【摘要】：21世紀以來,因為傳統(tǒng)太陽能無法滿足星球表面科研站等深空探測需求和未來空間活動對百千瓦級以及兆瓦級功率的需求,美國、俄羅斯以及中國等國正在研制百千瓦至兆瓦級、壽命不小于10年的空間核動力系統(tǒng)。而對于如此大功率的航天器系統(tǒng)而言,如何保證其熱平衡成為了實現(xiàn)大功率航天器的關鍵技術之一。液滴輻射換熱器(LDR)是一種非常有前景的新型空間廢熱導出系統(tǒng),用于排出由太空電力系統(tǒng),推進或航天器系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱。LDR相對于現(xiàn)有技術存在眾多優(yōu)點,包括具有更小的單位功率質(zhì)量、能更加緊湊地存儲在航天腔室內(nèi)、在軌道上安裝展開相對容易和因為主要散熱部位為液滴層而非固態(tài)的熱管裝置,因此幾乎免疫來自激光、粒子束和動能武器的威脅,是一種前景非常好的空間飛行器散熱系統(tǒng)。LDR液滴發(fā)生器到液滴收集器中的液滴層是空間輻射散熱的有效部位,因此研究其輻射換熱特性對于整個LDR系統(tǒng)的優(yōu)化設計至關重要。相較于傳統(tǒng)的將LDR液滴層溫度視為二維連續(xù)的分布情況而言,本文從單個液滴的角度重新建模對液滴層的輻射換熱特性進行了分析。此方法的相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)點主要在于:(1)將液滴層的輻射換熱特性當作三維瞬時問題進行計算,即不忽略厚度方向的溫度變化;(2)液滴層溫度分布無限制,即無需假設液滴層溫度連續(xù)可導。本文從單個液滴的角度出發(fā),研究了稀疏型LDR系統(tǒng)的液滴蒸發(fā)特性和輻射換熱特性、兩液滴之間的輻射換熱特性、多液滴之間的角系數(shù)求解和矩形LDR系統(tǒng)液滴層的輻射換熱特性,發(fā)現(xiàn)計算單個液滴的輻射換熱性質(zhì)得到整體液滴層的輻射換熱性質(zhì)的方法是可行的;并且在計算液滴的輻射換熱特性時,可以忽略液滴的蒸發(fā)影響。兩液滴之間的輻射換熱角系數(shù)只與兩液滴之間的距離與液滴半徑之比有關;并且三個液滴之間的輻射換熱角系數(shù)只與三個無量綱常數(shù)_1k、_2k和_3k有關,其中_1k、_2k和_3k分別為三個液滴之間的間距與液滴半徑之比。通過引入一般角系數(shù)矩陣的概念后,可以極大地簡化矩形LDR系統(tǒng)液滴層的輻射換熱特性,根據(jù)一般角系數(shù)矩陣計算得到液滴層溫度分布在厚度-寬度截面上的溫度分布是均勻的,最大溫差不超過10~(-4)K,由此可以根據(jù)此特性將矩形LDR系統(tǒng)液滴層輻射換熱模型簡化。簡化模型計算結(jié)果表明,簡化模型與原始模型吻合較好,兩模型之間的相對誤差不超過0.35%,因此可以在LDR系統(tǒng)初始設計階段,利用簡化模型提高設計效率。
【圖文】：

原理如圖1.1 所示。液滴散熱器的工作流程如下：液滴發(fā)生器將液滴工質(zhì)從連續(xù)流體轉(zhuǎn)換為數(shù)以億計的單個液滴，液滴在空間飛行過程中將自身的熱量通過輻射散熱導出到宇宙空間，然后由液滴收集器將液滴收集起來，由循環(huán)泵經(jīng)過換熱器吸收由空間系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱，由此循環(huán)運行導出空間系統(tǒng)廢熱。LDR 相對于現(xiàn)有技術存在眾多優(yōu)點[17]。根據(jù)現(xiàn)有研究而言，LDR 具有更小的單位功率質(zhì)量和能更加緊湊地存儲在航天腔室內(nèi)。因為 LDR 的關鍵設備相對較小，與熱管

圖 1.2 先進空間散熱系統(tǒng)質(zhì)量的比較[16]圖 1.3 移動帶式散熱器、居里點散熱器和旋轉(zhuǎn)氣泡膜散熱器示意圖LDR 的概念最初產(chǎn)生于 1979 年，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同主要可以分為螺旋形 LDR、環(huán)DR、封閉蝶形 LDR、三角形 LDR 和矩形 LDR，如圖 1.4 所示[15,20]。螺旋形 LDR 如.4(a)所示，液滴發(fā)生器處于螺旋線中間，液滴產(chǎn)生后沿著螺旋線向外運動，并在運動中向空間導出熱量，最終由處于邊緣的液滴收集器收集。環(huán)形 LDR 示意圖如圖 1.4示，液滴發(fā)生器和收集器均設計為環(huán)形。封閉蝶式 LDR 示意圖如圖 1.4(c)所示，，液
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK172

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本文編號：2683248