微重力下两相流体回路流动传热特性及气液分布控制方法研究

The characteristics of flow and heat transfer in two-phase loops under microgravity will be researched. The vapor/liquid distribution law in the loops during startup, steady-state and dynamic operation and shut down processes will be analyzed. The mechanisms of the accumulating and separating of the vapor/liquid, the working fluid supply and the saturated operating temperature control of the pumped two-phase loop reservoir and the two-phase distribution, flow and heat transfer in the evaporator and reservoir of the capillary loops will also be studied. The vapor/liquid distribution control methods and the conservative experimental methods on ground for the two-phase loops space application will be established. The analysis and method will also be validated in the flight experiments on satellite.

通过理论分析和地面实验进行微重力下两相回路系统流动、传热特性研究，分析微重力对两相回路系统启动、运行、变载荷和卸载情况下的气液分布的影响规律，揭示储液器在微重力下的气液收集与分离、液体补偿与输送及温度控制的机理、反向式蒸发器与储液器内部气液分布、流动、热量传输对漏热的影响规律和特性。建立针对空间应用背景的两相回路内部气液控制方法及地面保守试验验证方法，并借助卫星搭载进行微重力下的在轨试验验证。

两相流体回路是近十几年内重点发展的高效的航天器热控技术，但是，由于重力环境对两相系统内部的流动、传热特性影响机理不明确，未掌握其气液分布特性及有效控制方法，相关机理研究不充分，导致许多在轨应用出现失效的案例，先进的两相流体回路系统在未来空间应用存在风险和困难。.本项目通过理论分析和地面实验开展了微重力下两相回路系统（包括机械泵驱两相回路、重力驱动两相流体回路、毛细泵驱两相流体回路）的流动、传热特性研究，分析了微重力和部分重力场对两相回路系统启动、运行、变载荷和卸载情况下的气液分布的影响规律，讨论了储液器在微重力下的气液收集与分离、液体补偿与输送及温度控制的规律、蒸发器与储液器内部气液分布、流动、热量传输对漏热的影响规律和特性。建立了针对空间应用背景的两相回路内部气液控制方法及地面保守试验验证方法。并通过多个航天器进行了搭载飞行试验验证，分析了三类两相流体回路在微重力和多重力场下性能特性，获得了大量具有参考价值的飞行试验数据。.机械泵驱两相回路在“多功能飞船缩比返回舱”上的飞行试验结果表明：储液器内针对微重力环境的气液分布控制方法有效，通过毛细结构的设计成功实现了储液器对回路供液的调控、自主高精度控温等核心功能。“嫦娥三号”探测器在奔月到落月后全过程的设备状态和遥测数据表明：重力驱动两相流体回路在微重力和过载情况下未发生非预期传热，两相流体回路在月面运行良好，性能满足要求，所建立的针对月球表面1/6g重力的地面保守模拟试验验证方法可行。2套环路热管在“嫦娥五号飞行试验器”上的飞行试验结果表明：环路热管在不同阶段分别实现了热阻断、热传输、失效等功能，成功实现了对返回器内关键设备的温度控制。一方面，在轨启动、运行和卸载3次，验证了微重力下供液和控温功能的正确性；另一方面，验证了副芯结构设计的正确性，有效的实现了微重力下环路热管内部的气液分布控制，可正常应对环境和工况的变化。