1、第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 69 收稿日期：2022-10-13 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（51806010）引用格式：陈祥贵,赵振明,孟庆亮,等.大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究J.航天返回与遥感,2023,44(3):69-78.CHEN Xianggui,ZHAO Zhenming,MENG Qingliang,et al.Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under H
2、igh Power Space Laser LoadJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):69-78.(in Chinese)大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 陈祥贵1,2 赵振明1,2,*孟庆亮1,2 王钰1,2（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）摘 要 大功率激光载荷在空间应用时具有瞬时热流密度高、工作时间短、间歇性工作的特点。为确保其高性能的工作，需要高效地解决激光载荷的热量获取、传递及排散问题。但受限于航天器有限的散热面面积，其散热能力往往难以满足大功率
3、激光器的瞬时散热需求，而相变储热作为一种利用相变潜热的高效储热方式，可以解决航天器热控系统在供给侧和需求侧时空不匹配的问题。机械泵驱两相流体回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop，MPTL）具有高效的传热效率和很强的传热能力，是解决大功率热量获取和传递的先进技术。文章针对大功率空间激光载荷的散热需求，将相变储热和两相传热技术相结合，提出基于固液相变储热和气液相变传热的短时大功率散热方案，完成了散热系统研制及性能测试。实验结果表明，散热系统能够很好的满足大功率激光载荷的散热需求，实现了 12kW 大功率载荷短时间稳定运行，具有很好的工程应用前景。关键词 大功率
4、激光载荷 机械泵驱动两相流体回路 相变储能装置 航天器热控 中图分类号:V416；TK124 文献标志码:A 文章编号:1009-8518(2023)03-0069-10 DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.008 Ground Experiment Research on Short-Time Heat Dissipation System under High Power Space Laser Load CHEN Xianggui1,2 ZHAO Zhenming1,2,*MENG Qingliang1,2 WANG Yu1,2（1 Beijing
5、Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094,China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology,Beijing 100094,China）Abstract High-power laser loads have the characteristics of high instantaneous heat flux density,short working time and intermittent operation in
6、 space applications.To ensure its high-performance work,it is necessary to efficiently solve the heat acquisition,transfer,and dissipation problems of the laser load.Due to the limited heat dissipation surface area of the spacecraft,its heat dissipation capacity is often difficult to meet the instan
7、taneous heat dissipation requirements of high-power lasers.As an efficient heat storage method using latent heat of phase change,phase change heat storage can solve the problem of space-time mismatch between the supply side and the demand side of the spacecraft thermal control system.Mechanically pu
8、mped two-phase loop(MPTL)utilizes the latent heat of gas-liquid phase transition and boiling heat transfer characteristics in the 70 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 process of flow boiling,which is the key to solving the heat dissipation problem of high-power equipment due to its extremely strong heat tr
9、ansfer capability.In view of the heat dissipation requirements of high-power space laser loads,this paper combines phase change heat storage and two-phase heat transfer technology,proposes a short-term high-power heat dissipation scheme based on solid-liquid phase change heat storage and gas-liquid
10、phase change heat transfer,and completes the development and performance test of the cooling system.The experimental results show that the heat dissipation system can well meet the heat dissipation requirements of the high-power laser load and realize the stable operation of the 12KW high-power load
11、 in a short time,which has a good engineering application prospect.Keywords high-power space laser loads;mechanically pumped two-phase loop(MPTL);phase change energy storage device;spacecraft thermal control 0 引言 近年来，随着激光技术的日新月异，大功率空间激光载荷正在通信、遥感等领域的卫星上获得广泛使用1，例如高功率半导体激光器阵列等器件。尽管激光器的输出功率在不断提高，但由于光电转换
12、效率的限制，激光二极管依旧会产生较大的热功率耗散2，这意味着空间激光载荷的散热量和热流密度呈指数级增长。为了提高大功率激光载荷的性能和可靠性，迫切需求一种适用于大功率、高热流密度的散热系统。目前针对大功率散热的传热技术包括单相水冷、两相冷却、射流冲击、喷雾冷却等3。虽然，大通道单相水冷技术可靠性高、技术成熟，但存在流量大、管路直径大、系统体积质量大等问题，不适用于对安装尺寸、体积、质量限制严苛的空间应用场景。而现已广泛应用于各类航天器的槽道热管、环路热管等热控产品，因毛细驱动力不足4，难以满足大功率激光载荷散热需求。机械泵驱两相流体回路（Mechanically Pumped Two-phas
13、e Loop，MPTL）是以机械泵作为驱动部件，利用工质气液相变实现热量交换与传递的一种两相换热系统，相比槽道热管、环路热管具有更强的传热能力和更远的传输距离5。已有研究和在轨飞行应用实例证明，MPTL 作为分布式载荷和大功率载荷的热传输系统具有良好的工作特性，其中最典型的就是由欧洲和中国多家机构联合研制的 磁谱仪硅微带探测器热控系统6。磁谱仪硅微带探测器热控系统本质上是一个工质为液态二氧化碳的 MPTL 系统，迄今为止，该系统已连续工作11年，其工作结果表明MPTL系统在多热源控温上具有优良的温度控制精度、稳定性和可靠性7-9。此后，中山大学开发了一种为中国货运飞船“天舟一号”上的微重力流体
14、冷凝实验提供精确控温的 MPTL系统10。法国泰雷兹阿莱尼亚航天公司也一直致力于开发用于 4kW 有源天线散热用 MPTL 装置11，该公司 2021 年发射的最新一代大型通信卫星 SES-17 采用了该 MPTL 装置，该装置可以有效地传输大功率设备的散热热量，并保证部组件处于准等温状态12。中国多个院所也对 MPTL 系统进行了在轨验证。尽管 MPTL 热传输效率很高，但究其根本只是一种高效的热传输系统，航天器废热依旧要依靠散热面对黑冷空间的热辐射来排散。受卫星轨道、星上能源、散热面面积、载荷寿命等众多因素的限制，目前的大功率激光载荷往往采用短时（瞬时）间歇性的工作模式。显然，为短时间的大
15、功率需求而增加大量的散热面是得不偿失的，对于部分航天器也是无法实现的。相变储热技术作为一种利用相变潜热的高效储热方式，可以有效的解决上述问题13，非常适用于周期性和脉冲式工作的仪器设备14。王爱华等人使用耦合蓄冷装置的单相流体回路方案和热泵回路方案，成功减少了辐射器面积、降低了散热系统质量15。上海技物所为登月探测器激光载荷热控系统设计了一个相变储能装置，并顺利通过了振动力学实验和热真空实验验证16；郭远东等进行了应用相变材料的星敏感器控温研究17；欧洲、印度等国也对 第 3 期 陈祥贵 等:大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究 71 空间应用的相变储能装置进行了研究18-19。上述研究表明
16、空间应用中利用相变储能装置取代传统的冷凝器具有可行性。结合上述相变储热与两相传热技术的优点，本文提出一种耦合相变储热装置的机械泵驱两相流体回路系统，并针对大功率空间激光载荷的散热需求开展了系统工作特性的研究。1 实验系统设计 1.1 系统设计 该实验系统的设计目的是为了验证耦合相变储能装置（Phase Change Materials Heat Exchanger Device）的机械泵驱两相流体回路热传输系统能否满足大功率激光载荷的短时散热需求。该实验系统由MPTL 子系统和相变储能装置两部分组成，图 1 给出了该系统的设计原理图，图中红色管路部分为两相段管路，蓝色部分为单相段管路，T1、T2、T3、T4、T5、T6为热电偶测点布置处的温度，图 2 为系统实物图。其中，MPTL 子系统包括机械泵、储液器、蒸发器 1、蒸发器 2、连接管路、绝对压力传感器、压差传感器及测温热电偶等部件。蒸发器 1 加载 3 000 W 热量、蒸发器 2 加载 9 000 W 热量（基于真实热源的模拟），热流密度最高达到 5.75 W/cm2。MPTL 子系统和相变储能装置由外径为 8 mm、内径为 6
