[发明专利]一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器热控制技术领域，尤其涉及一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法。

背景技术

在月球(或行星)着陆探测活动中，由于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，采用同位素核热源+重力驱动两相流体回路的热控设计方案，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、并与同位素热源耦合安装，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℃～70℃温度范围内具有良好的传热特性，选择氨作为工作介质。月昼期间，重力驱动两相流体回路控制阀5关闭，阻断同位素核热源的热量向探测器内部传递，同位素核热源的热量通过自身的热辐射向外散失，温度高达250℃～260℃，从而使得与之耦合的蒸发器1的温度高达250℃～260℃。因重力驱动两相流体回路的工作介质为氨，回路材质为022Cr17Ni12Mo2不锈钢，镍元素含量为10％～14％，氨在镍元素作催化剂、温度高达250℃～260℃条件下，分解产生氮气和氢气等不溶于液体氨的不凝气体。月夜期间，控制阀5开启，依靠月球重力的驱动，两相流体回路启动运行，随着氨工质的循环，回路内部的不凝气体将全部聚集在储液器4上部的气空间(其氮气和氢气在液氨中的溶解度极微量，可忽略)，形成不凝气体的分压力，在储液器4温度不变的条件下，储液器4内氨工质的饱和分压力不变，从而导致储液器4内总压力较无不凝气体时变大，导致系统压力升高，蒸发器1内压力升高，工质氨在蒸发器1内相变温度升高，从而导致与蒸发器1耦合的同位素核热源的温度升高，同位素核热源通过热辐射散失的热量增大，因其发热量恒定，因此通过重力驱动两相流体回路传入月球探测器的热量减小，对月球探测器的热控设计产生不利的影响，因此需要对不凝气体对重力驱动两相流体回路的影响进行评估。

通过对文献的调研，尚未查到国内外关于重力驱动两相流体回路中不凝气体影响分析方法的报道。虽然可以直接采用重力驱动两相流体回路在地面上开展不凝气体的影响验证，但存在如下问题：

因月球重力加速度为地球重力加速度的1/6，对蒸发器1输入相同的热载荷，在保证冷凝管路3的散热条件完全相同的条件下，重力驱动两相流体回路地面试验过程中丝网蒸发器7、蒸气管路2、冷凝管路3中氨工质的液体含量将高于在月球工作时。因充装的氨工质质量一定而且液体管路中工质均为液态，因此地面试验过程中储液器4的气空间容积将大于月面工作时。对于相同量的不凝气体，地面试验时不凝气体的分压力小于月面工作时，不凝气体引起蒸发器相变温度的升高以及同位素核热源温度升高的幅度将小于月面工作时，因此直接在地面上进行不凝气体影响的试验验证无法评估月面上的真实影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法，能够有效地对不凝气体在部分重力条件下对重力驱动两相流体回路的影响进行评估。

本发明的不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法，包括如下步骤：

步骤一，确定不凝气体的气体容积V_b：

假设液态氨工质仅在重力驱动两相流体回路的储液器和液体管路中，根据氨工质充装量、液体管路尺寸和储液器尺寸，得到储液器的气体容积，将所述储液器的气体容积确定为不凝气体的气体容积V_b；

步骤二，确定不凝气体的分压力P_b：

测量储液器的温度，以储液器的温度作为不凝气体的温度T_b；根据理想气体状态方程P_bV_b＝n_bRT_b得到不凝气体的分压力P_b，其中，n_b为不凝气体量，R为气体常数；

步骤三，确定蒸发器的温度T_z：