CN112661214A - 一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，使用本发明能够实现水升华器在空间复杂的热、过载、背压因素下，避免“击穿”现象，同时完成较高散热量的目的。首先，根据第一约束条件确定所述水升华器的开启供水时间t1；根据任务需求和第二约束条件确定供水间隔t2；根据第三约束条件确定升华器的工作供水时间t3。然后，确定具体供水方案，开启水升华器，打开控制阀开始向其供水，时长为开启供水时间t1；关闭控制阀，停止供水，时长为停水间隔t2；再次打开控制阀，时长为工作供水时间t3；重复计算t2和t3，并按照其结果按时关断、打开控制阀，直到任务结束。

Description

一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天和传热技术领域，具体涉及一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法。

背景技术

水升华器是一种利用水工质的升华原理进行工作的热控装置，它通过使一种消耗性介质发生相变并最终将其排放至外太空的过程将航天器废热带走，从而实现航天器热控系统的热排散。水升华器结构简单、体积小、重量轻，是航天器不足以提供足够的散热面、或其它热控措施不能发挥作用时必不可少的热控措施。在国外的航天器热控系统，尤其是航天员出舱活动单元生保系统的热控中发挥了重大作用，是目前的宇航服必不可少的组成部分之一。

随着我国航天技术的不断开展，水升华器技术已成为我国未来航天器热控系统中必不可少和必须突破的热控手段之一。然而针对一些特定的航天任务，例如飞行器再入返回过程，在无辐射散热条件下，需要水升华器等消耗型散热装置进行热量排散，但是又必须应对加速度和背压所引发的问题。在现有技术条件下，为实现升华器供水压力平稳、控制策略简单，一般采用持续供水的控制策略，即，升华器工作期间，供水控制阀始终处于打开状态，向升华器持续供水，直至升华器单次工作任务结束或水工质消耗完毕。但这种策略无法应对严苛的过载及背压环境,在加速度和背压条件下，持续的“击穿”几乎是不可避免的。因此，目前亟需一种在空间复杂的热、过载、背压等工作环境下水升华器的工作方法，在避免发生“击穿”的前提下，实现较高的散热量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，使水升华器可以克服复杂空间带来的热、过载、背压因素，避免“击穿”现象，同时实现较高的散热量。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

S1、当水升华器第一次供水时，根据第一约束条件确定水升华器的开启供水时间t1，第一约束条件为：

t1≤t_tol

其中，t_tol为高压耐受时间，P'_w.in为实际供水压力，DIM_fw为供水流道结构参数，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，m’_fw(P'_w.in，DIM_fw)为供水质量流量，m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)为工质消耗的质量流量，m₀为水升华器内液态水工质的最大填充量，

为供水安全系数。

进一步的，供水质量流量m’_fw(P'_w.in，DIM_fw)由实际供水压力P'_w.in，供水流道结构参数DIM_fw共同决定。工质消耗的质量流量m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)由相变界面温度T_pc、相变界面背压P_pc,0和多孔板结构尺寸DIM_plate共同决定。

进一步的，供水安全系数

的取值范围为

S2、当水升华器供水t1时间后，根据任务需求和第二约束条件确定供水间隔t2，第二约束条件为：

其中，m'₀为前一次供水结束后升华器内部液态工质总重量，h_f为水工质的相变潜热，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，Q(T_pc,P_pc,0,DIM_plate)为散热功率，由相变界面温度T_pc、相变界面背压P_pc,0和多孔板结构尺寸DIM_plate共同确定。

进一步的，任务需求具体为：提供水升华器需要完成的任务提供的参数：热负荷温度、散热量需求、所处背压环境压力；热负荷温度、散热量需求和背压环境压力影响相变界面温度T_pc和相变界面背压P_pc,0的取值，改变工质消耗的质量流量m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)的取值，从而改变t1的取值范围。

S3、当水升华器停止供水t2时间，根据第三约束条件确定水升华器的工作供水时间t3，第三约束条件为：

m₁为工作过程的上一次供水之前升华器内部留存的液态工质。

S4、确定具体供水方案，开启水升华器，打开控制阀开始向其供水，时长为开启供水时间t1；关闭控制阀，停止供水，时长为停水间隔t2；再次打开控制阀，时长为工作供水时间t3；重复步骤S2和S3，按照t2和t3的值关断、打开控制阀，直到任务结束。

进一步的，确定具体供水方案的方法为：对t1、t2和t3的值在取值范围内取整，同时考虑控制计算机及控制阀的工程约束：计算机处理速度、阀门动作时间等。

有益效果：本发明提供了一种应对空间复杂环境的水升华器供水控制方法，提升了水升华器对加速度、热负荷、环境压力的适应能力，避免发生“击穿”现象，实现稳定散热，扩展了水升华器的应用范围，为航天器热控系统用水升华热控技术的发展提供必须的技术保障。本方法利用控制阀的通断即可实现，除少量电能外，无需消耗其他资源。同时，该方法提升了水升华器对背压的适应能力，从而有效提升了水升华器布局的灵活性，例如可以将水升华器安装在飞行器内部，通过排放管路进行水蒸汽排散。采用本方法进行供水，系统对供水压力不敏感，可以进行水升华器系统设计优化，不采用减压阀，直接采用毛细节流孔进行减压，减小系统重量，结构简单，提高可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法的具体流程图。

图2为航天器散热用水升华器系统与水升华器结构图，图2中的(a)为航天器散热用水升华器系统图，图2中的(b)为水升华器结构图。

图3为单台水升华器大供水压力下启动与运行性能测试结果图。

图4为水升华器联合运行情况图，图4中的(a)为水升华器启动过程温度及功率随时间变化曲线图，图4中的(b)为入口温度30℃左右水升华器运行情况图。

图5为不同排放管状态(背压)对水升华器性能影响试验结果图。

图6为流体回路进口温度Tfin＝32℃时引起水升华器“击穿”现象图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法的具体流程，包括以下主要步骤：

S1、当水升华器第一次供水时，水升华器内部没有工质，为空的状态。因此t1应当满足式1和式2两个条件，即第一约束条件。第一约束条件为：

t1≤t_tol 式1

其中，t_tol为高压耐受时间，P'_w.in为实际供水压力，DIM_fw为供水流道结构参数，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，m’_fw(P'_w.in，DIM_fw)为供水质量流量，m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)为工质消耗的质量流量，m₀为所述水升华器内液态水工质的最大填充量，

为供水安全系数。

式1和式2表明，t1不得超过升华器的高压耐受时间t_tol，且t1应足够长，以保证升华器给水腔内存储足够多的水工质。高压耐受时间t_tol为升华器发生“击穿”的临界时间，即对于特定工况(热负荷温度、背压条件确定)的水升华器，在击穿压力或高于击穿压力的供水压力作用下，从打开控制阀开始启动计时，直至液态水穿出多孔板、出现可观察到的击穿现象为止的总时间。高压耐受时间表征的是特定热负荷、背压条件下，水工质在一边蒸发消耗、一边流动至充满给水腔并穿出多孔板的总时间，该过程涉及圆管内相变传热传质、多孔介质内相变传热传质、稀薄气体流动等物理过程，影响因素非常复杂，包括系统构型、供水管参数(影响液态工质的流阻)、升华器结构参数(供水槽道参数，给水腔体积，多孔板孔径、渗透率等微观参数)、排放管路尺寸(影响气态工质流动阻力)、结构的热物性参数(导热系数、热容)等等。一般难以通过计算精确得出，但可以通过地面试验获取。

式2中，m₀为水升华器内液态水工质的最大填充量，由水升华器结构参数确定；

为供水安全系数，用于保证向升华器所供的液体工质量不会超过“击穿”上限，没有多余的液态工质穿出多孔板，避免发生“击穿”；

为供水质量流量，

为供水过程中工质消耗的质量流量。

进一步的，供水质量流量m’_fw(P'_w.in，DIM_fw)由实际供水压力P'_w.in，供水流道结构参数DIM_fw共同决定，工质消耗的质量流量m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)由相变界面温度T_pc、相变界面背压P_pc,0和多孔板结构尺寸DIM_plate共同决定。

进一步的，供水安全系数

的取值范围为

S2、当水升华器供水t1时间后，根据任务需求和第二约束条件确定供水间隔t2，第二约束条件为：

其中，m'₀为前一次供水结束后升华器内部液态工质总重量，h_f为水工质的相变潜热，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，Q(T_pc,P_pc,0,DIM_plate)为散热功率，由相变界面温度T_pc、相变界面背压P_pc,0和多孔板结构尺寸DIM_plate共同确定。

如式3所示，对于供水间隔t2，此时已经切断供水，加速度导致的实际供水压力P'_w.in不会作用于升华器内部。升华器内部仅存在工质的相变消耗。如前所述，为保证升华器功能的稳定性，一般不建议供水间隔时间过长、导致间隔后升华器内部工质消耗完毕。

一般来说，供水间隔t2可以远大于t1和t3。这是由于水工质的相变潜热大，常温下蒸发潜热为2500kJ/kg，常规尺寸的水升华器内部存有100g液态水时，可维持300W散热量条件下工作13min以上。而供满100g水，仅需要10s左右。t2远大于t1和t3，也可以避免控制阀频繁开关，提高系统工作的可靠性。

进一步的，任务需求具体为：提供水升华器需要完成的任务提供的参数：热负荷温度、散热量需求、所处背压环境压力；热负荷温度、散热量需求和背压环境压力影响相变界面温度T_pc和相变界面背压P_pc,0的取值，改变工质消耗的质量流量m’_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)的取值，从而改变t1的取值范围。

S3、当水升华器停止供水t2时间，根据第三约束条件确定升华器的工作供水时间t3，第三约束条件为：

其中，m₁为工作过程的上一次供水之前升华器内部留存的液态工质。

如式4所示，对于升华器工作过程的供水时间t3，除考虑上述因素外，还需要与供水间隔t2、热负荷等综合确定。因为升华器已经经历过第一次供水，且经历了不供水、仅存在工质消耗的供水间隔时间t2，此时升华器内部存有一定量的液态工质(为保证升华器功能的稳定性，一般不建议供水间隔时间过长、导致间隔后升华器内部工质消耗完毕)。

式5中，m₁表示工作过程某次供水之前升华器内部留存的液态工质，由前一次供水结束后升华器内部液态工质总重量减去供水间隔时间t2内消耗的工质重量m_pc得出，供水间隔时间t2内消耗的工质重量m_pc由供水间隔时间t2、工质消耗的质量流量

决定。

S4、确定具体供水方案，开启水升华器，打开控制阀开始向其供水，时长为开启供水时间t1；关闭控制阀，停止供水，时长为停水间隔t2；再次打开控制阀，时长为工作供水时间t3；重复步骤S2和S3，按照t2和t3的值关断、打开控制阀，直到任务结束。

进一步的，确定具体供水方案的方法为：对t1、t2和t3的值在取值范围内取整，同时考虑控制计算机及控制阀的工程约束：计算机处理速度、阀门动作时间等。

综上所述，由于升华器工作过程复杂，t1与t2的确定过程也比较复杂，涉及供水质量流量

工质消耗的质量流量

而这两个参数与实际供水压力P'_w.in、相变界面温度T_pc、相变界面实际背压P_pc,0、供水流道结构参数DIM_fw、多孔板结构尺寸DIM_plate等多个因素有关。且不同次供水的t1、t3与t2相互耦合。除考虑上述理论影响因素，还应考虑工程实现过程的可靠性、工艺性等，例如应避免过于频繁开关控制阀等。因此，在使用本发明提供的供水控制方法时，可以采用上述理论计算与工程试验相结合的方法，共同获取相关参数。即，通过理论评估，确定t1、t2和t3的大致范围，然后结合地面试验数据，并考虑工程实现过程的其他约束，最终确定具体的值。

如图2(a)所示的航天器散热用水升华器系统，主要包含如下组成部分：贮箱、液体减压阀、控制阀、水升华器、供水管路。贮箱分为气侧、液侧两部分，由隔膜实现分离。在航天器发射前，贮箱气侧空间内充装有一定量的气体工质，开始启动水升华器时，打开控制阀，贮箱液侧的水工质受气体工质挤压，经液体减压阀进入水升华器，从而进行相变散热。

如图2(b)所示的水升华器结构，水升华器为平板型，主要由多孔板、给水腔和冷板三部分构成。水升华器启动后，液态水由供水管路依次流入给水腔和多孔板，其中，更靠近外部真空环境的一部分水工质在低压条件下迅速蒸发，该相变过程会吸收热量，使得后续水工质温度不断下降，直至在多孔板内形成固体的冰层，阻止水工质的进一步流入；冰在真空条件下直接升华吸热，在热负荷作用下，冰层逐渐消失，给水将再次进入多孔板开始蒸发，直至再次结冰，开始新的升华过程。理论上，当冷板内工质温度高于0℃时，冷板与多孔板冰层之间就会因为温差产生热交换：在给水腔侧，多孔板内的水工质受热发生蒸发/升华相变吸热现象，产生的水蒸汽不断排放至外环境；在流体回路侧，通过冷板的液体工质被冷却，温度降低。

液体减压阀的作用是将贮箱液侧流出的水工质所具有的较高压力降低至水升华器工作所需的合适压力范围，从而供给水升华器。液体减压阀输出压力(即供水压力)受限于水升华器的启动性能、稳态散热性能等因素，需维持在一定范围内。

但在水升华器实际使用过程中，空间复杂的力、热、压力等环境会对上述物理过程产生影响，从而改变水升华器的换热性能，诱发“击穿”现象，即水升华器在启动或稳定工作过程中，液态水没有经过凝固过程而直接穿过多孔介质进入真空环境。“击穿”会大大削弱水升华器的散热能力，降低水的利用率，严重影响水升华器的功能实现，甚至导致水升华器完全失效，从而影响航天器任务的执行。

以下从力、热、压力三方面介绍相关环境对水升华器影响的物理机制：

首先，空间力学环境的影响。空间力学环境主要包括振动、冲击以及加速度环境。考虑到发射段和着陆段通常不要求水升华器工作，因此，振动和冲击对于水升华器的影响可以暂时忽略，重点关注加速度环境的影响。加速度环境的影响机制为：由于向升华器供水的管路存在一定的长度，加速度环境会在供水管路内产生附加的压力，从而改变实际进入升华器的供水压力P'_w.in，即P'_w.in＝P_w.in+ρaL；其中，P'_w.in为实际的供水压力，P_w.in为无加速度时的供水压力，ρ为水工质密度，a为加速度，L为沿加速度方向的供水管路长度。

根据水升华器在飞行器上的布局状态和加速度环境，实际的供水压力存在升高与降低两种情况。如果供水压力升高，在较高供水压力作用下，冰层所处的界面更靠近多孔板的外侧，更有利于水蒸汽的排放，从而提升了升华速率；同时，增强了给水腔内液体工质的对流和扰动，增大了给水腔内的换热系数。因此，水升华器换热量会有一定程度的升高。

但供水压力过高容易引发“击穿”效应，导致功能失效。这是因为：对于启动过程，在较高的供水压力条件下，液态水流经给水腔和多孔板的速度更快，此时，结冰的位置更靠近外部环境。如果供水压力过大，那么水工质可能还来不及凝固，就直接以液态形式流出多孔板，即发生“击穿”现象；对于正常工作过程，如果供水压力突然增加，短期内由于多孔板内存在稳定的冰层，“击穿”风险不大，但是如果长时间维持过大的供水压力，可能导致水工质直接冲破冰塞，从而发生液态水直接流出多孔板的情况，即“击穿”。

其次，环境压力(背压)的影响。根据水升华器工作原理，水升华器在高真空条件(环境压力低)下，水工质的蒸发/升华相变吸热过程效率更高，利于散热，较高的背压则不利于水升华器的相变散热过程。在水升华器启动或稳定工作过程中，如果工作环境压力超过水的三相点压力(607.95Pa)，理论上液态水不可能形成固态冰，不能形成稳定的冰层，水升华器无法建立稳定的工作机制，只能以蒸发模式工作，则容易引起水升华器的“击穿”。如果环境压力低于607.95Pa，随着真空侧环境压力的增大，水工质的蒸发程度减弱，蒸发散热量减小，造成水工质的蒸发散热小于热负荷，导致水工质的真空侧温度难以迅速降至冰点，不易建立稳定的冰层(不能形成冰塞以阻止水的进一步流入)，水工质可能会直接流出多孔板，从而造成“击穿”，导致升华器失效。

在水升华器实际使用过程中，引起外部环境压力增加的原因主要有两点：其一，飞行器外部的大气环境，例如地球表面大气压力随海拔高度的减小而增大，在海拔50000m的大气压力约为60Pa，海拔35000m的大气压力约为600Pa；其二，为提高水升华器安装和布局的灵活性，可能要求水蒸汽通过管路结构排放至外部环境。工质在排放管路的流动过程中所产生的流动阻力相当于额外的背压环境。即，升华器工作时外部环境压力可表示为P_pc,0＝ΔP_outflow(Q,DIM_outflow)+P₀；其中，P_pc,0为升华器工作时外部环境压力；ΔP_outflow(Q,DIM_outflow)表示因排放管路产生的流阻，由热负荷Q、排放管路结构尺寸DIM_outflow决定；P₀表示排放管路出口的大气环境背压。

最后，热负荷环境的影响。热负荷环境温度对水升华器性能的影响分为两点：对启动的影响以及对稳态换热的影响。

对于启动过程，启动前，无论是升华器系统自身温度较高，还是流体回路侧工质温度较高，都会诱发“击穿”现象。因为启动过程初期，当水工质流入给水腔和多孔板时，首先液体工质会因为蒸发降温在多孔板内形成稳定的冰层。但是，如果给水腔温度过高，就会产生一个较大的瞬时换热量，且前期研究结果表明，水升华器启动瞬间，热容的瞬态传热量远大于稳态散热量，瞬态传热阻碍水的降温，对启动过程不利。因此，温度越高，热容越大，水升华器在启动过程越容易发生“击穿”，启动前较高的热负荷温度会增大“击穿”风险。

对于稳态换热，根据传热关系，水升华器稳态工作时，散热量可用冷、热侧之间工质的换热量表示。对于结构固定的水升华器，稳态工作过程中，热负荷至冰水界面之间传热路径的总热阻几乎不变。而稳态相变过程冷侧冰水界面可认为是均匀壁温，温度不变。因此热负荷温度越高，换热能力越大。但需要注意的是，在水升华器启动或稳定工作过程中，如果热负荷过大，以至于热负荷大于水工质的蒸发/升华相变散热量，真空侧水工质温度将难以迅速降至冰点，不能形成冰塞阻止水的进一步流入，多孔板内不易形成稳定的冰层，从而容易诱发“击穿”现象。

综上所述，在一定范围内，加速度导致供水压力越大、热负荷温度越大、外部压力越低，水升华器的换热量越大；但如果供水压力过高、热负荷温度过大、真空侧环境压力过大，则均容易引发水升华器“击穿”。从供水压力、热负荷温度对水升华器性能的影响规律可以看出，通过增大供水压力、提高热负荷温度等手段提高换热量的方式，都容易增大“击穿”的几率。即，强化换热与避免“击穿”之间是一对矛盾。

采用本发明提供的应对过载及背压环境的供水控制方法，可避免采用现有技术方案中持续供水引发的矛盾导致的水升华器“击穿”问题，实现稳定散热。这是因为：停水时间t2内，加速度导致的较大供水压力P'_w.in不会作用于升华器内部，从而大大降低因供水压力过高而引发“击穿”的风险；另外，通过t1和t3与t2的合理配置，可以保证升华器内部存有的液体工质量不会超过“击穿”上限，没有多余的液态工质穿出多孔板，从而避免发生“击穿”。

对于脉冲供水方式的实现，给水腔内的储水量是换热量的本质影响因素，外部影响因素为t1、t3与t2的取值。

为验证本发明的有效性，本发明实施例按照所述上文提到的供水控制方法和传统连续供水方法进行水升华器的对比实验。

首先，根据试验工况，利用前文提到的供水与停水时间的确定方法，综合考虑工程实现过程的可靠性，先确定一组固定时长的供水时间与停水时间进行控制的方式。本发明实施例中，启动供水时间t1和工作供水时间t3为10s，供水间隔时间t2为10min。

然后，进行水升华器加速度适应能力、热负荷适应能力及背压适应能力提升验证试验。试验过程中，采用脉冲式供水方式：在满足任务要求后，打开控制阀开始供水，10s时间后，关闭供水，停水10min时间后，再次开始供水，如此循环。接着，升高水升华器流体回路冷板入口温度，升温过程中保持上述间歇供水操作，考察水升华器的运行情况。

表1工作环境适应能力提升控制措施验证工况

注：

a.加速度适应能力验证试验中，采用大的供水压力等效加速度造成的影响；

b.背压适应能力验证试验中，采用更复杂、更长的管路等效恶劣背压的影响；

c.上述试验中，升高水升华器流体回路冷板入口温度，考察水升华器对热负荷适应能力。

1)水升华器加速度适应能力提升验证试验

水升华器加速度适应能力评估时，对单台水升华器在大供水压力下进行启动及运行测试。在流体回路工质温度15±1℃、流量150±2L/h、供水压力22～24kPa工况下进行水升华器启动，升高冷板入口温度至36℃。如图3所示的水升华器启动及运行情况，表明在供水压力22～24kPa工况下，整个试验过程中，水升华器功能正常。

2)水升华器背压适应能力提升验证试验

水升华器背压适应能力评估时，对三台水升华器进行联合启动及运行测试。在流体回路工质温度15±1℃、流量150±2L/h、供水压力12～15kPa工况下进行水升华器启动，升高水升华器入口温度至30℃，启动及联合运行情况如图4所示。由图4可知，在连接排放管路、入口温度15℃条件下三台水升华器启动正常，总散热为465W，入口温度30℃时，水升华器运行正常，没有发生“击穿”。

根据试验结果，采用“供水10s，停水10min”的脉冲式供水方案，单台水升华器试验过程，入口温度35℃高温、高供水压力22～24kPa等极端条件下，水升华器均没有发生“击穿”；入口温度15℃条件下，连接复杂排放管路的三台水升华器工作正常，总散热为465W。试验过程中，排放管路出口处环境压力约为80Pa，说明水升华器可以应对背压条件。

最后，发明人不采用本文提供的供水控制方法，而是采用常规持续供水方式，经试验得到的水升华器工作性能如下：

1)加速度影响。将加速度影响等效为25kPa的较大供水压力。对于相同结构的水升华器开展启动试验，采用常规的持续供水控制，在供水压力25kPa、流体回路工质流量150±2L/h、流体回路工质入口温度15℃条件下进行启动，发生“击穿”，启动失败。

2)背压影响。利用法兰进行水蒸汽收集，并通过排放管路进行水蒸汽排放，将排放管路内蒸汽流动阻力等效成的背压效果。考察背压环境对水升华器性能的影响。

对四种不同排放部件结构形式(见下表)的水升华器开展试验，考察背压对水升华器性能的影响，试验结果见图5。试验条件：供水压力15kPa、流量150L/h。

表2四种排放部件结构形式及参数

工况	状态	排放管参数
			工况1	无法兰	/
工况2	法兰带排放管1	Φ36mm*0.55m管
			工况3	法兰带排放管2	Φ36mm*0.95m管
工况4	法兰带排放管3	Φ36mm*1m管+Φ46mm*0.5m管

可以看到，当升华器连接上法兰与排放管路后，换热能力显著降低；并且随着排放管路的长度增加，换热能力下降。实验中还发现，对于存在法兰和排放管路的情况，在流体回路入口温度达到25～30℃就发生了“击穿”。而没有法兰和排放管路情况时，在33℃才发生“击穿”。这说明由于排放管路内蒸汽流动形成较高的背压，导致多孔板内不容易形成稳定的冰层，从而在更低的热负荷条件下发生“击穿”。

3)热负荷影响。流体回路进口温度对于水升华器性能的影响见图6。试验条件为：供水压力15kPa、流量150L/h，无法兰、无排放管路。在水升华器启动成功后，流体回路入口温度逐步升高至32℃时，换热器发生“击穿”，换热器出口温度立即升高。可以看出，“击穿”发生后，换热量大幅下降。

因此，本发明提出的方法使水升华器能够应对空间复杂的热、力、压力等工作环境，在避免发生“击穿”的前提下，实现较高的散热量。

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 (5)

1.一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1、当水升华器第一次供水时，根据第一约束条件确定所述水升华器的开启供水时间t1；

所述第一约束条件为：

t1≤t_tol

其中，t_tol为高压耐受时间，P'_w.in为实际供水压力，DIM_fw为供水流道结构参数，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，m′_fw(P'_w.in，DIM_fw)为供水质量流量，m′_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)为工质消耗的质量流量，m₀为所述水升华器内液态水工质的最大填充量，

为供水安全系数；

S2、当所述水升华器供水t1时间后，根据任务需求和第二约束条件确定供水间隔t2；

第二约束条件为：

其中，m'₀为前一次供水结束后升华器内部液态工质总重量，h_f为水工质的相变潜热，T_pc为相变界面温度，P_pc,0为相变界面背压，DIM_plate为多孔板结构尺寸，Q(T_pc,P_pc,0,DIM_plate)为散热功率，由所述相变界面温度T_pc、所述相变界面背压P_pc,0和所述多孔板结构尺寸DIM_plate共同确定；

S3、当所述水升华器停止供水t2时间，根据第三约束条件确定所述升华器的工作供水时间t3；

所述第三约束条件为：

m₁为工作过程的上一次供水之前升华器内部留存的液态工质；

S4、确定具体供水方案，开启所述水升华器，打开控制阀开始向其供水，时长为所述开启供水时间t1；关闭所述控制阀，停止供水，时长为所述停水间隔t2；再次打开所述控制阀，时长为所述工作供水时间t3；重复步骤S2和S3，按照t2和t3的值关断、打开所述控制阀，直到任务结束。

2.如权利要求1所述的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，其特征在于，当所述水升华器供水t1时间后，根据任务需求和第二约束条件确定供水间隔t2，所述任务需求具体为：

提供所述水升华器需要完成的任务提供的参数：热负荷温度、散热量需求、所处背压环境压力；所述热负荷温度、所述散热量需求和所述背压环境压力影响所述相变界面温度T_pc和所述相变界面背压P_pc,0的取值，改变所述工质消耗的质量流量m′_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)的取值，从而改变t1的取值范围。

3.如权利要求1所述的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，其特征在于，确定具体供水方案的方法是：

对所述t1、t2和t3的值在取值范围内取整，同时考虑控制计算机及控制阀的工程约束：计算机处理速度、阀门动作时间等。

4.如权利要求1所述的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，其特征在于，

所述供水质量流量m′_fw(P'_w.in，DIM_fw)由所述实际供水压力P'_w.in，所述供水流道结构参数DIM_fw共同决定；

所述工质消耗的质量流量m′_pc(T_pc，P_pc，0，DIM_plate)由所述相变界面温度T_pc、所述相变界面背压P_pc,0和所述多孔板结构尺寸DIM_plate共同决定。

5.如权利要求1所述的一种应对过载及背压的水升华器供水控制方法，其特征在于，所述供水安全系数

的取值范围为

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