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空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

孙晋川 康昌玺 谢永齐 马动涛 李生华 崔晓杰

孙晋川,康昌玺,谢永齐,等. 空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(3):814-820 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
引用本文: 孙晋川,康昌玺,谢永齐,等. 空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(3):814-820 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
SUN J C,KANG C X,XIE Y Q,et al. Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(3):814-820 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
Citation: SUN J C,KANG C X,XIE Y Q,et al. Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(3):814-820 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365

空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
基金项目: 中国载人空间站工程高温材料科学实验系统
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:sinoempire@163.com

  • 中图分类号: V524.7

Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station

Funds: National Science and Technology Major Project
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  • 摘要:

    中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同优化设计等多种思路对热控组件进行设计,有效解决热控难题。利用有限元分析软件计算科学实验系统热设计的温度结果;然后开展加热实验对热设计方案进行验证。数据显示HTMSES在提供材料制备所需要的最严苛实验工况(1 200 ℃)情况下,各关键部件处于友好的温度范围内,其中电机最高温度为42.2 ℃,编码器最高温度为40.6 ℃,丝杠最高温度为62.4 ℃,滑块最高温度为59.6 ℃,导轨最高温度为57.3 ℃,科学实验系统皮肤可触及部位最高温度为31.6 ℃,各温度结果均满足热控指标要求,表明设计方案合理可行,为同类型设备热设计提供了一种设计思路和参考依据。

     

  • 图 1  HTMSES示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of HTMSES

    图 2  热控方案示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of thermal control

    图 3  传动机构散热方案示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of heat dissipation scheme of drive mechanism

    图 4  热控组件实物图

    Figure 4.  Picture of thermal control component

    图 5  热分析模型

    Figure 5.  Thermal analytic model

    图 6  关键部组件温度云图

    Figure 6.  Temperature nephograms of key components

    图 7  热实验装置及现场

    Figure 7.  Thermal test equipment and site

    图 8  加热炉实验结果

    Figure 8.  Results of furnaces experiment

    图 9  关键部组件温度变化

    Figure 9.  Temperature variation of key components

    表  1  最严苛实验工况

    Table  1.   The most stringent experiment case

    实验工况参数 数值
    加热区温度/℃ 1200
    实验气压环境/Pa 500
    加热炉1与加热炉2间距/mm 95
    加热炉2与加热炉3间距/mm 0
    加热炉1侧面外壳温度/℃ 271.6
    加热炉1上端外壳温度 471
    加热炉1下端外壳温度/℃ 430.2
    加热炉2侧面外壳温度/℃ 284.4
    加热炉2上端外壳温度/℃ 556
    加热炉3侧面外壳温度/℃ 305.7
    加热炉3下端外壳温度/℃ 227.7
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    表  2  关键部组件热控指标

    Table  2.   Thermal control indicator of key components

    名称温度/℃
    电机10~60
    编码器10~55
    丝杠5~75
    导轨5~75
    滑块5~75
    裸露皮肤可触及部位10~45
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    表  3  液冷板设计参数

    Table  3.   Dimensions of cold plates

    名称长度/mm宽度/mm厚度/mm
    立冷板59030012
    下冷板24424212
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    表  4  仿真主要参数

    Table  4.   Dimensions of simulation

    进口液体
    流量/(L·h−1
    进口液体
    温度/℃
    舱内对流换
    热系数/(W(m2·K))−1
    舱内环境
    温度/℃
    90 26.5 2 25
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    表  5  关键部组件热分析结果

    Table  5.   Results of key components

    名称 热分析最高温度 指标要求
    电机 45.7 10~60
    编码器 44.8 10~55
    丝杠 68.0 5~75
    滑块 62.9 5~75
    导轨 62.8 5~75
    皮肤可触及部位 35.8 10~45
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    表  6  热实验与热分析结果对比

    Table  6.   Results comparison of thermal analysis/test

    名称 热分析最高温度 热实验最高温度 指标要求
    电机 45.7 42.2 10~60
    编码器 44.8 40.6 10~55
    丝杠 68.0 62.4 5~75
    滑块 62.9 59.6 5~75
    导轨 62.8 57.3 5~75
    皮肤可触及部位 35.8 31.6 10~45
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-16
  • 录用日期:  2023-01-01
  • 网络出版日期:  2023-03-14
  • 整期出版日期:  2024-03-27

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