CN107515969B - 基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，具体过程为：(1)根据航天器热控系统峰值热负荷、工作时间、所采用的工质类型和工作温度对所需的液态工质质量进行估算；(2)根据消耗型散热装置对工作背压的需求，设定最高工作背压；基于工质质量估计和最高工作背压，对设备工作过程中蒸发生成的气态工质的体积进行估算；(3)选取柔性材料设计空间消耗型散热工质回收装置，使得所述回收装置在自然伸展状态下的内部体积大于或等于所述气体工质的体积；(4)将所述工质回收装置与空间消耗型散热装置配合使用实现空间消耗工质的回收再利用。本发明为空间消耗型散热方法在长期宇航任务中的应用提供了必不可少的技术保障。
Description
技术领域
本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法。
背景技术
航天器在空间环境下的散热，最终将通过辐射散热或在真空环境下排出消耗介质两种途径来实现。辐射散热是长期航天任务中理想的空间散热措施，是空间飞行器最常用的散热方式。航天器的辐射散热能力与散热面的温度高低、散热面积大小、散热面的表面发射率及散热面所处热环境有关。为了保证一定的散热量，航天器必须提供足够面积的具有较高表面发射率的散热面，并且只有当散热面与周围环境之间有较高的温差时，航天器废热才能高效地通过辐射方式排散至外部空间。
但是对于月面长期活动、地外长期驻留等任务中的机动性强、无法提供相对固定散热面或处于空间高温环境无法利用辐射散热的航天器，需要采用不依赖于辐射散热的散热方式。消耗型相变散热方式不仅可以解决航天器的高效散热需求，而且可极大地节约系统资源，是一种理想的选择。但是如果消耗出的工质不能进行回收，将会限制消耗型散热技术在长期宇航任务中的应用。
在我国，随着深空探测、载人登月等被逐渐提上日程，空间消耗型散热技术在我国深空探测飞行器、载人登月航天器、高速再入飞行器及可重复使用飞行器上有着很好的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，该方法利用物理的方式对空间消耗型散热装置排放出的气体工质进行收集、液化后进行再利用，可以解决当前空间消耗型散热工质无法回收再利用、制约消耗型散热在长期宇航任务中的应用难题。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，具体过程为：
(1)根据航天器热控系统峰值热负荷、工作时间、所采用的工质类型和工作温度对所需的液态工质质量进行估算；
(2)根据消耗型散热装置对工作背压的需求，设定最高工作背压；基于工质质量估计和最高工作背压，对设备工作过程中蒸发生成的气态工质的体积进行估算；
(3)选取柔性材料设计空间消耗型散热工质回收装置，使得所述回收装置在自然伸展状态下的内部体积大于或等于所述气体工质的体积；
(4)将所述工质回收装置与空间消耗型散热装置配合使用实现空间消耗工质的回收再利用。
进一步地，本发明所述液体工质质量进行估算的过程为：
首先，计算空间消耗型散热装置单位时间内工质的消耗量
其中，Q为热负荷，hf为工质蒸发潜热；
其次，根据空间消耗型散热装置每天在系统高功率时段连续工作时间T，计算每天消耗的工质质量；
进一步地，本发明所述回收装置为一个以上的气球。
进一步地，本发明所述柔性材料的表面进行过超疏水处理。
有益效果：
(1)本发明突破了当前空间消耗型散热方法排放到空间环境中的气态工质无法回收的难题，为空间消耗型散热方法在长期宇航任务中的应用提供了必不可少的技术保障。
(2)本发明所采用的柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，采用无动力驱动的方式，不额外消耗航天器能源和资源。
(3)本发明所采用的柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，通过物理方式对工质进行回收、无毒无污染，轻质高效，避免了采用化学回收方式需要对工质进行二次分离和净化。
附图说明
图1本发明工质回收流程示意图；
图2气球内部水蒸气变化过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其具体实施方式如下：
(1).根据航天器热控系统峰值热负荷、工作时间、所采用的工质类型和工作温度对所需的液态工质质量进行估算。
(2).根据消耗型散热装置对工作背压的需求，设定最高工作背压；基于工质质量估计和最高工作背压，对设备工作过程中蒸发生成的气态工质的体积进行估算。
(3).选取柔性可循环使用材料，通过表面超疏水处理的方法对其表面进行修饰，使其具备液滴快速冷凝及液态工质定向自输运功能；利用该材料根据步骤(2) 计算得到的体积设计空间消耗型散热工质回收装置，使其与空间消耗型散热装置进行匹配。
(4).将基于柔性可循环使用材料的工质回收装置与空间消耗型散热装置配合使用实现空间消耗工质的回收再利用。
基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，主要原理是：空间消耗型散热装置在空间环境下工作时，通过相变的方式蒸发/升华一定的工质来实现对航天器散热。本发明提出基于柔性可循环使用材料制作的工质回收装置(气球)对空间消耗型散热装置蒸发/升华生成的蒸汽进行收集，并对蒸发 /升华背压进行控制。随着蒸发/升华气体量的增加，气球体积增大，当气球体积增加至设计的最大值，消耗型散热装置可以与不同的气球进行切换，实现整个系统的功能需求。气球外部温度降低(如月夜或火星夜晚来临)，气球自行收缩，体积减小，压缩内部的蒸汽使其液化，从而实现对蒸发/升华工质的回收再利用。
本发明基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法所依据的理论依据为：
空间消耗型散热装置开始工作并排放蒸发/升华的气体工质前，假设气球内部为真空状态、消耗的工质为水，其蒸发潜热hf为2500kJ/kg。
假设当系统峰值热负荷Q为800W，回路温度升至40℃时，空间消耗型散热装置开始工作，则空间消耗型散热装置单位时间耗水量为：
其中，Q为热负荷，hf为工质蒸发潜热，
为工质蒸发质量流量。
假设空间消耗型散热装置每天在系统高功率时段连续工作4h，则每天消耗的水蒸气量m为：
为了保证空间消耗型散热装置的工作效率，设其背压P最大为1.1kPa(小于火星最大气压1.35kPa)，暂忽略气球的漏热，假设蒸汽温度T维持40℃，则在此热负荷下，每天产生的蒸汽体积V约为：
其中，P为气体压强，T为蒸气绝对温度，V为气体工质体积，R为理想气体常数，n为蒸气物质的量。
根据设计，蒸汽收集球自然伸展状态下的内部体积为604.5m3，约为半径为 5.24m的球，能够满足每天的蒸汽收集要求。
假设探测器所在的星球为火星，则其1个昼夜的时间长度为24h，赤道附近昼夜温差约为20℃～-100℃，太阳常数为493W/m2(远地点)～717W/m2(近地点)，表面风速约为15m/s～30m/s，表面对流换热系数约为2W/(m2K)。
则当火星夜晚来临，气球在对流和辐射作用下向外部空间散热，其换热平衡方程为：
其中，Tb为气球平均温度，ε为表面发射率，A为气球表面积，Tenv为环境温度， h为气球表面与环境的对流换热系数，c为蒸气比热，m为蒸气质量。
气球内部水蒸气的降温过程为等压降温过程，在水的三相图上表示如附图2。
水蒸气的温度持续降低，当达到初始压力(如1.1kPa)对应的饱和蒸汽压时，蒸汽液化，凝结的液态水在气球内部水收集装置毛细力的作用下传输至贮水装置，直至气球的体积减至最小，最后全部的蒸汽凝结为液态水，供给给水贮存装置以便消耗型散热装置后续使用。
为了提高气态工质冷凝效率和在微重力条件下冷凝的液态工质在壁面的快速脱离和输运，本发明提出的基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法所采用的柔性材料表面将通过疏水处理的方法获得，使其具备液滴快速冷凝及液态工质定向自输运功能。
本发明工质回收装置的材料表面具有液体工质定向无动力自输运功能；发明工质回收装置的材料表面具有冷凝强化功能；本发明工质回收装置的材料为柔性可循环使用材料；本发明工质回收装置在对工质回收的同时具备蒸发/升华背压进行控制的功能，进而可对消耗型散热装置的散热量进行调节。
本发明工质回收装置的工作过程为：
(1).基于柔性可循环使用材料制作的气球对空间消耗型散热装置蒸发/升华生成的蒸汽进行收集，并对蒸发/升华背压进行控制。(2).随着蒸发/升华气体量的增加，气球体积增大，当气球体积增加至设计的最大值，消耗型散热装置可以与不同的气球进行切换，实现整个系统的功能需求。同时，气球内气体量的变化，将对蒸发/升华背压产生影响，从而影响空间消耗型散热装置蒸发/升华速率，达到对其散热量进行调节的效果。(3).气球外部温度降低(如月夜或火星夜晚来临)，气球自行收缩，体积减小，压缩内部的蒸汽使其液化，从而实现对蒸发/升华工质的回收再利用。
本发明可适用于地球大气环境、真空环境、火星大气环境。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，具体过程为：
（1）根据航天器热控系统峰值热负荷、工作时间、所采用的工质类型和工作温度对所需的液态工质质量进行估算；
（2）根据消耗型散热装置对工作背压的需求，设定最高工作背压；基于工质质量估计和最高工作背压，对设备工作过程中蒸发生成的气态工质的体积进行估算；
（3）选取柔性材料设计空间消耗型散热工质回收装置，对空间消耗型散热装置蒸发/升华生成的蒸汽进行收集，使得所述回收装置在自然伸展状态下的内部体积大于或等于所述气态工质的体积，所述消耗型散热装置可以与不同的空间消耗型散热工质回收装置进行切换；
（4）将所述工质回收装置与空间消耗型散热装置配合使用实现空间消耗工质的回收再利用。
2.根据权利要求1所述基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，所述液态工质质量进行估算的过程为：
首先，计算空间消耗型散热装置单位时间内工质的消耗量
，
其中，Q为热负荷，h f 为工质蒸发潜热；
其次，根据空间消耗型散热装置每天在系统高功率时段连续工作时间T，计算每天消耗的工质质量；
3.根据权利要求1所述基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，所述回收装置为一个以上的气球。
4.根据权利要求1所述基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，所述柔性材料的表面进行过超疏水处理。
5.根据权利要求1所述基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，所述工质回收装置的材料表面具有液体工质定向无动力自输运功能、冷凝强化功能。
6.根据权利要求1所述基于柔性可循环使用材料的空间消耗型散热工质回收方法，其特征在于，所述工质回收装置的材料为柔性可循环使用材料。
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