空间站环控生保系统热管理研究

结构轻量化对于航天器来讲有十分重要的意义。与常规的单体结构与设备的轻量化技术途径不同，本文从系统和热管理的角度来寻求减小空间站环控生保系统质量和功耗的有效方法。环控生保系统在一定意义上可以看成由一系列换热组件和流体回路所构成的流动与换热网络。本文建立了简化的热网络系统传热、流动及质量构成的物理数学模型。首先考察了热组件在热网络中的布局对系统质量的影响规律，以系统总换热面积最小为目标，证明了串联回路中存在最佳热组件布局，进而提出了热组件的布局原则：理论分析了并联回路中冷媒流量分配对系统质量的影响，求解出最佳冷媒流量分配率，提出冷媒流量分配的原则；设计建造了热网络性能与质量评估的简易实验装置，实验验证了热组件的布局原则和冷媒流量分配原则。研究了回路管径、冷媒流量、系统特征温度等结构与操作参数对系统质量的影响规律。对系统进行了全局轻量化的计算分析，可使系统质量下降约30％。 建立了环控生保系统的主要子系统—TIMES尿液处理系统的物理数学模型，分析了影响该系统质量与功耗的因素以及影响规律，这些因素主要有热电制冷器数目、流量及冷凝压力等，对它们的优化可使TIMES系统质量下降20～40％。提出了调整热电制冷器的供电方式，使电流供应与冷热端温差相互协同、减小接触热阻等热管理手段；对聚丙烯中空纤维膜处理尿液的可行性进行了实验研究，在此基础上研制了TIMES实验样机，对所提出的热管理手段进行实验验证。在保证净水产量和水质的前提下，系统用电量和单耗下降了约40％。 论文还对环控生保系统的另一主要子系统—SPE水电解制氧系统的性能及轻量化问题作了理论分析和数值研究。根据电化学理论、热力学定律及能量输运规律，推导了电流效率的理论计算式，建立了SPE水电解制氧系统工作过程和质量构成的数学模型。着重分析了主要性能参数电流效率、氧产量、电耗及单耗的影响因素及影响规律。对影响系统质量的主要因素进行了全局轻量化的分析，可使系统质量下降约23.8％。