)，使得其吸收蒸發(fā)器處的熱量后溫度迅速升高。受其影響，相變裝置出口的溫度也呈現(xiàn)小幅上升的趨勢。當(dāng)MPTL系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)達(dá)到飽和溫度進(jìn)入兩相流動后，相變裝置入口處的溫度趨于穩(wěn)定；此時相變裝置出口處的溫度同樣趨于穩(wěn)定，但隨后因相變裝置內(nèi)靠近流體工質(zhì)的相變材料逐漸全部融化而繼續(xù)上升，直至熱負(fù)荷關(guān)閉。

在加載熱負(fù)荷的時間內(nèi)，相變裝置的工作過程可分為三個階段，即單相吸熱階段（50～200 s）、兩相吸熱階段（200～350 s）和融化后的單相吸熱階段（350～410 s）三個階段。在熱負(fù)荷加載初期，由于相變材料的溫度低于相變點(diǎn)，工質(zhì)流經(jīng)相變裝置后，相變材料首先處于單相吸熱狀態(tài)，依靠相變裝置的顯熱吸收工質(zhì)所攜帶的熱量，使得相變裝置溫度逐漸上升。當(dāng)相變材料溫度達(dá)到相變溫度時，工質(zhì)管路附近的相變材料開始融化，相變裝置出口溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)，相變材料進(jìn)入相變吸熱狀態(tài)，相變裝置出口溫度上升趨勢放緩。此后，相變裝置出口溫度再次開始上升，這是因?yàn)榇藭r相變材料已經(jīng)完全融化，相變裝置再次進(jìn)入單相吸熱狀態(tài)，直至出口工質(zhì)溫度達(dá)到12 ℃，熱源關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)器上加載的熱功率是恒定的，而相變裝置出口的工質(zhì)溫度會受到系統(tǒng)流量的影響。調(diào)節(jié)流量測試中發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增加，相變裝置的出口溫度上升趨勢加快。這是因?yàn)殡S著流量的增大，工質(zhì)流速增大，工質(zhì)在相變裝置中停留的時間變短，工質(zhì)與相變材料的換熱過程變得不充分，導(dǎo)致相變裝置的出口工質(zhì)溫度上升。

圖7給出了實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)流量和系統(tǒng)壓差的變化趨勢。儲液器加熱控溫時，流量和系統(tǒng)壓差基本穩(wěn)定；機(jī)械泵啟動后，系統(tǒng)壓差迅速上升至0.2 MPa，流量迅速增加至4.5 L/min。

加載熱負(fù)荷后，回路中的流量和系統(tǒng)壓差基本可以分為單相流動階段（Ⅰ）、初入兩相流動階段（Ⅱ）、流量滑移階段（Ⅲ）和穩(wěn)定兩相流動階段（Ⅳ）四個階段。加載熱負(fù)荷之初，工質(zhì)流動處于單相流動階段，流量平穩(wěn)、系統(tǒng)壓差基本無波動；隨著流體回路中兩相態(tài)工質(zhì)的出現(xiàn)，管路中部分位置的流動進(jìn)入初步的兩相流動階段，流量和系統(tǒng)壓差開始出現(xiàn)輕微波動；隨著工質(zhì)干度的不斷增加和兩相段管路的不斷延長，流動進(jìn)入流量滑移階段，流量和系統(tǒng)壓差波動加大，流量開始迅速下降，出現(xiàn)了“流量漂移”現(xiàn)象，系統(tǒng)壓差則在緩慢上升。此后，流動進(jìn)入相對穩(wěn)定的兩相態(tài)流動階段，流量和系統(tǒng)壓差基本穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)機(jī)械泵轉(zhuǎn)速的增加也不會讓流量和系統(tǒng)壓差產(chǎn)生劇烈波動，如前三次較小的流量增加，流量增加后在較小的范圍內(nèi)波動，基本保持穩(wěn)定。當(dāng)然，機(jī)械泵轉(zhuǎn)速的增加超出某一范圍后，流量和壓差依舊會有強(qiáng)列的波動產(chǎn)生，如第四次流量增加幅度較大，系統(tǒng)流量產(chǎn)生明顯波動。關(guān)閉熱載荷后，工質(zhì)干度迅速下降，進(jìn)入單相狀態(tài)，流動阻力減小，致使流量迅速上升。

圖6 相變裝置進(jìn)出口溫度隨時間變化圖

圖7 流量和系統(tǒng)壓差隨時間變化圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種耦合相變儲熱的機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)，用以解決大功率空間激光載荷短時散熱的問題，并針對大功率散熱需求開展了系統(tǒng)的啟動特性、控溫特性及工作穩(wěn)定性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）該散熱系統(tǒng)充分利用泵驅(qū)流體回路的氣液相變特性和相變裝置的固液相變特性，能夠成功解決大功率設(shè)備的短時散熱問題，具有傳熱能力大、表面溫升小等優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)的空間應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了相關(guān)設(shè)計(jì)參考；

2）流量測試表明，系統(tǒng)熱傳輸過程中存在最適宜流量，一味的追求大流量并不能增加其散熱能力，反而會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力的增加和相變裝置出口溫度的上升，造成蒸發(fā)器處飽和溫度的上升和系統(tǒng)散熱效率的降低。

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Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under High Power Space Laser Load

CHEN Xianggui1,2ZHAO Zhenming1,2,*MENG Qingliang1,2WANG Yu1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

High-power laser loads have the characteristics of high instantaneous heat flux density, short working time and intermittent operation in space applications. To ensure its high-performance work, it is necessary to efficiently solve the heat acquisition, transfer, and dissipation problems of the laser load. Due to the limited heat dissipation surface area of the spacecraft, its heat dissipation capacity is often difficult to meet the instantaneous heat dissipation requirements of high-power lasers. As an efficient heat storage method using latent heat of phase change, phase change heat storage can solve the problem of space-time mismatch between the supply side and the demand side of the spacecraft thermal control system. Mechanically pumped two-phase loop (MPTL) utilizes the latent heat of gas-liquid phase transition and boiling heat transfer characteristics in the process of flow boiling, which is the key to solving the heat dissipation problem of high-power equipment due to its extremely strong heat transfer capability. In view of the heat dissipation requirements of high-power space laser loads, this paper combines phase change heat storage and two-phase heat transfer technology, proposes a short-term high-power heat dissipation scheme based on solid-liquid phase change heat storage and gas-liquid phase change heat transfer, and completes the development and performance test of the cooling system. The experimental results show that the heat dissipation system can well meet the heat dissipation requirements of the high-power laser load and realize the stable operation of the 12KW high-power load in a short time, which has a good engineering application prospect.

high-power space laser loads; mechanically pumped two-phase loop (MPTL); phase change energy storage device; spacecraft thermal control

V416；TK124

A

1009-8518(2023)03-0069-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.008

陳祥貴，男，1998年生，2016年獲中國石油大學(xué)（華東）能源與動力工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)于中國空間技術(shù)研究院航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)榭臻g遙感器熱控和空間兩相流體回路。E-mail：ChenXG508@163.com。

趙振明，男，1980年生，2009年獲北京航空航天大學(xué)工程熱物理專業(yè)博士學(xué)位，研究員。主要研究方向?yàn)榭臻g遙感器熱控設(shè)計(jì)和兩相換熱技術(shù)。

2022-10-13

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51806010）

陳祥貴, 趙振明, 孟慶亮, 等. 大功率空間激光載荷短時散熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(3): 69-78.

Chen Xianggui,Zhao Zhenming,MENG Qingliang, et al. Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under High Power Space Laser Load[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 69-78. (in Chinese)

（編輯：龐冰）