重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路相容性試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器熱控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路相容性試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]兩相流體回路技術(shù)是近二十年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的航天器熱控制技術(shù)，主要包括環(huán)路熱管技術(shù)、機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)兩相流體回路技術(shù)、重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路技術(shù)等。在月球(或行星)著陸探測(cè)活動(dòng)中，探測(cè)器面臨著晝夜溫差大的熱控挑戰(zhàn)，為確保探測(cè)器安全度過(guò)月夜，采用同位素核熱源+重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的熱控設(shè)計(jì)，重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的系統(tǒng)組成如圖1所示，包括蒸發(fā)器I (包括絲網(wǎng)蒸發(fā)器7、液體分流器8和蒸氣匯流器9)、蒸氣管路2、冷凝管路3、儲(chǔ)液器4、液體管路6和控制閥5，其中，冷凝管路3位于儲(chǔ)液器4重力場(chǎng)上方，蒸發(fā)器I位于儲(chǔ)液器4重力場(chǎng)的下方、并與同位素?zé)嵩瘩詈习惭b，儲(chǔ)液器4內(nèi)液面和蒸發(fā)器I底部之間形成重力輔助高度差；儲(chǔ)液器4通過(guò)液體管路6連接至蒸發(fā)器I入口，在液體管路6上設(shè)有控制閥5，蒸發(fā)器I出口依次通過(guò)蒸氣管路2、冷凝器管路3連接至儲(chǔ)液器4，形成封閉的管路系統(tǒng)。為確保重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路在-50°C?70°C溫度范圍內(nèi)具有良好的傳熱特性，選擇氨作為工作介質(zhì)。月夜期間，打開(kāi)控制閥5，啟動(dòng)重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路，蒸發(fā)器I中的氨工質(zhì)吸收同位素?zé)嵩吹臒崃坎⒄舭l(fā)成氣體，氣態(tài)的氨工質(zhì)順著蒸汽管路2擴(kuò)散至冷凝管路3中，經(jīng)冷凝管路3將熱量引入探測(cè)器內(nèi)部，氣態(tài)的氨工質(zhì)散熱變?yōu)橐后w，流入儲(chǔ)液器4中，液態(tài)的氨工質(zhì)在重力的作用下，沿著液體管路6經(jīng)控制閥5流入蒸發(fā)器I中，形成導(dǎo)熱回路，對(duì)天體探測(cè)器進(jìn)行保溫。月晝期間，關(guān)上控制閥5，關(guān)閉重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路，阻斷同位素核熱源向探測(cè)器內(nèi)部傳遞熱源，同位素核熱源的熱量只能通過(guò)自身的熱輻射向外散失，從而使得同位素核熱源在月晝期間溫度高達(dá)250°C?260°C，與之耦合的兩相流體回路蒸發(fā)器I的溫度同樣也高達(dá)250°C?260°C。
[0003]氨與氮?dú)?、氫氣間存在著合成和分解的可逆反應(yīng)，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，在130°C以下氨分解產(chǎn)生氮?dú)夂蜌錃獾牧糠浅Ｐ?，可以忽略?70°C時(shí)氨少量分解，分解反應(yīng)平衡后生成氮?dú)夂蜌錃獾捏w積分?jǐn)?shù)之和為1.5%，而沒(méi)有檢索到250°C?260°C溫度范圍內(nèi)的分解率，但是根據(jù)270°C時(shí)的分解特性來(lái)看，250°C?260°C溫度范圍內(nèi)分解量不可忽略。重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的回路材質(zhì)為022Crl7Nil2Mo2不銹鋼，鎳元素含量為10%?14%，氨與022Crl7Nil2Mo2不銹鋼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者相容，但在250°C?260°C高溫、且鎳作催化劑的條件下，氨的分解速率將加快，分解成不溶解于液態(tài)氨的氮?dú)夂蜌錃?，本發(fā)明將這種不溶解于工質(zhì)的雜質(zhì)氣體統(tǒng)稱為不凝氣體。隨著兩相流體回路的運(yùn)行，不凝氣體(氮?dú)夂蜌錃?將逐漸聚集在儲(chǔ)液器內(nèi)，形成不凝氣體的分壓力，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，蒸發(fā)器相變溫度升高，從而導(dǎo)致同位素核熱源的溫度升高，同位素核熱源月夜期間向外輻射的熱源增大，因其發(fā)熱量不變，從而導(dǎo)致通過(guò)重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路傳入探測(cè)器內(nèi)部的熱量減小，不利于探測(cè)器的熱控設(shè)計(jì)。
[0004]為評(píng)估不凝氣體對(duì)重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路系統(tǒng)工作特性的影響，進(jìn)而分析對(duì)探測(cè)器熱控的影響，需要開(kāi)展氨在022Crl7Nil2Mo2不銹鋼作催化劑條件下的分解特性研宄，這就是本發(fā)明所說(shuō)的相容性問(wèn)題。
[0005]傳統(tǒng)上航天器熱控采用的兩相流體回路技術(shù)，系統(tǒng)各部件的溫度通常不超過(guò)100°C，因此以氨為工質(zhì)的兩相流體回路通常不考慮氨在回路材質(zhì)(含鎳元素等)作催化劑條件下分解產(chǎn)生不凝氣體的問(wèn)題。文獻(xiàn)中也未看到關(guān)于兩相流體回路系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)與回路材質(zhì)間相容性問(wèn)題的研宄。通常來(lái)講兩相流體回路的相容性研宄，即對(duì)兩相流體回路施加在軌經(jīng)歷的溫度、壓力等邊界條件并維持一定的任務(wù)周期，然后測(cè)試生成的不凝氣體量，進(jìn)而對(duì)不凝氣體量對(duì)系統(tǒng)傳熱特性的影響進(jìn)行分析和驗(yàn)證。對(duì)于本發(fā)明所述的重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路，如果按照上述的方法開(kāi)展相容性的研宄，存在如下問(wèn)題:
[0006](I)蒸發(fā)器的高溫邊界條件難以模擬。如果直接采用同位素核熱源開(kāi)展試驗(yàn)，將存在核輻射的隱患。雖然可以根據(jù)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，研制通過(guò)電加熱等方式獲取熱量的電模擬熱源，但需要研制耐高溫(250°C?260°C)的電模擬熱源，此外還需要采取措施降低高溫下熱源的漏熱問(wèn)題。
[0007](2)兩相流體回路內(nèi)生成的不凝氣體無(wú)法直接測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路相容性試驗(yàn)方法，能夠有效模擬重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路氨工質(zhì)在高溫、鎳做催化劑情況下的分解過(guò)程，判斷重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的相容性。
[0009]本發(fā)明的重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路相容性試驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1，采用等效模擬試驗(yàn)件模擬月晝期間重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的氨工質(zhì)分解；其中，等效模擬試驗(yàn)件為密閉、中空的一體成型的重力熱管，等效模擬試驗(yàn)件分為三段:儲(chǔ)液部件、連接管路和高溫烘烤組件，其中，連接管路一端與儲(chǔ)液部件相連，另一端與高溫烘烤組件相連，等效模擬試驗(yàn)件的材質(zhì)與重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的材質(zhì)相同，等效模擬試驗(yàn)件中充裝與重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路一致的工質(zhì)；
[0011]其中，高溫烘烤組件的管路容積不小于重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的蒸發(fā)器的管路容積，高溫烘烤組件的管路內(nèi)表面積不小于蒸發(fā)器的管路內(nèi)表面積，高溫烘烤組件中填充的絲網(wǎng)的規(guī)格尺寸與蒸發(fā)器中絲網(wǎng)相同；
[0012]連接管路的管路截面不小于重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的蒸氣管路、冷凝管路以及液體管路中管路截面的最大值，連接管路的長(zhǎng)度小于重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路蒸氣管路和冷凝管路的長(zhǎng)度之和；
[0013]儲(chǔ)液部件的氣空間容積與連接管路的容積之和不小于重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路蒸氣管路、冷凝管路、液體管路的容積與儲(chǔ)液器的氣空間容積之和；
[0014]將等效模擬試驗(yàn)件中連接管路連接儲(chǔ)液部件的一段彎曲，儲(chǔ)液部件的高度低于高溫烘烤部件；
[0015]步驟2，將等效模擬試驗(yàn)件的高溫烘烤組件段放置在高溫烘烤爐內(nèi)，使其溫度維持在250°C?260°C范圍內(nèi)；
[0016]步驟3，將等效模擬試驗(yàn)件的連接管路進(jìn)行加熱控溫，使其溫度高于重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路中蒸氣管路、冷凝管路和液體管路的最高溫度；
[0017]步驟4，對(duì)等效模擬試驗(yàn)件的儲(chǔ)液部件進(jìn)行控溫，使其溫度與重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路月晝期間儲(chǔ)液器的溫度變化過(guò)程相同；
[0018]步驟5，維持儲(chǔ)液部件、連接管路和高溫烘烤組件的控溫14個(gè)地球日；
[0019]步驟6，將等效模擬試驗(yàn)件按照重力熱管測(cè)試不凝氣體的方法進(jìn)行不凝氣體量的測(cè)試，得到氨工質(zhì)在月晝期間分解產(chǎn)生的不凝氣體量；
[0020]步驟7，根據(jù)步驟6獲得的不凝氣體量，向重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路中充入相同物質(zhì)的量的高純氮?dú)?；?duì)重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路進(jìn)行傳熱特性測(cè)試，將不凝氣體充裝前后蒸發(fā)器的溫度增加量與蒸發(fā)器允許的溫度增加量進(jìn)行比較，判斷月晝期間氨工質(zhì)與重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路材質(zhì)是否相容:如果不凝氣體充裝前后蒸發(fā)器的溫度增加量小于蒸發(fā)器允許的溫度增加量，則氨工質(zhì)與重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路材質(zhì)相容；反之，則不相容。
[0021]有益效果:
[0022]本發(fā)明采用等效模擬試驗(yàn)件對(duì)月晝期間重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路氨工質(zhì)的分解過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)測(cè)量氨工質(zhì)產(chǎn)生的不凝氣體量，有效判斷重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的相容性，試驗(yàn)方法快捷、方便。
[0023]本發(fā)明采用高溫烘烤爐對(duì)等效模擬試驗(yàn)件的高溫烘烤部件段進(jìn)行加熱，用于模擬月晝期間蒸發(fā)器的高溫，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、安全。
[0024]本發(fā)明可以直接采用重力熱管不凝氣體測(cè)試方法測(cè)量氨工質(zhì)在月晝期間產(chǎn)生的不凝氣體量，能方便地對(duì)重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的相容性進(jìn)行判斷。
[0025]本發(fā)明采用向重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路充裝高純氮?dú)獾姆绞教娲傻獨(dú)?、氫氣混合組成的不凝氣體，充裝方式簡(jiǎn)單可行，避免充裝兩種氣體時(shí)造成的誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路的系統(tǒng)組成示意圖。
[0027]圖2為相容性等效模擬試驗(yàn)件的