一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器

1.本发明涉及空间大功率航天器热控技术领域，具体是涉及一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器。


背景技术：

2.随着航天科学技术的快速发展和国际空间竞争的日益紧张，许多重要的航天项目被提上日程，如未来的空间站、月球基地、火星探测器等，都要求有足够的能源供应，使系统寿命更长。然而，大功率空间电力系统对排热要求会更高。空间散热器和热管是目前备受关注的先进热控技术。其中，空间液滴辐射散热器是一种针对于大型航天器散热的非常有前途的解决方案。与现有热控技术相比，它在装载时更轻、更紧凑，相对不易受到微流星体的破坏。液滴层作为空间液滴辐射散热器的有效传热区域，液滴层从液滴发生器喷射出来，由液滴收集器捕获。因为热对流无法在空间中起作用，低蒸气压工质的蒸发冷却效果几乎可以忽略不计，所以空间液滴辐射散热器的排热性能仅由液滴层的辐射传热特性决定。
3.目前大多数学者将研究重点放在了单个液滴层的辐射换热特性上。然而，随着排热功率水平的提高，单个液滴层的散热能力往往不能满足要求。特别是兆瓦级的空间电力系统需要具有多个液滴层的空间液滴辐射散热器进行排热。同时，现有的具有多液滴层的空间液滴辐射散热器通常是在同一平面上对多个液滴层进行串联、并联或串并联排列布置，如此会造成更多的输运回路和支撑结构的增加，从而使系统重量大大增加。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，可以在周向空间上形成多个交叉型均匀排列的液滴层，同时不需要繁多的液体输送回路和支撑结构，这对航天器的轻量化与高效排热具有重要意义。以解决现有空间热控技术无法高效解决大功率航天器排热要求以及可能造成巨大的空间结构重量等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，所述可调角度液滴发生器包括多个可转动液滴发生器1、支撑连杆2、转动轴承3、控制器4、信号线5、中间储液环6和液体输送管7；多个所述可转动液滴发生器1通过转动轴承3与支撑连杆2进行装配；所述中间储液环6同样通过转动轴承3与支撑连杆2进行连接装配，中间储液环6的个数和旋转运动与所述可转动液滴发生器保持一致；所述可调角度液滴发生器在轨运行时，可转动液滴发生器1通过控制器4操纵在支撑连杆2周向转动并均匀展开，可转动液滴发生器1的启、停数通过排热系统的功率要求进行确定；所述中间储液环6通过液体输送管7与可转动液滴发生器1连接并进行液体供给，可转动液滴发生器1上开有多个喷孔阵列9；
7.通过给液滴发生器内部加压，促使加压液体从可转动液滴发生器的喷孔阵列9射出形成连续射流阵列，可转动液滴发生器1内部的振动装置施加扰动促使射流断裂形成连续液滴流阵列，继而所述可调角度液滴发生器能够生成良好辐射散热性能的交叉型液滴层
8。
8.所述可转动液滴发生器1内部的振动装置采用压电扰动促使射流断裂形成液滴的工作原理进行配置，包括一个与外部信号发生器1-1以及功率放大器1-2相连接的振动活塞1-3。
9.所述振动活塞1-3产生的扰动采用正弦波或方波扰动，通过调节信号发生器1-1以及功率放大器1-2进行提供，为了获得均匀的液滴流，扰动波数需要调节在0.2～0.8之间。
10.所述喷孔阵列9的孔径、孔距、孔数以及喷孔阵列纵横比根据排热系统功率的要求进行确定，并且直接决定液滴发生器整体尺寸。
11.为了获得高质量的喷孔阵列9，可以采用激光钻孔、电解加工、电化学加工等先进微孔制造技术。
12.所述加压液体采用液体金属锡、液体金属锂或硅油。
13.所述可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层8的辐射散热性能采用商用cfd软件进行数值模拟计算。
14.所述可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层8辐射散热冷却之后，会由可转动液滴发生器1末端相应的液滴收集器捕获，收集后的液体循环使用。
15.所述可转动液滴发生器1的个数不超过24个。
16.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
17.本发明提供的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，包括多个可转动液滴发生器、支撑连杆、转动轴承、控制器、信号线、中间储液环、液体输送管，采用液滴发生器与转动机构及控制器相结合的设计方案，根据排热系统功率的需求，能够实现液滴发生器启、停数以及在轨装载的精确调控，很大程度提高了空间液滴辐射散热器的排热效率，解决了传统空间辐射散热器对于大功率高热耗的航天器排热能力不足的问题。此外，相对于传统的多液滴层平行布置的空间液滴辐射散热器，本发明避免了由于繁多的液体输运回路以及支撑结构造成的巨大空间结构重量的问题。同时本发明提供的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器在轨装载方便紧凑，体积小，质量轻。
附图说明
18.图1是本发明实施例的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器在轨运行示意图；
19.图2是本发明提供的单个可转动液滴发生器、中间储液环与转动轴承的连接装配细节以及液滴发生器喷孔阵列示意图；
20.图3是本发明提供的可调角度液滴发生器中喷孔阵列及液滴流形成示意图。
21.图4是本发明实施例的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器产生的交叉型液滴层辐射散热性能数值模拟方案示意图；
22.图5(a)为具有三个可转动液滴发生器的交叉型液滴层在不同均匀程度排列下的辐射功率曲线图，图5(b)为在均匀排列下不同角度的交叉型液滴层的辐射功率，图5(c)为在均匀排列下不同角度的交叉型液滴层的单位质量辐射功率。
23.图标：1-可转动液滴发生器；1-1-外部信号发生器；1-2-功率放大器；1-3-振动活塞；2-支撑连杆；3-转动轴承；4-控制器；5-信号线；6-中间储液环；7-液体输送管；8-交叉型
液滴层；9-喷孔阵列。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
25.如图1和图2所示，本发明提供一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，所述可调角度液滴发生器包括多个可转动液滴发生器1、支撑连杆2、转动轴承3、控制器4、信号线5、中间储液环6和液体输送管7；所述可转动液滴发生器1均通过转动轴承3与支撑连杆2进行装配；所述中间储液环6同样通过转动轴承3与支撑连杆2进行连接装配，中间储液环6的个数和旋转运动与所述可转动液滴发生器1保持一致。
26.所述角度可控液滴发生器在轨运行时，可转动液滴发生器1通过控制器操纵在支撑连杆2周向转动并均匀展开，可转动液滴发生器1的启、停数通过排热系统的功率要求进行确定；所述中间储液环6通过液体输送管7与可转动液滴发生器1连接并进行液体供给；通过可转动给液滴发生器内部加压，促使液体从可转动液滴发生器的喷孔阵列9射出形成连续射流阵列，其内部的振动装置施加扰动促使射流断裂形成连续液滴流阵列，继而所述可调角度液滴发生器可以生成良好的辐射散热性能的交叉型液滴层8。
27.所述可转动液滴发生器1内部的振动装置采用中国专利cn111695218a名称为一种空间辐射换热系统内液滴发生器的参数确定方法所公开的压电扰动促使射流断裂形成液滴的工作原理进行配置，包括一个与外部信号发生器1-1以及功率放大器1-2相连接的振动活塞1-3；此处结合图3，可以更清楚的描述，参照图3所示的本发明实施例中液滴发生器中喷孔阵列及多条液滴流形成示意图。图3中，
①
为中间储液环稳定持续提供的加压液体，其充满液滴发生器内部使得液体腔压力达到p1，从而挤压液体从间距为sn的喷孔阵列9向外喷出，由于液滴发生器外部压力为p0，两者之间存在内外压差δp＝p
1-p0，因而形成具有一定速度u的连续液体射流
②
，外部信号发生器1-1发出的频率为f的扰动信号经过功率放大器1-2致使振动活塞1-3产生幅度为a的微小形变，从而在连续液体射流
②
周向施加微小扰动，促使其断裂形成液滴间距为sd的连续液滴流
③
。上述措施保证了每一个喷孔形成的液滴流可以达到所需求的动力学特征，最终喷孔阵列可以形成所需求的液滴层。
28.所述可转动液滴发生器1个数不超过24个，其喷孔阵列9参数，比如孔径、孔距、孔数以及喷孔阵列纵横比可根据中国专利cn111695218a名称为一种空间辐射换热系统内液滴发生器的参数确定方法所公开的方法进行设计，为了获得高质量的喷孔，可以采用激光钻孔、电解加工、电化学加工等先进微孔制造技术。
29.所述加压液体采用液体金属锡、液体金属锂或硅油，这些液体的蒸气压很低从而可以很大程度地减少液体由于蒸发而造成的质量损失。
30.所述振动活塞1-3产生的扰动采用正弦波或方波扰动，其可通过调节信号发生器1-1以及功率放大器1-2进行提供，为了获得均匀的液滴流，扰动波数需要调节在0.2～0.8之间。
31.如图4所示，所述可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层(8)的辐射散热性能采用商用cfd软件进行数值模拟计算。所述交叉型液滴层的几何模型采用solidworks软件进行几何建模并生成几何文件；然后将其导入到icem cfd软件进行物理模型的网格划分，采
用高质量的六面体结构化网格并生成网格文件；最后将网格文件导入进fluent软件进行数值模拟计算。所述交叉型液滴层辐射散热性能数值模拟计算采用do辐射模型进行计算，计算收敛之后通过后处理获得交叉型液滴层的温度分布，根据辐射传热理论公式进行交叉型液滴层辐射能量、辐射功率以及单位质量辐射功率的计算。
32.如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，所述本发明提供的可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层(8)的辐射性能曲线图。
33.实施例1：
34.本发明提供一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，以装有三个可转动液滴发生器的装置为例：
35.选取液体为dc 705硅油，初始温度为320k，液滴发生器内外压差为0.1mpa，压力扰动频率为5khz。
36.采用fluent软件对三个可转动液滴发生器的交叉型液滴层在均匀布置和非均匀布置条件下进行数值模拟计算。
37.以均匀排列为参考，通过旋转其中一个可转动液滴发生器来实现不同程度的非均匀排列，用旋转角度来表示可转动液滴发生器排列的非均匀性。δθ＝0表示液滴片均匀排列，其值越大，表示液滴片排列越不均匀。
38.所述图5(a)为具有三个可转动液滴发生器交叉型液滴层在不同均匀程度排列下的辐射功率曲线图。可以看到，可转动液滴发生器均匀排列时的所述交叉型液滴层辐射功率最大，上述证明了本发明的设计要求，即可调角度液滴发生器开启时需要在轨均匀展开。
39.实施例2：
40.选取液体为液体金属锡，初始温度为750k，液滴发生器内外压差为3.77mpa，压力扰动频率为5khz。
41.采用fluent软件对不同角度的交叉型液滴层在均匀排列条件下进行数值模拟计算。本发明定义了液滴层角度θ，即相邻液滴发生器在轨展开时的夹角。因为所述可调角度液滴发生器在周向上是均匀展开的，所以液滴层角度和可转动液滴发生器的个数是一一对应的，即液滴发生器个数n为正整数。
42.所述图5(b)为具有不同可转动液滴发生器的交叉型液滴层在均匀排列条件下的辐射功率曲线图。可以看到，当液滴层角度θ＝15
°
时，即液滴发生器个数所述交叉型液滴层的辐射功率最大。
43.所述图5(c)为具有不同可转动液滴发生器的交叉型液滴层在均匀排列条件下的单位质量辐射功率曲线图，可以看到，当液滴层角度θ＝15
°
时，即液滴发生器个数时，所述交叉型液滴层的单位质量辐射功率开始达到最大，此后几乎保持不变。上述证明了本发明的设计要求，即可转动液滴发生器个数不超过24。

技术特征：
1.一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述可调角度液滴发生器包括多个可转动液滴发生器(1)、支撑连杆(2)、转动轴承(3)、控制器(4)、信号线(5)、中间储液环(6)和液体输送管(7)；多个所述可转动液滴发生器(1)通过转动轴承(3)与支撑连杆(2)进行装配；所述中间储液环(6)同样通过转动轴承(3)与支撑连杆(2)进行连接装配，中间储液环(6)的个数和旋转运动与所述可转动液滴发生器保持一致；所述可调角度液滴发生器在轨运行时，可转动液滴发生器(1)通过控制器(4)操纵在支撑连杆(2)周向转动并均匀展开，可转动液滴发生器(1)的启、停数通过排热系统的功率要求进行确定；所述中间储液环(6)通过液体输送管(7)与可转动液滴发生器(1)连接并进行液体供给，可转动液滴发生器(1)上开有多个喷孔阵列(9)；通过给液滴发生器内部加压，促使加压液体从可转动液滴发生器的喷孔阵列(9)射出形成连续射流阵列，可转动液滴发生器(1)内部的振动装置施加扰动促使射流断裂形成连续液滴流阵列，继而所述可调角度液滴发生器能够生成良好辐射散热性能的交叉型液滴层(8)。2.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述可转动液滴发生器(1)内部的振动装置采用压电扰动促使射流断裂形成液滴的工作原理进行配置，包括一个与外部信号发生器(1-1)以及功率放大器(1-2)相连接的振动活塞(1-3)。3.根据权利要求2所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述振动活塞(1-3)产生的扰动采用正弦波或方波扰动，通过调节信号发生器(1-1)以及功率放大器(1-2)进行提供，为了获得均匀的液滴流，扰动波数需要调节在0.2～0.8之间。4.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述喷孔阵列(9)的孔径、孔距、孔数以及喷孔阵列纵横比根据排热系统功率的要求进行确定，并且直接决定液滴发生器整体尺寸。5.根据权利要求4所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，为了获得高质量的喷孔阵列(9)，采用激光钻孔、电解加工或电化学加工。6.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述加压液体采用液体金属锡、液体金属锂或硅油。7.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层(8)的辐射散热性能采用商用cfd软件进行数值模拟计算。8.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述可调角度液滴发生器生成的交叉型液滴层(8)辐射散热冷却之后，会由可转动液滴发生器(1)末端相应的液滴收集器捕获，收集后的液体循环使用。9.根据权利要求1所述的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，其特征在于，所述可转动液滴发生器(1)的个数不超过24个。

技术总结
本发明公开了一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器，包括多个可转动液滴发生器、支撑连杆、转动轴承、中间储液环、液体输送管，采用液滴发生器与转动机构及控制器相结合的设计方案，根据排热系统功率的需求，能够实现可转动液滴发生器启、停数以及在轨装载的精确调控，很大程度提高了空间液滴辐射散热器的排热效率，解决了传统空间辐射散热器对于大功率高热耗航天器排热能力不足的问题。此外，相对于传统的多液滴层平行布置的空间液滴辐射散热器，本发明解决了由于繁多的液体输运回路以及支撑结构造成的巨大空间结构重量的问题。同时本发明提供的一种用于空间液滴辐射散热的可调角度液滴发生器在轨装载方便紧凑，体积小，质量轻。质量轻。质量轻。


技术研发人员：种道彤 朱茂国 赵全斌 严俊杰 陈伟雄 赵凯
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.01.17
技术公布日：2023/3/31