2018, Vol. 50
引用本文 |
热控系统在航天器系统起着基础性的作用，它控制航天器内部与外部环境的热量交换，使航天器储能电源、控制元件及仪器的热平衡温度处于要求的范围之内。锂离子电池由于其环保性能好，循环寿命长，功率重量比高[1-2]，操作和存储温度范围大(-20~+40 ℃)[3-4]等优势广泛应用于通信卫星、空间飞行器以及国际空间站。但是，锂离子电池的工作性能在很大程度上取决于其温度水平。相关研究指出，锂离子电池的最佳工作温度范围为25~40 ℃[5]，超过45 ℃电池性能就会下降，不均匀的温度分布和低温也会降低电池容量[6]。太空电池通常是在现有应用中进行真空封装，太空电池常用的热管理方法是将暴露于深空的电池组直接固定在散热表面上[7]。封装内部的热传导和热辐射，电池外壳内部的传热流动如图 1所示。
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图 1 空间飞艇散热器热平衡模型 Figure 1 Airship radiator thermal equilibrium model |
为了调整辐射表面热辐射性能从而达到热控制目的，常常在辐射表面喷涂热控涂层。热控涂层是卫星、航天器及空间站热控系统的重要组成部分[8]，其原理是通过调节飞行器散热表面的太阳吸收率αs和发射率ε来调节物体的热量平衡。有机漆是应用最广泛的一种热控涂层，S781白漆是中国自行研制的一种性能优异的热控涂层，曾用于国内某些型号的飞行任务中，研究表明紫外线照射、质子辐照是影响白色热控涂层的太阳吸收率的重要因素[9-12]。为了满足在所有任务阶段航天器热控制，保持机载电池和器件性能的需要，研制了许多热控涂层材料。La1-xSrxMnO3材料由于在室温发生金属-介质相的突变而引起热发射率的突变的性能，引起广泛关注[13-14]。尤其是，La1-xSrxMnO3材料可以通过用Sr2+代替La3+从LaMnO3中获得，改变其温度和Sr2+的摩尔比，它们显示出各种热性能变化。然而，这种材料对短波太阳辐射能量有超过0.8的吸收率，严重限制了在航天热控制方面的应用。近年来，刘广平等[15]针对在太阳辐射波段吸收率问题提出了有效方法：应用一维微结构阻止太阳辐射能量到达其表面。应用一维微结构降低材料在太阳辐射波段的吸收，可以使La1-xSrxMnO3型热致变材料在太阳辐射波段的吸收率被降至0.15。
本文使用Fluent模拟了20 km临界空间飞艇小型散热器分别使用S781白漆、S956灰漆、La1-xSrxMnO3化合物热致变材料作为热控涂层的温度分布，对不同喷漆的效果进行对比分析。
1 仿真模型及预处理临界空间小型散热器模型主要由电源、散热片、散热外壳及垫板组成如图 1和图 2所示。其中，电源部分简化为一个进行了封装的长方体，如图 2(c)，散热片及散热外壳为喷涂有机漆的散热翅片。
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图 2 飞艇小型散热器模型 Figure 2 Airship small radiator model |
使用ICEM对散热器进行了网格划分如图 3所示，模型采用非结构四面体网格进行划分，并对翅片及散热外壳减小网格尺寸，使网格更加细化，网格数约为2 900 000个。
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图 3 飞艇小型散热器简化模型的网格划分 Figure 3 Mesh reduction of airship small radiator simplified model |
2 临近空间小型散热器边界条件参数计算
散热器在临近空间(20 km高度)为平流层空域，外热流组成主要有：散热器吸收的太阳能辐射、散热器向外的红外辐射、散热器外表面对流换热、以及散热器自身发热。由以上各部分热量构成散热器整体的稳态(温度变化为0时)平衡方程，平衡方程为
| $ {Q_{\rm{s}}} + {Q_{{\rm{IR}}}} + {Q_{\rm{c}}} + Q = 0 $ | (1) |
式中：Qs为散热器吸收的太阳辐射，QIR为散热器表面向外的红外辐射，Qc为散热器外表面的对流换热，Q为散热器自身发热量。
散热器吸收的太阳辐射热流为
| $ {Q_{\rm{s}}} = {\alpha _{\rm{s}}}{I_{\rm{s}}}{A_{\rm{p}}} $ | (2) |
散热器表面辐射热流为
| $ {Q_{{\rm{IR}}}} = - \varepsilon \sigma {T^4}A $ | (3) |
散热器外表面对流换热为
| $ {Q_{\rm{c}}} = {h_{\rm{c}}}A\left( {{T_{{\rm{atm}}}} - T} \right) $ | (4) |
式中：αs为太阳吸收率，ε为表面发射率，A为表面积，Ap投影面积，σ为Boltzman常数(其值为σ=5.67×10-8 W/(m2·K4))，Is为太阳辐射强度，hc为对流表面传热系数，T为散热器的温度，Tatm为大气温度。
2.1 太阳辐射强度的计算对于绕日运行的太阳系行星而言，地-日距离在一年内发生变化，太阳辐射能在一年内不同时间的变化可写为
| $ {I_0} = {S_0}{\left( {\frac{{1 + e\cos \alpha }}{{1 - {e^2}}}} \right)^2} $ | (5) |
式中：轨道偏心率e=0.016 7，太阳常数S0=1 367 W/m2，日角α定义为近日点为0°，每天增加0.98°。
经过大气衰减后的太阳辐射强度为
| $ {I_{\rm{s}}} = {\tau _{{\rm{atm}}}}{I_0} $ | (6) |
式中τatm为太阳辐射透射率
假设：近日点(1月3日)这天日角α=0°，则e=0.016 7，S0=1 367 W/m2。这一天的太阳辐射能为
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{I_0} = {S_0}{{\left( {\frac{{1 + e\cos \alpha }}{{1 - {e^2}}}} \right)}^2} = }\\ {1\;367 \times {{\left( {\frac{{1 + 0.016\;7\cos 0}}{{1 - 0.016\;{7^2}}}} \right)}^2} \approx 1\;413.83\left( {{\rm{W}}/{{\rm{m}}^2}} \right)} \end{array} $ |
经过衰减后的太阳辐射强度为
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{I_{\rm{s}}} = {\tau _{{\rm{atm}}}} \cdot {I_0} = 0.907\;62 \times 1\;413.83 \approx }\\ {1\;283.22{{\left( {{\rm{W}}/{\rm{m}}} \right)}^2}} \end{array} $ |
黑漆太阳辐射吸收率约为0.9，白漆太阳辐射吸收率0.17，应用一维微结构的La1-xSrxMnO3型热致变材料吸收率为0.15。散热器的几何尺寸为长0.248 m，宽0.18 m。
投影面积=散热器上表面积，即
| $ {A_{\rm{p}}} = A = 0.248 \times 0.18 = 0.044\;64\left( {{{\rm{m}}^2}} \right) $ |
则有黑漆吸收的太阳辐射热量为
| $ \begin{array}{l} {Q_{\rm{s}}} = {\alpha _{\rm{s}}}{I_{\rm{s}}}{A_{\rm{p}}} = 0.9 \times 1\;283.22 \times 0.044\;64 = \\ \;\;\;\;\;\;51.55\left( {\rm{W}} \right) \end{array} $ |
白漆吸收的太阳辐射热量为
| $ \begin{array}{l} {Q_{\rm{s}}} = {\alpha _{\rm{s}}}{I_{\rm{s}}}{A_{\rm{p}}} = 0.17 \times 1\;283.22 \times 0.044\;64 = \\ \;\;\;\;\;\;9.74\left( {\rm{W}} \right) \end{array} $ |
La1-xSrxMnO3型热致变材料吸收的太阳辐射热量为
| $ \begin{array}{l} {Q_{\rm{s}}} = {\alpha _{\rm{s}}}{I_{\rm{s}}}{A_{\rm{p}}} = 0.15 \times 1\;283.22 \times 0.044\;64 = \\ \;\;\;\;\;\;8.59\left( {\rm{W}} \right) \end{array} $ |
外部环境的风速为3 m/s，对流换热的形式可判断为强迫对流换热，散热器的几何尺寸为：长0.248 m，宽0.18 m，则特征长度D=0.248 m。强迫对流层流换热的对流换热系数的表达式为
| $ {h_{\rm{c}}} = \frac{{{\lambda _{{\rm{air}}}}}}{D} \cdot \left( {0.664 \cdot \mathit{R}{\mathit{e}^{0.5}}\mathit{P}{\mathit{r}^{0.5}}} \right) $ | (7) |
式中：λair为飞行高度下大气的导热系数(计算式如下)，D为换热表面的特征长度，Re为雷诺数。
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{h_{\rm{c}}} = \frac{{{\lambda _{{\rm{air}}}}}}{D} \cdot \left( {0.664 \cdot \mathit{R}{\mathit{e}^{0.5}}\mathit{P}{\mathit{r}^{0.5}}} \right) = }\\ {\frac{{0.019\;52\left( {0.664 \times 4\;{{614.4}^{0.5}} \times 0.733\;{{75}^{0.5}}} \right)}}{{0.248}} \approx 3.041} \end{array} $ |
散热器散热翅片及壳体的总面积为0.189 716 m2，则散热器外表面对流换热量
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{Q_{\rm{c}}} = {h_{\rm{c}}}S\left( {{T_{{\rm{atm}}}} - T} \right) = }\\ {3.041 \times 0.189\;716 \times \left( {216.15 - T} \right) = }\\ {0.576\;9 \times \left( {216.15 - T} \right)} \end{array} $ |
黑漆和白漆的发射率相近，约为0.87，则散热器向外辐射的热流为
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{Q_{{\rm{IR}}}} = - \varepsilon \sigma {T^4}S = }\\ { - 0.87 \times 5.67 \times {{10}^{ - 8}} \times 0.189\;716 \times {T^4} = }\\ { - 9.3585 \times {{10}^{ - 9}} \cdot {T^4}\left( {\rm{W}} \right)} \end{array} $ |
La1-xSrxMnO3型热致变材料的发射率随温度的变化如图 4所示。
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图 4 La1-xSrxMnO3型热致变材料发射率随温度变化曲线 Figure 4 Emissivity of La1-xSrxMnO3 thermotropic materials |
随着温度的升高，La1-xSrxMnO3型热致变材料的发射率先线性增长，并在300 K处增速逐渐缓慢，发射率最终稳定在0.85左右。本文使用Fluent中的UDF功能对散热表面加载随温度变化的发射率，使仿真计算更精确。
2.4 散热器的热源发热量模拟中假设散热器的热源发热量为80 W，热源的尺寸为长0.17 m，宽0.12 m，高0.015 m，则热源的体积为
| $ V = 0.17 \times 0.12 \times 0.015 = 3.06 \times {10^{ - 4}}\left( {{{\rm{m}}^3}} \right) $ |
热源单位体积的发热功率为
| $ q = \frac{Q}{V} = \frac{{80}}{{3.06 \times {{10}^{ - 4}}}} = 261\;438\left( {{\rm{W}}/{{\rm{m}}^3}} \right) $ |
散热器外界环境温度为216.15 K，大气压力为Pa=5 500 Pa，密度为ρ=0.088 kg/m3。两侧开孔设置为黑体，与外界进行辐射换热。
3 仿真结果及分析利用Fluent软件，对临近空间小型散热器散热板分别使用S781白漆、S956灰漆、La1-xSrxMnO3化合物材料智能涂层作为热控涂层进行了模拟，得到了散热器在受到太阳垂直照射与无太阳辐射的情况下的温度分布。图 5为S781白漆为热控涂层时太阳垂直照射的温度分布，热源与散热翅片接触的热源上表面的中心温度最高，散热表面翅片平均温度呈现中心翅片温度高，两侧温度低的分布。
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图 5 太阳垂直照射，喷涂S781白漆散热器温度场分布 Figure 5 Temperature field distribution of S781 white coating radiator under vertical solar radiation |
喷涂不同热控涂层下电源的最高温度与最低温度如图 6所示。在太阳垂直照射下，喷涂S956灰漆的散热器电源温度最高温度达到321.36 K(48.21 ℃)，超过电池的工作温度，喷涂S781白漆、La1-xSrxMnO3化合物材料的电池最高温度分别为295.35 K(22.2 ℃)、304.71 K(31.56 ℃)，均满足电池的工作温度范围，但喷涂S781白漆的散热器电源温度并不能达到锂电池的最佳工作温度。虽然La1-xSrxMnO3化合物材料的吸收率0.15略小于S781白漆，但使用S781白漆的电源温度明显低于La1-xSrxMnO3化合物材料，可能由于La1-xSrxMnO3化合物材料热平衡时的发射率低于S781白漆的发射率所致。
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图 6 不同热控涂层下电源的最高温度与最低温度 Figure 6 The highest temperature and the lowest temperature of the power with different thermal control coatings |
对于散热器翅片温度，中间翅片根部的与根尖的温差明显大于两边翅片的温差，而且使用S956灰漆涂层的翅片平均温度大于使用La1-xSrxMnO3化合物材料涂层的温度, 以及使用S781白漆涂层的温度，如图 7和图 8所示。
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图 7 垂直辐射下，不同热控涂层下翅片的最高温度与最低温度 Figure 7 The highest temperature and the lowest temperature of the fins under the vertical radiation |
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图 8 无太阳辐射下，不同热控涂层下翅片的最高温度与最低温度 Figure 8 The highest temperature and the lowest temperature of the fins without solar radiation |
在无太阳辐射下，S781白漆与S956灰漆的发射率相同，其热平衡状态相同。La1-xSrxMnO3化合物材料电源与翅片的平均温度均高于S781白漆与S956灰漆。
无太阳辐射与太阳垂直照射下，喷涂S781白漆、S956灰漆、La1-xSrxMnO3化合物材料智能涂层的散热器电源平均温度的温差分别为6.57，32.48，8.89 K。喷涂S781白漆的电源在太阳垂直照射与无太阳辐射情况下温差更小，可能由于S956灰漆白天过高的吸收率使其在太阳照射下温度明显升高，而La1-xSrxMnO3化合物材料虽然经过一维微结构优化后有低于S781白漆的吸收率，但在模拟过程中其发射率最大只可达到0.79，较低的发射率可能是导致其温差大的原因。
4 结论经过Fluent模拟结果的分析，得出以下结论：
(1) 在太阳垂直照射的情况下，喷涂S781白漆的散热器电源温度最低且低于锂电池的最佳工作温度；喷涂S956灰漆的散热器电源温度最高温度达到321.36 K(48.21 ℃)，超过电池的工作温度；La1-xSrxMnO3化合物材料作为热控材料的电源温度在298.23~304.71 K(25.08~31.56 ℃)。
(2) 在无太阳辐射的情况下，喷涂La1-xSrxMnO3化合物材料的散热器电源与翅片温度高于喷涂S781白漆、S956灰漆，且3种材料喷漆的散热器电源均处于正常工作范围温度，但喷涂S781白漆、S956灰漆的热平衡状态温度低于锂电池的最佳工作温度，而喷涂La1-xSrxMnO3化合物材料的散热器电源温度在21 ℃左右最接近锂电池的最佳工作温度。
(3) 喷涂S781白漆的电源在太阳垂直照射与无太阳辐射情况下温差最小，其次为使用La1-xSrxMnO3化合物热致变材料的散热器电源。
(4) 目前，La1-xSrxMnO3化合物热致变材料尚处于不成熟阶段，经过改变Sr2+参杂百分比，其发射率虽然可以在室温下发生改变，但在模拟过程中其发射率改变前后的差值在0.11左右，无太阳辐射与太阳垂直照射下电源平均温度的温差为8.89 K，并不能大幅度减少电源在无太阳辐射与太阳垂直照射下的温差以达到保护电源的效果。
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