“國際空間站”載荷機(jī)柜熱控設(shè)計特點(diǎn)分析

(北京空間飛行器設(shè)計總體部，空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

載荷機(jī)柜是空間站等大型載人航天器的重要組成部分，它主要為試驗(yàn)載荷提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)、電、熱和環(huán)境接口，確保載荷可靠工作?！皣H空間站”(ISS)載荷機(jī)柜主要布置在命運(yùn)號美國實(shí)驗(yàn)艙(Destiny USL)、日本希望號實(shí)驗(yàn)艙(JEM)和哥倫布實(shí)驗(yàn)艙(APM)中，共計30余個，比如Destiny USL中的材料科學(xué)機(jī)柜(MSSR)和燃燒試驗(yàn)的機(jī)柜(CIR)，APM中的流體科學(xué)試驗(yàn)機(jī)柜(FSL)等[1-3]。“國際空間站”載荷機(jī)柜技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并取得了可觀的試驗(yàn)成果。

根據(jù)規(guī)劃，我國空間站3個艙共設(shè)計載荷機(jī)柜20余個，除少數(shù)布置在核心艙外，其余布置在實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ，作為開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的平臺。開展載荷機(jī)柜相關(guān)技術(shù)研究是目前我國的一項(xiàng)迫切任務(wù)，熱控技術(shù)是載荷機(jī)柜技術(shù)的重要組成部分，是載荷試驗(yàn)正常開展的前提。本文研究了ISS載荷機(jī)柜的熱控設(shè)計，梳理出載荷機(jī)柜熱控設(shè)計的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，對我國空間站載荷機(jī)柜熱控設(shè)計提出了建議。

1 ISS載荷機(jī)柜熱控設(shè)計及分析

ISS載荷機(jī)柜熱控設(shè)計包括載荷流體回路(簡稱回路)設(shè)計、機(jī)柜內(nèi)熱控設(shè)計及單機(jī)設(shè)計3個層次。

1.1 載荷回路設(shè)計

ISS配備電池回路用于電源系統(tǒng)的散熱，ISS的內(nèi)回路主要用于載荷機(jī)柜的散熱和濕度控制。

DestinyUSL和JEM配置中溫內(nèi)回路和低溫內(nèi)回路兩條，兩條回路分別通過換熱器與外回路耦合，且可跨接運(yùn)行[4-6]，如圖1所示。載荷機(jī)柜可以根據(jù)散熱需求，靈活選擇中溫回路接入，低溫回路接入和中、低溫回路同時接入的方式。哥倫布實(shí)驗(yàn)艙僅設(shè)計一條單相內(nèi)回路，通過中溫、低溫?fù)Q熱器與外回路耦合，通過冷凝換熱器實(shí)現(xiàn)密封艙的濕度控制，回路上的兩級三通閥保證了載荷機(jī)柜散熱的供液溫度，如圖2所示。

注：紅色代表中溫回路，藍(lán)色代表低溫回路。圖1 命運(yùn)號美國實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)回路Fig.1 Destiny USL inner fluid loop

圖2 哥倫布實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)回路

此外，為了降低回路的系統(tǒng)阻力，提高載荷機(jī)柜運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)供液流量的靈活調(diào)節(jié)，3個實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)回路中都采用載荷機(jī)柜并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且在機(jī)柜回液口設(shè)置了流量控制組件(RFCA)。3個艙的載荷回路可以為載荷機(jī)柜提供的供液溫度、供液流量及散熱能力見表1[7-9]。

表1 載荷機(jī)柜與回路熱接口

1.2 載荷機(jī)柜內(nèi)部熱控設(shè)計

機(jī)柜內(nèi)部熱控設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)各載荷設(shè)備熱量的收集和傳輸。機(jī)柜內(nèi)部散熱方式主要有：①回路散熱；②通風(fēng)散熱；③“回路+通風(fēng)”綜合散熱[10-13]。散熱方式的選擇主要取決于載荷散熱特點(diǎn)以及載荷回路的接口要求，通常回路散熱方式應(yīng)用于大熱耗的載荷，而通風(fēng)散熱方式應(yīng)用于小熱耗的載荷。APM的FSL機(jī)柜和Destiny USL的CIR機(jī)柜均采用了“回路+通風(fēng)”的綜合散熱方式。

圖3為CIR機(jī)柜熱控設(shè)計，其中回路系統(tǒng)采用并聯(lián)回路設(shè)計，回路1用于平臺設(shè)備和通風(fēng)系統(tǒng)散熱，回路2用于載荷的散熱；通風(fēng)散熱系統(tǒng)通過通風(fēng)流場組織實(shí)現(xiàn)載荷熱量的收集，熱量最終通過氣液換熱器耦合到回路1帶走[14]。

圖3 CIR機(jī)柜熱控設(shè)計Fig.3 Thermal system of CIR

1.3 模塊化熱控設(shè)計

載荷機(jī)柜隨空間站長期運(yùn)行，熱控設(shè)備應(yīng)支持在軌快速組裝、維修更換。模塊化設(shè)計有利于提高熱控設(shè)備的集成度，減少對空間、重量、接口等資源的占用，保證設(shè)備的快速安裝。同時模塊化設(shè)計是維修性設(shè)計的基礎(chǔ)。

圖4為Destiny USL在機(jī)柜回液管上設(shè)計的流量控制組件(RFCA)，將流量調(diào)節(jié)閥、流量傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了檢測、執(zhí)行部件一體化設(shè)計，提高了集成度[15]。

圖4 流量控制組件

APM的FSL機(jī)柜上的通風(fēng)散熱組件和次水回路組件同樣采用模塊化理念，分別將風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動器、氣液換熱器和泵、泵驅(qū)動器、補(bǔ)償器、氣體捕集器、傳感器等需要維修更換的產(chǎn)品集成在一起，如圖5所示。

圖5 通風(fēng)散熱組件和冷水回路組件

2 載荷機(jī)柜熱控設(shè)計特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 載荷機(jī)柜熱控設(shè)計特點(diǎn)

結(jié)合ISS載荷機(jī)柜熱控設(shè)計及分析，載荷機(jī)柜熱控設(shè)計具有以下特點(diǎn)：

(1)相對獨(dú)立。不同于密封艙內(nèi)其他由平臺熱控保證溫度的設(shè)備，機(jī)柜的熱控必須由機(jī)柜本身熱控獨(dú)立解決。機(jī)柜的熱控設(shè)計將機(jī)柜內(nèi)的熱量收集、傳遞和統(tǒng)一排散，同時減少對密封艙內(nèi)的漏熱。

(2)滿足不同類型載荷的散熱需求。機(jī)柜載荷散熱需求各不相同，從幾瓦到上百瓦；散熱途徑也有表面散熱、底面散熱等多種形式。熱控設(shè)計應(yīng)針對載荷特點(diǎn)，開展“通風(fēng)”散熱、“回路”散熱以及“通風(fēng)+回路”綜合散熱的系統(tǒng)方案設(shè)計。

(3)散熱能力可調(diào)。試驗(yàn)載荷在不同工況的散熱需求不同，同時試驗(yàn)載荷也會隨試驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行更換。機(jī)柜熱控設(shè)計要適應(yīng)載荷散熱量的變化。

(4)良好的維修性。熱控設(shè)計應(yīng)滿足長壽命任務(wù)的需求，支持在軌維修更換。

(5)配置盡量優(yōu)化。熱控系統(tǒng)作為載荷機(jī)柜的平臺系統(tǒng)，應(yīng)減少資源占用，提高機(jī)柜的載荷裝載空間和支持能力。

2.2 載荷機(jī)柜熱控設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

載荷機(jī)柜熱控設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下4個方面。

2.2.1 熱控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

熱控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)主要依據(jù)載荷的散熱需求、散熱途徑、安裝形式及機(jī)柜布局空間等設(shè)計合適的熱控系統(tǒng)方案，并設(shè)計合理的通風(fēng)、回路耦合關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常對于熱耗幾十瓦以下的載荷，應(yīng)優(yōu)選選用系統(tǒng)配置簡單、可靠性高的通風(fēng)散熱，對于熱耗幾百瓦的載荷，應(yīng)采用散熱能力更強(qiáng)的回路散熱方式。

回路、通風(fēng)散熱方式的配置如圖6所示。右側(cè)為“回路散熱”方式，通過冷板或者載荷內(nèi)部的管路收集和傳遞熱量；左側(cè)為“通風(fēng)散熱”方式，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對流收集載荷熱量，經(jīng)氣液換熱器交換到回路中，適用于熱耗較小，載荷分散布置的機(jī)柜?；芈飞岷屯L(fēng)散熱作為兩種散熱方式，對比見表2。

圖6 回路/通風(fēng)散熱方式典型配置Fig.6 Fluid loop/ ventilation dissipation

散熱方式散熱能力對載荷的要求布局要求配置回路散熱強(qiáng) 平面散熱或有散熱流道 管路布局復(fù)雜復(fù)雜通風(fēng)散熱弱 表面散熱,對表面無特殊要求 通風(fēng)流場設(shè)計復(fù)雜簡單

同時，冷板的換熱系數(shù)在1000 W/(m2·K)左右，氣液換熱器的換熱系數(shù)在100 W/(m2·K)左右，同樣熱耗和換熱面積，換熱溫差相差10倍?！盎芈?通風(fēng)”散熱設(shè)計時，氣液換熱器應(yīng)優(yōu)先串接于冷板上游，低溫工質(zhì)先流過氣液換氣器，有利于降低氣液換熱器尺寸和質(zhì)量。

2.2.2 通風(fēng)散熱技術(shù)

通風(fēng)散熱技術(shù)通過設(shè)計合理的風(fēng)道，進(jìn)行流場的組織和風(fēng)量的合理分配，保證各載荷表面附近的流場滿足要求，最終達(dá)到熱量收集的目的。通風(fēng)流場的設(shè)計主要包括載荷的抽風(fēng)、吹風(fēng)設(shè)計，風(fēng)道阻力匹配設(shè)計以及各載荷風(fēng)量分配設(shè)計。

(1)抽風(fēng)方式利用風(fēng)機(jī)制造的負(fù)壓，使氣流流過載荷表面，均勻性優(yōu)于吹風(fēng)方式，適應(yīng)于載荷發(fā)熱比較均勻的機(jī)柜；吹風(fēng)方式在載荷表面的氣流為紊流流動，局部換熱強(qiáng)烈，宜用于載荷發(fā)熱比較集中的機(jī)柜，但風(fēng)量分配設(shè)計難度大。

(2)通過風(fēng)道阻力的合理設(shè)計，保證風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓與風(fēng)道阻力匹配，使風(fēng)機(jī)工作在額定工作點(diǎn)，有利于提高風(fēng)機(jī)效率，減少風(fēng)機(jī)尺寸。

(3)載荷風(fēng)量分配設(shè)計時，通常將主風(fēng)道設(shè)計為靜壓箱，風(fēng)道內(nèi)靜壓相同，再通過調(diào)整各載荷對應(yīng)的通風(fēng)孔大小，實(shí)現(xiàn)各載荷的風(fēng)量分配。

DestinyUSL的CIR機(jī)柜通風(fēng)散熱系統(tǒng)，利用兩臺風(fēng)機(jī)從機(jī)柜后部抽吸熱空氣，經(jīng)與回路耦合的氣液換熱器換熱成為冷空氣后，進(jìn)入設(shè)計為靜壓箱的光學(xué)平臺，冷空氣再通過光學(xué)平臺的通風(fēng)孔吹至各載荷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)載荷設(shè)備的散熱。

2.2.3 回路散熱技術(shù)

回路散熱技術(shù)通過設(shè)計回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，收集載荷設(shè)備的熱量進(jìn)行排散?；芈吩O(shè)計在保證載荷散熱需求的同時，機(jī)柜流量、阻力特性要滿足載荷回路的接入要求?；芈分饕纳岱绞揭妶D7，其中左側(cè)為次級回路散熱，右側(cè)為基本回路散熱。次級回路配置單獨(dú)的機(jī)械泵，與載荷回路通過換熱器進(jìn)行熱量交換，適用于載荷設(shè)備多、串并聯(lián)后流阻大，或者對流量需求超過載荷回路能力的機(jī)柜；基本回路散熱方式適用于載荷設(shè)備少、串并聯(lián)流阻小的機(jī)柜，通過冷板或者管路直接接入載荷回路進(jìn)行散熱。兩種回路散熱方式的對比見表3。APM的FSL機(jī)柜采用次級回路方式，而Destiny USL的CIR機(jī)柜采用基本回路方式。

圖7 回路散熱方式典型配置Fig.7 Loop heat dissipation

類型次級回路散熱基本回路散熱流阻流量 流阻不受載荷回路限制,流量大 流阻受限制載荷回路限制,流量小體積 配置泵閥,體積大 只配置冷板,體積相對小資源 配置泵等,代價大,資源多 只配置載荷用冷板,代價小,資源少

續(xù) 表

2.2.4 模塊化熱控技術(shù)

模塊化熱控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)載荷機(jī)柜熱控設(shè)備快速組裝和維修更換的前提。模塊化設(shè)計除進(jìn)行設(shè)備的集成外，還要設(shè)計滿足人機(jī)工效要求、支持快速組裝和維修更換的接口?；芈纺K需要設(shè)計支持帶液插拔的快速斷接器以及單獨(dú)存放的膨脹器，通風(fēng)模塊需要設(shè)計快速拆裝的松不脫機(jī)構(gòu)。模塊化設(shè)計的主要思路包括兩個方面。

(1)按照實(shí)現(xiàn)完整功能或者相關(guān)功能進(jìn)行模塊化。流量控制組件將反饋部件、驅(qū)動部件、執(zhí)行部件等集成一個完整功能；通風(fēng)散熱組件和次水回路組件按照通風(fēng)和回路功能進(jìn)行的集成。

(2)按照維修更換需求進(jìn)行模塊化。將需要維修更換的設(shè)備集成到一起，進(jìn)行模塊化更換、安裝和維修，減小平均修復(fù)時間(MTTR)。通風(fēng)散熱組件和次水回路組件也屬于按維修更換需求集成的范疇。

3 啟示與建議

為提高我國空間站載荷機(jī)柜熱控設(shè)計的水平和適應(yīng)能力，著眼于未來十幾年的載荷試驗(yàn)，結(jié)合對ISS載荷機(jī)柜熱控設(shè)計的研究，提出如下建議。

(1)機(jī)柜熱控與載荷之間標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。無論那種系統(tǒng)方案，機(jī)柜內(nèi)部熱控與載荷之間應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化物理接口和熱控接口。將載荷裝載區(qū)域劃分為幾類散熱接口區(qū)域，用于不同形式和熱耗載荷的散熱，同一區(qū)域內(nèi)熱控接口相同。比如上部用于60 W以下通風(fēng)散熱的載荷，下部用于100 W以上回路散熱的載荷。同時制定載荷設(shè)備接入機(jī)柜的熱控標(biāo)準(zhǔn)。

(2)基于快速組裝和維修更換的熱控模塊化設(shè)計。我國載荷機(jī)柜隨空間站運(yùn)行至少15年，模塊化的熱控設(shè)計可以提高機(jī)柜的集成度，降低外部接口的復(fù)雜程度，便于開展維修更換。同時，隨貨運(yùn)飛船發(fā)射入軌、在軌組裝的機(jī)柜，也是我國空間站載荷機(jī)柜的發(fā)展方向，模塊化的熱控設(shè)計是解決在軌組裝機(jī)柜的關(guān)鍵。

(3)載荷、熱控、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。開展載荷、熱控、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，優(yōu)化散熱途徑，減少系統(tǒng)重量開銷，比如散熱冷板與載荷抽屜底板一體化設(shè)計，載荷內(nèi)部設(shè)計回路管路。當(dāng)然，基于一體化設(shè)計思路的載荷與機(jī)柜熱控接口應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求。

(4)可調(diào)整、重構(gòu)的熱控設(shè)計。隨著我國載荷試驗(yàn)的開展，試驗(yàn)載荷必將進(jìn)行更新或者迭代，試驗(yàn)載荷的散熱需求也將隨之變化。熱控設(shè)計必須具備可調(diào)整甚至一定程度的重構(gòu)能力，同一散熱區(qū)域內(nèi)的載荷之間可以進(jìn)行散熱能力的調(diào)整和再分配，滿足新載荷的散熱需求。

4 結(jié)束語

“國際空間站”在軌運(yùn)行20年，載荷機(jī)柜技術(shù)已經(jīng)比較成熟。我國空間站載荷機(jī)柜設(shè)計要充分總結(jié)和汲取“國際空間站”的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時應(yīng)適應(yīng)我國當(dāng)前載荷試驗(yàn)以及未來載荷試驗(yàn)的需求和規(guī)劃。本文提出的熱控設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，熱控、載荷、結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化及可重構(gòu)的設(shè)計建議，將有助于提高載荷機(jī)柜的適應(yīng)性、維護(hù)性以及可操作性，降低對載荷的約束，確保我國載荷機(jī)柜滿足未來空間站在軌15年乃至更長時間的應(yīng)用需求。