[发明专利]一种近地轨道下空间堆热管辐射器传热特性分析方法

权利要求书

1.一种近地轨道下空间堆热管辐射器传热特性分析方法，包括以下步骤：

步骤1：确定空间堆运行轨道高度、倾角和周期，确定辐射器结构与初始参数，输入热管热源和热阱温度，设定计算时间；

步骤2：对辐射器的热管及焊接在热管上的翅片划分控制体，热管沿径向和轴向划分控制体，翅片沿热管轴向及垂直于热管方向划分控制体，初始时刻对每个控制体设定同一温度；

步骤3：对当前时刻热管进行传热计算，计算热管管壁、吸液芯及蒸汽腔温度随时间变化率；

热管由管壁、吸液芯及蒸汽腔组成，对热管的传热计算包括管壁导热，吸液芯流动换热，及蒸汽腔的流动换热，其传热方程如下：

管壁区域

吸液芯区域：

蒸汽区域：

式中：

C_w——管壁区域体积热容/J·m^-3·K^-1

C_eff——吸液芯有效体积热容/J·m^-3·K^-1

C_v——蒸汽区域体积热容/J·m^-3·K^-1

T_w——管壁温度/K

T_ws——吸液芯温度/K

T_w——管壁温度/K

T——蒸汽温度/K

t——时间/s

x——吸液芯、管壁径向坐标/m

y——吸液芯、管壁轴向坐标/m

z——蒸汽区域轴向坐标

ε——吸液芯等效系数

K_eff——吸液芯等效导热系数/W·m^-1·K^-1

K_l——工质导热系数/W·m^-1·K^-1

K_s——吸液芯导热系数/W·m^-1·K^-1

T₊——气液界面温度/K

R_r——气液表面相变热阻/K·W^-1

R_z——蒸汽腔轴向热阻/K·W^-1

步骤4：计算当前时刻太阳辐射热流密度；

太阳辐射热流密度与空间堆所处位置有关，空间堆沿近地轨道运行至不同位置，将受到不同程度的阳光照射；太阳光与空间堆相对位置由下式(5)-(11)计算：

太阳光与轨道面夹角：

sini_θ＝cosisinIsinψ+sinisinΩcosψ-sinicosIcosΩsinψ (5)

计算坐标系相角：

cosΦ＝cosi'cosθ (6)

计算坐标系飞行器主轴赤经纬：

δ_n＝arcsin[sini'sin(π+θ)] (7)

sinα_n＝tanδ_n/tani (8)

cosα_n＝cos(π+θ)/cosδ_n (9)

计算坐标系太阳角：

cosψ_s＝cosδ_ncos(α_n-π/2) (10)

卫星坐标系太阳赤经：

cosλ_s＝-cosΦ/sinψ_s (11)

太阳辐射热流密度：

φ₁＝cosβ_s＝cosψ_ssinφ_acos(λ_a-λ_s) (12)

i_θ——太阳光与卫星轨道面夹角/°

i——运行轨道倾角/°

i'——计算坐标系下运行轨道倾角/°，i'＝-i_θ

I——黄赤交角/°

Ψ——太阳黄经/°

Ω——升交点赤经/°

θ——会日点至卫星地心角距/°

α_n——卫星主轴赤经/°

δ_n——卫星主轴赤纬/°

Ψ_s——计算坐标系上太阳角/°

λ_s——卫星本体坐标系太阳赤经/°

φ₁——太阳辐射角系数

b——翅片宽度/m

Q——太阳辐射热流密度/W·m^-2

S——太阳常数，S＝1353(±21)W·m^-2

Φ——坐标系相角/°

x₀——翅片起始坐标/m

x_e——翅片终止坐标/m

上式中在计算出太阳光与空间堆相对位置，利用式(12)-(13)即能得到太阳辐射热流密度；

步骤5：计算当前时刻翅片温度随时间变化率

对于翅片，排出热量由三部分组成，为翅片两侧辐射换热、焊接与热管部分的翅片散热、裸露的热管散热；对翅片模型的求解主要考虑翅片外侧与外部环境、热管冷凝段换热，翅片内侧与上下端散热及翅片内侧间换热，利用步骤4求得的太阳辐射热流密度，得到如下控制方程：

式中：

T——翅片微元体温度/K

ε——黑度

T_con——热管冷凝段根部温度/K

T_out——为外部环境温度/K

λ——翅片导热系数/W·m^-1·K^-1

b——翅片厚度/m

f_o1——翅片外侧与外部环境的辐射角系数

f_o2——翅片外侧与热管冷凝段辐射角系数

f_i1——翅片内侧与外部环境辐射角系数

f_i2——翅片自辐射角系数

σ——玻尔兹曼常数，σ＝5.67×10^-8W·m^-2·K^-4

Q——太阳辐射热流密度/W·m^-2

步骤6：利用吉尔算法求解下一时刻的热管及翅片温度参数，循环计算直到达到设定时间循环计算直到达到设定时间；

由于辐射器热管及翅片各部分划分为控制体，则存在一系列的传热控制体，因此有一系列一阶线性方程，离散后，方程转化为带有初值的非线性微分方程组，统一体形式为：

根据求解出的温度随时间的变化率，吉尔算法将重复计算迭代求解得到当前时刻热管及翅片的温度值，计算完成后进行下一时刻计算；最终通过步骤3-5计算至设定时间。