重力驱动两相流体回路相容性试验方法
【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相容性试验方法。
【背景技术】
[0002]两相流体回路技术是近二十年来国内外重点发展的航天器热控制技术，主要包括环路热管技术、机械泵驱动两相流体回路技术、重力驱动两相流体回路技术等。在月球(或行星)着陆探测活动中，探测器面临着昼夜温差大的热控挑战，为确保探测器安全度过月夜，采用同位素核热源+重力驱动两相流体回路的热控设计，重力驱动两相流体回路的系统组成如图1所示，包括蒸发器I (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I位于储液器4重力场的下方、并与同位素热源耦合安装，储液器4内液面和蒸发器I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I入口，在液体管路6上设有控制阀5，蒸发器I出口依次通过蒸气管路2、冷凝器管路3连接至储液器4，形成封闭的管路系统。为确保重力驱动两相流体回路在-50°C?70°C温度范围内具有良好的传热特性，选择氨作为工作介质。月夜期间，打开控制阀5，启动重力驱动两相流体回路，蒸发器I中的氨工质吸收同位素热源的热量并蒸发成气体，气态的氨工质顺着蒸汽管路2扩散至冷凝管路3中，经冷凝管路3将热量引入探测器内部，气态的氨工质散热变为液体，流入储液器4中，液态的氨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I中，形成导热回路，对天体探测器进行保温。月昼期间，关上控制阀5，关闭重力驱动两相流体回路，阻断同位素核热源向探测器内部传递热源，同位素核热源的热量只能通过自身的热辐射向外散失，从而使得同位素核热源在月昼期间温度高达250°C?260°C，与之耦合的两相流体回路蒸发器I的温度同样也高达250°C?260°C。
[0003]氨与氮气、氢气间存在着合成和分解的可逆反应，通过文献调研可知，在130°C以下氨分解产生氮气和氢气的量非常小，可以忽略，270°C时氨少量分解，分解反应平衡后生成氮气和氢气的体积分数之和为1.5%，而没有检索到250°C?260°C温度范围内的分解率，但是根据270°C时的分解特性来看，250°C?260°C温度范围内分解量不可忽略。重力驱动两相流体回路的回路材质为022Crl7Nil2Mo2不锈钢，镍元素含量为10%?14%，氨与022Crl7Nil2Mo2不锈钢不发生化学反应，两者相容，但在250°C?260°C高温、且镍作催化剂的条件下，氨的分解速率将加快，分解成不溶解于液态氨的氮气和氢气，本发明将这种不溶解于工质的杂质气体统称为不凝气体。随着两相流体回路的运行，不凝气体(氮气和氢气)将逐渐聚集在储液器内，形成不凝气体的分压力，导致系统压力升高，蒸发器相变温度升高，从而导致同位素核热源的温度升高，同位素核热源月夜期间向外辐射的热源增大，因其发热量不变，从而导致通过重力驱动两相流体回路传入探测器内部的热量减小，不利于探测器的热控设计。
[0004]为评估不凝气体对重力驱动两相流体回路系统工作特性的影响，进而分析对探测器热控的影响，需要开展氨在022Crl7Nil2Mo2不锈钢作催化剂条件下的分解特性研宄，这就是本发明所说的相容性问题。
[0005]传统上航天器热控采用的两相流体回路技术，系统各部件的温度通常不超过100°C，因此以氨为工质的两相流体回路通常不考虑氨在回路材质(含镍元素等)作催化剂条件下分解产生不凝气体的问题。文献中也未看到关于两相流体回路系统内工质与回路材质间相容性问题的研宄。通常来讲两相流体回路的相容性研宄，即对两相流体回路施加在轨经历的温度、压力等边界条件并维持一定的任务周期，然后测试生成的不凝气体量，进而对不凝气体量对系统传热特性的影响进行分析和验证。对于本发明所述的重力驱动两相流体回路，如果按照上述的方法开展相容性的研宄，存在如下问题:
[0006](I)蒸发器的高温边界条件难以模拟。如果直接采用同位素核热源开展试验，将存在核辐射的隐患。虽然可以根据蒸发器的结构，研制通过电加热等方式获取热量的电模拟热源，但需要研制耐高温(250°C?260°C)的电模拟热源，此外还需要采取措施降低高温下热源的漏热问题。
[0007](2)两相流体回路内生成的不凝气体无法直接测试。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明提供了一种重力驱动两相流体回路相容性试验方法，能够有效模拟重力驱动两相流体回路氨工质在高温、镍做催化剂情况下的分解过程，判断重力驱动两相流体回路的相容性。
[0009]本发明的重力驱动两相流体回路相容性试验方法，包括如下步骤:
[0010]步骤1，采用等效模拟试验件模拟月昼期间重力驱动两相流体回路的氨工质分解；其中，等效模拟试验件为密闭、中空的一体成型的重力热管，等效模拟试验件分为三段:储液部件、连接管路和高温烘烤组件，其中，连接管路一端与储液部件相连，另一端与高温烘烤组件相连，等效模拟试验件的材质与重力驱动两相流体回路的材质相同，等效模拟试验件中充装与重力驱动两相流体回路一致的工质；
[0011]其中，高温烘烤组件的管路容积不小于重力驱动两相流体回路的蒸发器的管路容积，高温烘烤组件的管路内表面积不小于蒸发器的管路内表面积，高温烘烤组件中填充的丝网的规格尺寸与蒸发器中丝网相同；
[0012]连接管路的管路截面不小于重力驱动两相流体回路的蒸气管路、冷凝管路以及液体管路中管路截面的最大值，连接管路的长度小于重力驱动两相流体回路蒸气管路和冷凝管路的长度之和；
[0013]储液部件的气空间容积与连接管路的容积之和不小于重力驱动两相流体回路蒸气管路、冷凝管路、液体管路的容积与储液器的气空间容积之和；
[0014]将等效模拟试验件中连接管路连接储液部件的一段弯曲，储液部件的高度低于高温烘烤部件；
[0015]步骤2，将等效模拟试验件的高温烘烤组件段放置在高温烘烤炉内，使其温度维持在250°C?260°C范围内；
[0016]步骤3，将等效模拟试验件的连接管路进行加热控温，使其温度高于重力驱动两相流体回路中蒸气管路、冷凝管路和液体管路的最高温度；
[0017]步骤4，对等效模拟试验件的储液部件进行控温，使其温度与重力驱动两相流体回路月昼期间储液器的温度变化过程相同；
[0018]步骤5，维持储液部件、连接管路和高温烘烤组件的控温14个地球日；
[0019]步骤6，将等效模拟试验件按照重力热管测试不凝气体的方法进行不凝气体量的测试，得到氨工质在月昼期间分解产生的不凝气体量；
[0020]步骤7，根据步骤6获得的不凝气体量，向重力驱动两相流体回路中充入相同物质的量的高纯氮气；对重力驱动两相流体回路进行传热特性测试，将不凝气体充装前后蒸发器的温度增加量与蒸发器允许的温度增加量进行比较，判断月昼期间氨工质与重力驱动两相流体回路材质是否相容:如果不凝气体充装前后蒸发器的温度增加量小于蒸发器允许的温度增加量，则氨工质与重力驱动两相流体回路材质相容；反之，则不相容。
[0021]有益效果:
[0022]本发明采用等效模拟试验件对月昼期间重力驱动两相流体回路氨工质的分解过程进行模拟，通过测量氨工质产生的不凝气体量，有效判断重力驱动两相流体回路的相容性，试验方法快捷、方便。
[0023]本发明采用高温烘烤炉对等效模拟试验件的高温烘烤部件段进行加热，用于模拟月昼期间蒸发器的高温，实现方法简单、安全。
[0024]本发明可以直接采用重力热管不凝气体测试方法测量氨工质在月昼期间产生的不凝气体量，能方便地对重力驱动两相流体回路的相容性进行判断。
[0025]本发明采用向重力驱动两相流体回路充装高纯氮气的方式替代由氮气、氢气混合组成的不凝气体，充装方式简单可行，避免充装两种气体时造成的误差。
【附图说明】
[0026]图1为重力驱动两相流体回路的系统组成示意图。
[0027]图2为相容性等效模拟试验件的