重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹配方法
【专利摘要】本发明公开了一种重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹配方法。使用本发明能够科学、准确地获得充装量和储液器结构特征参数，流体回路能适应极宽温区的温度变化，保证流体回路正常运行，安全可靠。本发明首先基于最高、最低工作温度条件计算储液器体积和充装量，然后基于高温存贮条件校核步骤1计算结果的合理性，然后基于约束条件迭代求解储液器净空间尺寸，最后基于材料屈服和爆破性能计算储液器壁厚，最终获得满足流体回路运行要求、安装要求、恶劣环境要求的储液器结构尺寸和工质充装量。
【专利说明】重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器热控制【技术领域】，具体涉及一种重力驱动两相流体回路中储液 器和工质充装量的匹配方法。
【背景技术】
[0002] 在月球（或行星）着陆探测活动中，因月球表面昼夜温差大、探测器月夜期间无 电能，为解决探测器月夜生存的难题，采用重力驱动两相流体回路作为舱外同位素核热源 (RHU)与舱内设备间的热传输通道，从而实现舱内设备的月夜保温。两相流体回路系统组成 如图1所示，包括蒸发器1 (包括丝网蒸发器7、液体分流器8和蒸气汇流器9)、蒸气管路2、 冷凝管路3、储液器4、液体管路6和控制阀5,其中，冷凝管路3位于储液器4重力场上方， 蒸发器1位于储液器4重力场的下方、并与同位素核热源禪合安装，储液器4内液面和蒸发 器1底部之间形成重力辅助高度差；储液器4通过液体管路6连接至蒸发器1入口，在液体 管路6上设有控制阀5,蒸发器1出口依次通过蒸气管路2、冷凝管路3连接至储液器4,形 成封闭的管路系统。月夜期间，控制阀5打开，蒸发器1中的工质吸收同位素热源的热量并 相变成气体，气态的工质顺着蒸气管路2流至冷凝管路3中冷凝，经冷凝管路3将热量传导 至月面探测器设备后，气态的工质冷凝为液体，流入储液器4中，液态的工质在重力的作用 下，沿着液体管路6经控制阀5流入蒸发器中，形成导热回路，对天体探测器进行保温。月 昼期间，通过关闭控制阀5来关闭重力驱动两相流体回路，阻断同位素核热源的热量向探 测器内部传递。
[0003] 考虑到月昼/月夜极端变化的热环境（月昼120。月夜一18(TC)，两相流体回路 必须具备极宽温区的适应能力（-50?7(TC)。该就要求储液器和工质充装量之间形成精 确的匹配关系，使得系统内气液分布特征在整个工作温区内不发生明显的变化，既保证极 限高温工况下储液器内有足够的空间消除液体体积膨胀的影响，同时保证极限低温工况下 储液器内仍存有一定量的液体维持系统正常运行。否则，在高温时，当液体体积增大并超出 系统总体积时，管路将发生爆炸，引起严重的安全事故；而在低温时，若储液器内液体量不 足时，储液器和蒸发器气液界面之间的高度差（即驱动高度）下降，驱动能力随之降低，系 统存在运行失效的风险。因此，储液器和充装量的匹配设计，决定了流体回路系统的工作能 力，一定程度上影响了月表探测项目的成败。
[0004] 然而，工程上在对二者进行设计时，不仅需要考虑极宽温区的要求，还需要满足多 个设计接口的技术指标，例如不利姿态条件下具备正常工作的能力，结构安装和布局的限 巧||，体积和重量的优化等。同时，必须充分考虑可靠性和安全性，设计结果必须留有足够的 工程余量，W应对月表微重力（l/6g)条件下可能出现的各种恶劣工况。
[0005] 考虑到该问题的复杂程度，传统的设计方法已不再适用。因此，需要针对此问题建 立一套科学的设计方法，在复杂约束条件下准确完成设计参数的求解。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹 配方法，能够科学、准确地获得充装量和储液器结构特征参数，流体回路能适应极宽温区的 温度变化，保证流体回路正常运行，安全可靠。
[0007] 本发明的重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹配方法，包括如下步 骤：
[0008] 步骤1，基于最高、最低工作温度条件计算储液器体积和充装量：
[0009] 本步骤中，根据式（1)和式（2)求解储液器体积V。。和工质充装质量m :
[0010] P 1. high (Vcc+Vll) + P V. high (VEV+VvL+Vcond) = ^ (D
[00川 P 1. low (VLL+VEV+VvL+Vc0nd+ 目 VCC) + P V. low a-目）VcC= m 似
[001引其中，Pi.Mgh为最高工作温度时液态工质的密度，P Y.high为最高工作温度时气态 工质的密度；P 1.1。，为最低工作温度时液态工质的密度，P Y.1。，为最低工作温度时气态工质 的密度；Vll为液体管路体积，V W为蒸发器体积，V 为蒸气管路体积，V 为冷凝管路体积， 目为最低工作温度时储液器中液态工质体积百分比；所述最高工作温度和最低工作温度 为热控技术要求的温度；
[0013] 步骤2,基于高温存胆条件校核步骤1计算结果的合理性：
[0014] 本步骤中，将步骤1计算获得的储液器体积V。。和工质充装质量m代入公式（3)中， 如果公式（3)成立，则转入步骤3,否则，改变外回路的结构参数或热控技术要求，返回步骤 1 ;
[00巧]P 1. lim (VlI+VEV+VvL+Vcond+Vcc) > m 做
[001引其中，P 1. lim为极限高温存胆温度对应的液态工质的密度；
[0017] 步骤3,基于约束条件迭代求解储液器净空间尺寸：
[0018] 本步骤中，首先基于步骤1确定的储液器体积V。。和储液器安装位置约束获得储液 器的高度D、半径R的初步范围然后根据姿态适应性约束和运行稳定性约束将储液器的 高度D、半径R的范围由Fi缩小为F 2;其中，姿态适应性约束条件为 (4)
[001 引
[0020] 运行稳定性约束条件为 (5)
[0021]
[0022] 其中，Hi为水平姿态下储液器液面和蒸发器底部的高度差，0为月面倾斜角，a为 蒸发器中也轴和储液器中也轴的距离，Ki为工程上允许的驱动高度最大变化量，K 2为温度 引起的驱动高度的最大变化量，p(TmJ为最高工作温度Tm"时的液态工质的密度为液 态工质密度P对温度T的微分；
[0023] 如果储液器安装位置约束、姿态适应性约束和运行稳定性约束能够同时满足，贝U 转入步骤4,否则，改变外回路的结构参数或热控技术要求，返回步骤1 ;
[0024] 步骤4,基于材料屈服和爆破性能计算储液器壁厚：
[00巧]本步骤中，从步骤3中计算获得的储液器的高度、半径范围F2中选择一个半径，并
【权利要求】
1. 一种重力驱动两相流体回路中储液器和工质充装量的匹配方法，所述重力驱动两相 流体回路由蒸发器、蒸汽管路、冷凝管路、储液器、控制阀和液体管路组成，其中，除储液器 以外的部件组成外回路，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，基于最高、最低工作温度条件计算储液器体积和充装量： 本步骤中，根据式（1)和式（2)求解储液器体积V。。和工质充装质量m: PI.high(Vcc+Vll) +PV.high(Vev+VvL+Vc〇nd)-m (I) PI.low(vLL+vEV+vVL+vCond+ ^VCC) +Pv.low( 1 _ ^ )VCC=m (2) 其中，Phhigh为最高工作温度时液态工质的密度，Pv.high为最高工作温度时气态工质 的密度为最低工作温度时液态工质的密度，Pv.lOTt为最低工作温度时气态工质的密 度；V为液体管路体积，Vev为蒸发器体积，V%为蒸气管路体积，Vemd为冷凝管路体积，3为 最低工作温度时储液器中液态工质体积百分比；所述最高工作温度和最低工作温度为热控 技术要求的温度； 步骤2,基于高温存贮条件校核步骤1计算结果的合理性： 本步骤中，将步骤1计算获得的储液器体积V。。和工质充装质量m代入公式（3)中，如果 公式（3)成立，则转入步骤3,否则，改变外回路的结构参数或热控技术要求，返回步骤1 ; PI.Iim(VLL+VEV+VVL+VC-+VCC) >m ⑶ 其中，Pllim为极限高温存贮温度对应的液态工质的密度； 步骤3,基于约束条件迭代求解储液器净空间尺寸： 本步骤中，首先基于步骤1确定的储液器体积V。。和储液器安装位置约束获得储液器的 高度D、半径R的初步范围F1，然后根据姿态适应性约束和运行稳定性约束将储液器的高 度D、半径R的范围由F1缩小为F2;其中，姿态适应性约束条件为
其中，氏为水平姿态下储液器液面和蒸发器底部的高度差，0为月面倾斜角，a为蒸发 器中心轴和储液器中心轴的距离，K1为工程上允许的驱动高度最大变化量，K2为温度引起 的驱动高度的最大变化量，P(Tmax)为最高工作温度Tmax时的液态工质的密度， 工质密度P对温度T的微分；
如果储液器安装位置约束、姿态适应性约束和运行稳定性约束能够同时满足，则转入 步骤4,否则，改变外回路的结构参数或热控技术要求，返回步骤1 ; 步骤4,基于材料屈服和爆破性能计算储液器壁厚： 本步骤中，从步骤3中计算获得的储液器的高度、半径范围&中选择一个半径，并代入 下面两个公式计算储液器壁厚：
其中，Sa2为最高工作温度时储液器材料的屈服安全系数；Sb为最高工作温度时储液器 材料的爆破安全系数；O〇_2为最高工作温度时储液器材料的屈服强度；Ob为最高工作温度 时储液器材料的抗拉强度；S为储液器壁厚；Pmax为最高工作温度时工质的饱和压力；P 为焊缝系数； 联立公式出）、（7)获得的最小壁厚即为储液器的壁厚； 则工质充装质量为步骤1获得的工质充装质量m，储液器尺寸为步骤4中确定的储液器 半径、以及该半径对应的储液器高度和壁厚尺寸。
2.如权利要求1所述的流体回路储液器和工质充装量匹配方法，其特征在于，@ = 10%。
【文档编号】G06F17/50GK104504176SQ201410720817
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张红星, 苗建印, 何江, 王录 申请人:北京空间飞行器总体设计部