● 摘要
以环路热管、热虹吸环路为代表的“两相回路传热设备”是未来航天器热控系统的核心技术。然而，产生于两相设备封闭空间、并且在系统工作温度范围内无法凝结为液相的不凝气体（Non-condensable gas，NCG）有可能导致稳态运行温度升高、启动困难、冷凝器散热性能恶化以及工质不稳定流动等不利影响，严重制约了系统的可靠性和寿命。然而，除载人航天器外，绝大多数空间应用条件下无法对设备进行在轨维护，导致NCG产生的不利影响具有累加性和不可逆性。因此，“NCG引起的两相系统性能降低乃至失效”是一个急需解决的国际化难题。本文采用定量充装NCG的方法，实验研究了NCG对环路热管和热虹吸环路运行特性的影响。同时，从工程应用角度，探索了环路热管内NCG问题的控制措施。
实验研究了NCG对环路热管运行特性的影响。通过比较无NCG时和有NCG时系统沿程温度分布，分析了系统各部件内传热传质过程的变化，梳理并总结了“NCG引起工作温度升高”现象的机理。在此基础上，探讨了热沉温度、蒸发器-储液器相对姿态、NCG溶解度等参数对“工作温度变化效果”的影响。在给定许用温度条件下，研究了NCG对极限最大热载荷和极限最小热载荷的影响，发现了“大热载荷条件下NCG易引起芯内蒸发，进而导致实际极限最大热载荷小于预估值”的现象。研究了“采取预处理”和“自然状态”两种情况下NCG对启动过程的影响，结果显示，启动特性取决于初始时刻NCG在系统内的分布：若采取预处理措施，则初始时刻毛细芯内外表面无NCG气泡，此时储液器内NCG的分压力将使启动过程变得困难；若不采取预处理措施而任由系统自然启动，则初始时刻NCG气泡将随机分布在毛细芯内外表面，既可能抑制启动过程，也可能刺激启动过程，甚至有可能形成“最坏启动形式”而导致启动失败。
首次观察到NCG引起的环路热管温度波动和温度迟滞现象，并开展了相关研究。分析了两种温度波动现象的产生机理，得出“大幅波动是由于储液器内NCG引起液体在储液器和冷凝器之间反复重新分配，而小幅波动则来自于溶解于液体的NCG刺激液体干道内产生核态沸腾”的结论。通过比较两套实验件的结构形式，提出“毛细芯尺寸以及副芯填充密度的差异”是导致两套实验件内温度波动特征不同的根本原因。发现在启动过程结束后的首个或前几个热载荷工况，工作温度能够短暂地维持在较低的温度水平。经分析，该迟滞现象是由于启动瞬间外回路液体被迅速挤压回储液器，同时得益于氮气在液氨中具有相对较高的溶解度，故启动结束后，储液器内能够存储更多的液体，导致外回路液体量减少。相应的，冷凝器具有较高的利用率，确保系统工作在低温水平。实验结果和分析拓展了对环路热管不稳定性的认识。
针对“热虹吸环路内工质在月昼高温环境下分解产生微量NCG”问题，提出了一种NCG生成量等效预估方法，测算了“嫦娥三号”着陆器和巡视器用热虹吸环路寿命末期的NCG含量。基于该结果，实验研究了NCG对着陆器用热虹吸环路运行特性的影响。研究了NCG含量、热载荷大小、热沉温度对于系统温度分布、工作温度、总热导等稳态热性能的影响规律。结果显示，给定热载荷和NCG含量条件下，NCG引起的工作温度升高和热导损失在低温条件下更显著。研究了不同热边界条件下，启动特性随NCG含量的变化规律。结果显示，NCG的存在将加剧启动的困难程度，但是，即便在小热载荷条件甚至是仅采用对冷凝器冷却的条件下，系统依然能够顺利启动。与无NCG时的情况不同，由于启动初始时刻冷凝器管道内汇集了大量的NCG，从而阻碍了液体的冷凝过程，因此采取冷却冷凝器的方法并不能有效加速启动过程。基于研究成果可以判断，NCG问题对热控系统的影响在可接受范围内。
研究了半导体致冷器（TEC）对环路热管内NCG问题的控制特性。结果显示，大多数情况下，TEC能够抑制和消除NCG引起的诸多不利影响。但是，实验中依然出现了启动失效、工作温度升高甚至控温失败等与预期不符的现象。经分析，NCG的存在暴露了现有TEC配套结构中存在的缺陷：首先，传统的“小蒸发器鞍座”的结构形式在蒸发器上产生较高的热流密度，当NCG存在时，液体干道内更易发生核态沸腾；其次，原有TEC配套结构中导热通道较短，限制了TEC的功效，因此无法补偿NCG引起的额外的反向漏热。研究了主动放气措施对工作温度的控制作用。结果表明，该方法对工作温度的改善效果有限，其原因是一部分NCG溶解在工质或吸附于管体内表面，无法通过放气方法彻底排出。
本文的研究成果有助于进一步掌握NCG对于两相回路型传热系统热性能的影响机理，有助于了解NCG可能引发的各类不利现象，有助于工程上规避类似的风险。针对环路热管的相关实验在真空环境下开展，与空间应用的热边界条件几乎相同，故实验结果可为我国长寿命环路热管的可靠性评估提供参考。文章提出的TEC辅助控制技术具有一定的工程应用价值。热虹吸环路的相关实验结果在一定程度上支撑了“嫦娥三号”月球探测器热控分系统的研制。
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