本发明涉及一种空间用超导电缆低温系统，属于航天热控。
背景技术：
1、随着航天器规模增大、性能增强和功能拓展，其运行功率将会从百千瓦级上升至兆瓦级甚至吉瓦级，同时供电电压达到兆伏级，使用传统铜导体电缆电力传输系统的能源损耗、体积和重量将难以接受，而超导电缆在临界温度以下具有零电阻、高载流密度和大容量传输等优势，可进行无损耗电力传输，在相同情况下，由其构成的电力传输系统重量只有传统铜质电缆的4％左右，十分适合在未来空间应用中进行大规模电流传输，极具空间应用潜力。
2、目前，商业化超导电缆的运行温度通常在液氮温区，且在工作时存在严重漏热。一是超导电缆两端与常温传统电缆的过度区域存在很高的温度梯度，导热漏热较大，其次，电缆中间段与常温环境存在辐射漏热。因此，必须为超导电缆提供稳定的低温条件，确保其正常工作。现有针对地面超导电缆的低温系统已十分成熟，主要以液氮蒸发的直接冷却和基于制冷机的间接冷却两种方案。
3、液氮蒸发冷却是将超导电缆直接安装在含有过冷液氮的管道中，利用液氮的相变吸热过程提供低温环境，同时将气态工质排出，需配备大型液氮罐进行补给以维持低温环境。基于制冷机的间接冷却系统是以制冷机为冷源、低温泵驱动液态工质将制冷机的冷量输送至超导电缆以提供低温环境，同时变为气态的工质将回到制冷机重新冷却液化后再次回到系统中参与循环。此外，结合不同制冷方案还衍生出混合制冷系统，包括制冷机与液氮蒸发混合以及制冷机与制冷机混合等方案。
4、针对地面应用，现有的超导电缆低温系统主要有以下几种：
5、(1)机械制冷机与机械泵驱动的低温管道输送的冷却装置。专利“zl200520022781.0用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置”针对地面应用的高温超导电缆提出了一种以抽真空液氮减压制冷机或机械闭式制冷机为冷源、低温液体泵为动力源将过冷液氮输送至超导电缆低温容器中的方式。该装置的体积重量大、关键部件气液分离器、液氮泵无法适用于空间微重力环境，因此该冷却装置不适用于空间用超导电缆。
6、(2)以低温流体为工质的消耗式冷却装置。专利“zl201210548114.0冷却用于超导电缆的设备的方法”针对地面应用提出了一种以液氮为工质的超导电缆冷却方法，需要在运行过程中不断补充液氮罐中的液氮储量，在轨无法补给，难以长期使用，无法满足空间应用的免维护需求。
7、空间用超导电缆低温系统必须满足如下要求：
8、(1)航天器平台对低温系统的重量、体积、能源消耗、低振动、可靠性有严苛限制要求。
9、(2)必须适应免维护、不可维修情况下的在轨长寿命运行场景；
10、(3)必须适应发射过程力学、在轨高真空、微重力、交变热环境等典型空间任务环境。
11、现有方案所使用的消耗式制冷方案和依赖重力进行气液相分离的冷却方案无法适用于卫星在轨环境，目前，在可查的公开报道中，国内外还未建立针对空间应用的超导电缆低温系统，，且也尚未发现在相关领域的研究成果。因此，本领域技术人员致力于开发一种空间用超导电缆低温系统，该系统能够充分发挥制冷机大冷量获取和两相热传输系统远距离大冷量输运的优势，能够实现空间环境下超导电缆对低温系统的需求，以填补在空间超导电缆领域的技术空缺，并支持未来超导电缆在空间环境中开展大规模应用。
技术实现思路
1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适应微重力环境的空间用超导电缆低温系统，能为超导电缆提供稳定和均匀的低温环境，同时还能满足超导电缆的远距离柔性连接等特殊需求。
2、本发明的技术解决方案是：
3、本发明公开了一种空间用超导电缆低温系统，包括：若干低温模块和超导电缆；超导电缆包括第一电缆接头、超导缆线和第二电缆接头；
4、所述低温模块，包括制冷机和深冷环路热管；
5、深冷环路热管为封闭连通管路，管路内充注低温工质；
6、深冷环路热管，包括次储液器、次蒸发器、主蒸发器、主储液器、主蒸汽回路、次液体管线、次冷凝器、主冷凝器、次蒸气管线和主液体管线；其中，
7、第一电缆接头和第二电缆接头分别与次蒸发器和主蒸发器连接；制冷机与主冷凝器和次冷凝器连接；次蒸发器和主蒸发器通过主蒸汽回路连接；次储液器和主储液器通过次液体管线连接；次蒸发器和次冷凝器通过次蒸气管线连接；主冷凝器和主储液器通过主液体管线连接；主蒸发器和主储液器连通；次蒸发器和次储液器连通；
8、制冷机用于对封闭连通管路内的低温工质进行冷却，实现对超导电缆的冷却；
9、若干低温模块的主液体管线依次与超导缆线耦合连接，实现对长距离超导电缆的冷却。
10、进一步地，在上述系统中，制冷机产生的冷量传递至主冷凝器和次冷凝器中，使主冷凝器和次冷凝器中的气体工质发生液化并积聚在内部；次储液器和次蒸发器内部汇聚液态工质；当液态工质达到一定量时，次蒸发器启动工作，驱动次蒸气管线的气态工质达到主冷凝器；将聚集于主冷凝器内部的液态工质沿着主液体管线向主储液器和主蒸发器传输；主蒸发器内部的液态工质达到一定量时，主蒸发器启动工作，驱动主蒸汽回路的气态工质到达主冷凝器，遇冷液化；深冷环路热管内部工质实现循环工作，对超导电缆进行冷却。
11、进一步地，在上述系统中，深冷环路热管，还包括储气室，通过主蒸汽回路与主蒸发器连接，与深冷环路热管内的气体工质连通，降低压力，防止超压。
12、进一步地，在上述系统中，通过主蒸发器和次蒸发器对第一电缆接头和第二电缆接头进行冷却，通过主液体管线对超导缆线进行冷却。
13、进一步地，在上述系统中，主蒸发器和次蒸发器内部均设有槽道以及多孔材料构成的微纳孔径毛细结构；当次蒸发器或主蒸发器内部的过冷工质达到一定量时，微纳孔径毛细结构被过冷工质浸润达到启动条件时，启动工作使内部的液态过冷工质发生相变。
14、进一步地，在上述系统中，制冷机，包括压缩机和制冷端；制冷端与主冷凝器之间、制冷端与次冷凝器之间采用焊接、螺钉连接、粉末冶金、冷链连接或一体化加工成型方式连接，压缩机对制冷端进行制冷。
15、进一步地，在上述系统中，
16、所述超导缆线，包括缆线、绝缘层和低温多层隔热组件；其中，缆线采用同轴共绕工艺缠绕于主液体管线上；缆线包括第一缆线和第二缆线，绝缘层采用同轴套接的方式对第一缆线和第二缆线进行隔离；缆线外侧包裹低温多层隔热组件。
17、进一步地，在上述系统中，主蒸发器和次蒸发器分别与第一电缆接头和第二电缆接头之间采用焊接、螺钉连接或粉末冶金连接，或采用一体式加工成型。
18、进一步地，在上述系统中，
19、根据不同超导电缆长度，采用单台或多台制冷机并联，以满足不同冷量需求。
20、进一步地，在上述系统中，所述深冷环路热管内的低温工质选用氦、氢、氖、氮或氧。
21、本发明与现有技术的有益效果在于：
22、(1)本发明采用超导电缆与空间冷量获取、空间冷量传输以及空间隔热装置的一体化耦合方案，通过冷量获取装置作为系统冷源，空间冷量传输装置将冷量传输至电缆接头、缆线等位置，为超导电缆提供低温工作环境并确保电缆温度均匀，空间隔热装置降低系统对外辐射漏热和传导漏热。所采用的冷量获取和冷量传输方案均为闭式系统，能够适应在轨微重力和发射力学环境，具有免维护、可靠性高、长寿命、重量体积可控等优势，解决了地面超导电缆的低温系统在空间环境下维护困难、可靠性不足、寿命短以及重量体积难以控制等问题。
23、(2)本发明采用超导电缆与制冷机、深冷环路热管相互耦合的方式为超导电缆提供低温工作环境，具有传输效率高、可靠性高、温度均匀性好的优点。工质可以根据超导电缆材料进行选择，可实现4.2～120k的冷量传输需求，适用于高温超导和低温超导的工作需求。
24、(3)本发明采用低温脉管制冷机、基于气浮轴承的逆布雷顿制冷机作为空间冷量获取装置，并根据不同超导电缆长度需求，采用单台或多台并联制冷机组以满足不同冷量需求。上述制冷机均为机械式制冷机，由压缩机和制冷端构成，压缩机与制冷端产生的废热通过航天器辐射器以辐射方式向空间热沉排散，能够适应空间微重力环境，具有振动低、可靠性高的优点，可为空间超导电缆持续提供4.2k～120k温区的低温工作环境。
25、(4)本发明采用能够适应微重力和逆重力的毛细驱动深冷环路热管，通过基于表面张力主导的气液分布控制方法可适应空间微重力环境；深冷环路热管为封闭模块，能够实现冷量的高效传输，其内部传热工质可以选用氧、氮、氖、氢、氦等工质，能够适应80k、35k、20k、4.2k等不同温区，采用微纳孔径毛细力可实现10m级的小温差高效热传输。相对机械泵驱动两相流体回路，基于毛细力驱动的深冷环路热管能够节省能源消耗，具有可靠性高、低振动、无能耗需求等优势，能在微重力环境下实现对热量的收集与运输，同时满足超导电缆自由摆动需求，可以实现空间超导电缆废热的收集和传输功能
26、(5)本发明针对空间热环境特点，使用低温多层隔热组件和低温固体隔热部件等低温隔热技术，减小系统向外界的导热漏热和辐射漏热。在整个系统外侧包裹适用于低温区的特种设计低温多层隔热组件，如凸纹型反射屏多层、中空玻璃微珠间隔层多层等，能够适应80k以下低温工作环境。低温系统和相连的常温平台之间采用低温固体隔热部件以削弱热传导对低温系统的影响。另外，针对超导电缆需隔空安装的场景，可采用凯夫拉绳等低温柔性连接部件以削弱热传导，解决了空间超导电缆的漏热抑制问题，并可实现缆线自由摆动的需求。
27、(6)本发明采用的深冷环路热管具有传热距离远、温差小、无机械活动部件，适应微重力环境等特点。其管线一般为毫米级不锈钢，可根据实际需求进行布置，应用形式灵活多变，特别适用于解决航天器“点对点”式热传输问题。在现有技术中，采用双回路双蒸发器结构形式的深冷环路热管，其发展成熟，已完成在轨验证。在该结构中，主次蒸发器可相距一定距离分隔布置，能够将周围热量以工质潜热形式传输至冷凝器，并以辐射形式排出。而液体管线在工作过程中始终处于低温状态，可提供细长的带状低温区。
28、(7)本发明采用深冷环路热管作为一体化耦合方案的冷量传输装置，能够充分利用深冷环路热管的双蒸发器分隔布置、低温气液管线的特点，实现不同热量输运的分工设计。超导电缆两端的电缆接头从低温向常温的漏热量大，深冷环路热管的蒸发器传输能力强，因此两端电缆接头分别与深冷环路热管的主蒸发器和次蒸发器耦合，与次蒸发器耦合的电缆接头漏热能够很好的用于超临界启动和辅助运行，系统启动后，电缆接头的漏热通过工质潜热的形式被带走。将低温液体管线与缆线耦合，液体管线形成的带状低温区能够实现对缆线的冷却。将深冷环路热管特点与超导电缆发热特性相匹配，最大程度上提升系统能源利用率，保证超导电缆的温度均匀性，能够满足航天器平台对低温系统的重量、体积、能源消耗的严苛限制要求。
29、(8)本发明通过对深冷环路热管中的冷凝器过冷段和过冷度进行设计，能够与缆线的漏热量相匹配，确保超导电缆整体温度均匀性。低温段电缆的漏热量主要是环境向低温的寄生漏热，漏热量相对小，采用低温液体管线与电缆缆线相耦合的方式，将缆线缠绕于主液体管线外壁上，同时在最外侧包裹低温多层隔热组件，通过冷凝器流出到主液体管线的过冷液体实现对线缆的冷却，保证超导电缆的温度均匀性。同时，缆线与液体管线的耦合结构具备一定柔性，便于进行星上布局并满足缆线的摆动需求。
30、(9)本发明空间用超导电缆低温系统采用制冷机为低温冷源，深冷环路热管实现低温热收集与传输，同时采用低温多层隔热组件和低温固体隔热部件等低温隔热技术以减小寄生漏热。在结构上，根据实际的物理约束，对制冷机和冷凝器以及电缆接头和蒸发器之间进行耦合设计。冷凝器与制冷端的耦合连接可以采用焊接、螺钉连接、粉末冶金、冷链连接或一体化加工成型等方式。电缆接头一般为截头圆锥状，可将适配大小的圆柱型蒸发器内嵌入其内部，并采用焊接、螺钉连接、粉末冶金、冷链连接，或采用一体式加工成型等方式连接。上述耦合连接结构能够实现均匀稳定的热量传导。缆线与液体管线之间可以采用同轴共绕工艺，将缆线缠绕于液体管线上，同时在最外侧包裹低温多层隔热组件以降低空间辐射的影响。
31、(10)本发明单个空间冷量获取、空间冷量传输以及空间隔热装置的耦合模块能够为十米级电缆提供低温工作环境。针对长距离空间超导电缆的应用需求，本发明具有模块化拓展功能。可根据实际应用需求灵活配置，依据航天器内超导电缆的走向、布局、缆线支撑位置进行适应性设计，研制满足不同冷量需求的短距离空间用超导电缆低温系统，并进行封装和接口设计，实现模块化组合，这种设计允许通过安装多组低温系统模块，为百千米级超导电缆提供稳定、均匀的低温工作环境，同时还实现了便捷安装和低成本维护，可解决未来长距离空间超导电缆的热管理问题。
32、(11)当使用该系统进行模块化扩展时，针对超导电缆两端接头发热量较大的特点，可将电缆接头与低温模块系统中的距离制冷端更近的次蒸发器耦合，确保冷量高效利用。针对缆线中间段热耗较低的特点，可根据超导电缆长度和缆线支撑位置，布置多组串联的模块化低温系统。缆线支撑位置的局部寄生漏热较大，将低温模块的耦合位置与缆线支撑位置相匹配，支撑位置的寄生漏热能够用于超临界启动和辅助运行，并在系统启动后通过低温模块的蒸发器排散。该模块化设计允许通过安装多组低温系统模块，为百千米级超导电缆提供稳定均匀的低温工作环境，同时还能实现便捷安装和低成本维护。