靳 健，何振辉，吕树申，莫冬传，黄臻成，侯永青

（1.中国空间技术研究院，北京 100094；2.中山大学，广州510275）

1 引言

热管理系统是空间站系统的重要组成部分，其作用是实现热量合理有效的收集、传输、利用和排散，保证结构、设备温度要求以及乘员舒适性[1-4]。随着科技的进步，空间站系统由俄罗斯“礼炮”号系列为代表的单舱段结构逐渐发展到以“和平”号和国际空间站为代表的多舱段组合体式结构[5-8]，各个舱段不但机械连接，而且还并网进行舱间大额度功耗调配，在此模式下，组合体的热负荷会重新分配，热管理方案必须能够适应热负荷的变化，保证各舱段的温度水平处于正常范围。

适应各舱段热负荷变化的最简单热管理途径是各舱段热管理系统独立并按单舱可能经历的最大热负荷进行设计，由于舱段热负荷包括舱段自身热负荷和舱间功耗调配两部分，这种设计会使热管理系统规模加大，并且各舱独立的设计也不具备故障情况下的重组功能。另一个值得考虑的选项是舱段间耦合式热管理系统，通过舱间耦合结构，在舱间功耗调配的同时进行热负荷转移。通过这种方式，各个舱段热管理系统对热负荷进行集中处理，避免了功耗调配造成的单舱热负荷增加，此外，各舱热管理系统可以互相支持、互相备份。如图1所示。

本文提出一个假想的中等规模空间站，确定了最为可行的耦合系统结构。舱间大额度的热负荷调配是一个非稳态的过程[9-10]，流体回路要经受热负荷的大幅度变动。在这个过程中，流体回路各个位置温度水平的变化情况直接决定了耦合系统性能的优劣，因此，建立数学模型，研究了如下内容：

各舱段热管理系统独立运行时，也就是稳态工况下，各个流体回路系统的性能是否满足要求；

舱间出现大额度热负荷转移时，各个舱段热管理系统的稳定性。

本文提出的耦合式热管理系统可以作为我国多舱段空间站热管理系统设计的参考依据。

2 假想空间站热管理系统描述

2.1 空间站热负荷

本文分析所用空间站由舱A、舱B和舱C三个舱段组成，各个舱段的热量平衡关系见下式，

上式中Qp为乘员的代谢产热；Qd代表平台设备的热负荷，Qe代表实验载荷的热负荷；Ql代表密封舱漏热量，由于密封舱外表面包覆有多层隔热介质，因此漏热量较为恒定；Qr代表辐射器排散的热负荷。为了简化问题，假定乘员代谢产热和密封舱漏热基本相当，可以互相抵消。

各个舱段的热负荷分布见表1，其中舱A的平台设备按重要性分为核心设备、非核心设备和再生生保设备三类，舱B和舱C的平台设备不进行划分。

此外三个舱段之间可以进行最高3000W的功耗调配，该功耗调配主要是用来支持舱段内进行某些短期的高功耗科学实验或大型非连续工作的设备。

图1 独立和耦合热管理系统

2.2 各舱热管理系统构成

由于三个舱段在形成组合体前，都存在独立飞行的阶段，因此各个舱段均配备完善的热管理系统。空间站功耗高、热源变化幅度大、温度控制要求高，通常采用流体回路和强迫通风两种主动热管理技术作为主要的控温手段。

流体回路分为外回路、低温内回路和中温内回路，所有回路均采用机械泵驱动的单相流体回路。低温回路主要为冷凝干燥器和一些低温设备提供冷源，中温回路为平台设备、再生生保设备和部分实验载荷设备提供冷源，外回路负责收集内回路的热负荷，并通过辐射器进行排散，通过温控阀控制流进辐射器的工质流量，控制辐射器的排热量，保证控温点的温度。外回路以全氟三乙胺为工质，低温和中温内回路均以水为工质。系统结构如图2所示。

表1 空间站各舱段热负荷

2.3 热管理系统耦合系统构成

由于舱间通风系统的热负荷传递能力很有限，舱间大额度热负荷的转移必然由流体回路间的耦合来实现。由于流体回路分为内回路和外回路，所以从原理上舱间流体回路耦合系统有多种设计方案。根据国际空间站热管理系统的设计经验，本文选择内回路—内回路耦合方案，其结构见图3。

某舱段的热负荷可以通过中间换热器转移到其它舱段的内回路，再通过其它舱段外回路的辐射器进行排散。例如，将舱A的内回路热负荷转移至舱B和舱C内回路，再通过舱B、舱C的外回路进行排散，热负荷的传输途径见图4。

图2 各舱主动热管理系统结构示意图

图3 内回路—内回路耦合系统结构示意图

当各舱热管理系统独立运行时，截止阀门AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 开通，而截止阀门 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3 关闭。当三舱热管理系统耦合时，阀门 AM-1、AL-1、BM-1、BL-1、CM-1、CL-1 关闭，而截止阀门 AM-2、AM-3、AL-2、AL-3、BM-2、BM-3、BL-2、BL-3、CM-2、CM-3、CL-2、CL-3开通。

图4 内回路—内回路耦合方案热负荷传输路径

3 热管理系统分析模型

建立基于SINDA/FLUINT v4.8的流体回路耦合模型。模型包含了三个舱段相关流体模型和热模型，以及用于实现三个舱段耦合的舱间中温、低温中间换热器模型。图5给出了舱段热管理系统主要部件的位置与结构，以及三个舱段各个测温点的编号位置。

各个舱段的外回路的控温点为TL70，低温回路控温点为TL90，通过PID控制旁路阀门实现温度控制。阀门开度与流量满足等百分比关系。

三个舱段分别通过中温回路和低温回路的舱间中间换热器进行热耦合，代表换热器换热板的节点分别与回路的流体两两相连，以实现来自不同舱段的流体可以通过换热板发生传热。系统的辐射边界设定为4K，边界外热流变化周期为5400s，为了研究辐射器排热能力的变动对舱内温度水平的影响，假定了一种极端情况：一个周期内辐射器最大排热量与最小排热量所占的时间之比为1∶1，即2700s为最大排热量142W/m2，另外2700s内为最小排热量78W/m2。

图5 物理模型和测温点位置编号

4 计算结果和分析

计算了两个工况，工况一研究了各个舱段独立工作时的系统性能；工况二研究了舱间热负荷转移时的系统性能。

4.1 工况一

工况一分析了三个舱段流体回路独立运行时，低温回路和中温回路控温点数据，特别是中温回路控温设置点，确认各舱段模型在没有耦合时可正常运行。舱A的总负荷为2000（低温回路）+7000（中温回路）=9000W，舱B舱C的总热量均为2000（低温回路）+4500（中温回路）=6500W。分析结果见图6。

图6 各舱独立运行时各个测温点温度

从模拟的结果来看，在各个舱段独立的时候，即使在外热流发生方波式阶跃变化，系统仍可以正常的运行。低温回路的控温点控制的很好，在3～4℃，波动范围不超过1℃。由中温设备出口温度可以看到，流体回路的温度没有超过30℃的上限温度，最高的中温设备出口温度也在22℃以内，因此可以保证中温设备工作在40℃以内的要求。从冰点检查来看，外回路的最低温度（TL65）在-17℃以上，不存在结冰的问题。而低温回路工作在0℃左右，由于内回路工质为水，则可能需要考虑提高主回路设定点的温度。

4.2 工况二

为了分析流体回路在舱段间热负荷转移情况下的工作状况，以上一个工况为基础，舱B和舱C各将1500W功耗调配至舱A，通过切换中温回路的阀门，舱A再将热负荷转移回舱B和舱C。上述过程中，热负荷由原来的舱A 9000W和舱B、舱C 6500W调成舱 A 2000（低温）+10000（中温）W，舱 B、舱 C：2000（低温）+3000（中温）W。最后考察系统随边界变化的响应情况。

舱间换热器的阀门在第50s打开，舱间功耗调配在第800s开始，图7给出了三舱发生功率调配后系统随边界变化的情况。

在各个温度监测点中，应重点关注MID.TL20：设备入口温度，MID.TL25：设备出口温度也是中间换热器入口温度，MID.TL40：中间换热器出口温度。为了保证设备温度水平满足要求，必须保证TL20的温度水平满足要求。由图7可知，整个过程以第800s为界分为两个区域：

0～800 s区间：由于阀门打开前耦合回路中存在10℃的低温工质，所以阀门打开后这些低温工质流过HFMIN.TL40时会造成该测温点温度短时间内明显下降，随后开始快速上升并趋于稳定。由于舱A中温回路冷板热负荷高，中温回路中冷板出口温度水平也比舱B、舱C相对高些，在功耗调配前，会有少量热负荷从舱A转移至舱B、舱C，造成舱AHFMID.TL40的温度低于HFMID.TL25，而舱A的G1FMID.TL25要高于G1FMID.TL40，舱C情况类似。在这个过程中，各舱MID.TL20的温度水平很平稳。

800s以后区间：此时舱B、舱C向舱A进行大幅度功耗调配，同时热负荷由舱A转移回舱B、舱C。由于热负荷明显增大，舱AHFMIN.TL25的温度水平快速上升。由于热负荷明显减小，G1MIN.TL25和G2MIN.TL25的温度水平快速下降。整个过程中各个舱段的MIN.TL20温度点均较为平稳。

综上所述，虽然舱间出现了较大额度的热负荷转移，但是依靠各个舱段温控阀的调节，各个舱段的测温点变换幅度很小，很平稳，没有出现温度的大幅度跳动。

图7 舱间热负荷转移时各个测温点温度

5 结束语

本文提出了一种空间站舱间耦合式热管理系统方案，并建立数学模型研究了稳态和功耗调配状态下，该系统流体内回路各个位置的温度水平，结果表明，三个舱段的流体内回路温度水平均能满足要求。舱间出现大额度功耗调配时，通过各舱温控阀的调节，各个舱段关键温度点变化平稳，满足温度要求。这表明对于内—内回路耦合系统，舱间大额度的热负荷转移过程并不需要复杂的控制方法，各舱热管理系统仍然按照独立时的方式进行控制即可满足要求。本文的研究结果为我国空间站热管理系统的设计提供了一种可行的技术依据和有效的分析方法。

内回路—内回路耦合系统是一种新颖的方案，若将该方案真正应用于工程实际中，还需对其可行性进行进一步的研究，包括系统性能包络、系统敏感性分析和敏感参数识别等。 ◇

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