月球車溫控系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種月球車溫控系統，具體涉及的是一種基于月面g/6重力自循環流 體回路和相變材料的月球車溫控系統。
【背景技術】
[0002] 作為月球車的一個重要組成部分，溫控系統通過控制月球車內外的熱交換過程， 使得月球車內的宇航員和電源、綜合電子、移動、導航、測控等分系統的溫度水平處于規定 范圍之內，進而保障月球車安全、高效地開展探月活動。
[0003] 月球的晝夜時間各長達約14天，晝夜溫差大，白晝溫度高達150°C，夜間可下降 到-180°C，月球車在這樣的熱環境下，晝夜溫差很大，通過包裹隔熱層和設置散熱板等傳統 方法可以有效降低月晝期間月球車內部溫度，但是月夜期間，月球車對外輻射散熱會導致 內部溫度很低，甚至低于月球車內部設備（如電源、綜合電子）的生存溫度，導致儀器設備 損壞不能繼續工作，所以溫控系統面臨的最大挑戰是如何在沒有能源供給的情況下幫助月 球車度過長達14個地球日的月夜，確保巡視器中的儀器設備處于適宜的溫度水平。美國的 月球探測器使用攜帶大量電池加熱的方式幫助儀器度過月夜，俄羅斯則采用"同位素熱源 (RHU)和密封艙內對流"的方法來控制儀器設備的溫度。攜帶大量電池增大能源的消耗的 同時也大大增加了月球車的質量，提高發射成本。采用同位素熱源加熱的方法對月球車月 夜供熱安全性、可靠性帶來威脅。
[0004] 為此，本發明用所述的相變儲能裝置將月晝太陽輻射熱量儲存至月夜加熱所述的 月球車儀器設備，充分利用月晝熱量為月夜月球車的輻射散熱做熱補償，保持月球車體的 熱平衡，無需電源供給即可實現熱量的高效傳輸，大大增加月球車的月夜供熱安全性，基于 月面g/6重力的自循環流體回路保證本發明能夠長期穩定運行，為月球車提供可靠溫控效 果。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供了一種無需電源供 給通過利用月晝太陽能輻射熱維持月夜月球車工作溫度的月球車溫控系統，該系統可以對 月球車體進行合理熱補償，長期穩定實現熱量的高效傳輸，提高設備安全性和可靠性。
[0006] 技術方案
[0007] 為解決月球車月夜溫控系統存在的上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0008] 一種月球車溫控系統，其特征在于：包括自循環流體回路、相變材料儲能裝置和太 陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置，所述自循環流體回路包括儲液罐、液體管路、多孔芯蒸 發器、氣體管路以及連接在所述液體管路上的毛細管溫控流量閥，所述多孔芯蒸發器包括 液體入口、氣體出口以及連接液體入口和氣體出口之間的內置有吸液芯的平行通道；所述 液體管路連接在多孔芯蒸發器的液體入口和儲液罐的出口之間，所述氣體管路穿過月球車 的儀器設備箱并連接在多孔芯蒸發器的氣體出口于儲液罐的入口之間，在所述儲液罐內設 置有循環流體；所述毛細管溫控流量閥包括閥門以及控制所述閥門打開或關閉的毛細管溫 控裝置，該毛細管溫控裝置包括感溫端和控制端，所述感溫端位于所述儀器設備箱內，所述 控制端連接所述閥門；所述相變材料儲能裝置包括儲能箱以及儲能箱內的相變材料；所述 多孔芯蒸發器位于所述儲能箱內；所述太陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置包括真空管以 及真空管內的相變傳熱工質，所述真空管包括吸熱蒸發區和放熱冷凝區，所述放熱冷凝區 位于所述儲能箱的相變材料內，在所述放熱冷凝區設置有樹狀分枝肋片結構。
[0009] 所述樹狀分枝肋片結構包括N級分枝肋片，上下級分枝肋片的直徑之比為Ν4/δ， 其中△為直徑維數取大于等于7/3且小于等于3的實數；上下級分支流道的長度之比為 f1/d，d為長度維數取大于1且小于等于2的實數，與所述冷凝區真空管連接的第一級肋片 為空心肋片，所述相變傳熱工質在真空管和空心肋片內循環。
[0010] 所述毛細管溫控裝置的感溫端為一溫度傳感器。
[0011] 所述毛細管溫控裝置的控制端為一應力感應活塞，在應力感應活塞與溫度傳感器 之間填充有感溫傳壓介質。
[0012] 所述感溫傳壓介質為甲醇或丙酮。
[0013] 所述多孔芯蒸發器還包括液體分流器和蒸氣匯集器，在液體分流器上設置有液體 入口，在蒸汽匯集器上設置有氣體出口，所述平行通道連接在液體分流器和蒸汽匯集器之 間。
[0014] 所述循環流體是氨或乙醇。
[0015] 所述相變傳熱工質是氨或乙醇。
[0016] 本發明公開了一種月球車溫控系統，包括自循環流體回路、相變材料儲能裝置和 太陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置。其中，自循環流體回路包括儲液罐、毛細管溫控流量 閥、液體管路、多孔芯蒸發器和氣體管路等部分。月晝期間，太陽能驅動蒸發冷凝自回流換 熱裝置在月球車外部吸收太陽輻射熱，通過浸沒在相變材料中的冷凝區樹狀分枝肋片傳熱 給相變材料，相變材料吸熱發生相變，將熱量儲存在月球車內部所述的相變材料儲能裝置 中。月夜期間，相變材料儲能裝置加熱所述的多孔芯蒸發器中的循環流體使其氣化，氣態循 環流體沿著所述的氣體管路流至月球車中需要加熱的儀器設備，放熱冷凝至液態，在月面 g/6重力作用下回流至儲液罐，液態循環流體流經所述的毛細管溫控流量閥，通過液體管路 流至多孔芯蒸發器中吸熱氣化，完成月球車溫控循環。
[0017] 月面具有引力，其加速度約為g/6,循環流體在多孔芯蒸發器中吸熱氣化，儲液罐 內仍有一定液態循環流體存在，回路兩側形成液面高度差Ah。
[0018] 兩側工質狀態不同導致存在密度差，液態管路循環流體平均密度為P i，氣態管路 循環流體平均密度為P2，則回路中的驅動壓力Λ Pd即為：
[0019] ΔΡ(? = (P1 -p?JAh| ( I )
[0020] 在此驅動力下，循環流體即可循環運行起來。工質在循環回路的各個部分的流動 會產生阻力。液體管路產生的阻力為AP 1，多孔芯蒸發器的阻力為APk、氣體管路的阻力為 ΛΡ2,冷凝管路的阻力為ΛΡ3,則循環回路的總的阻力八匕為：
[0021] ΔΡζ= ΔΡ !+APk+AP2+AP3 (2)
[0022] 當回路中形成的驅動壓力APd大于等于阻力ΛΡζ，回路無需額外動力就可以循環 運行。
[0023] 毛細管溫控流量閥開度受到溫度傳感器信號控制。溫度傳感器放置于月球車設備 箱（如電源、綜合電子設備等）內部，可以設計當檢測到月球車內部設備溫度低到某一限度 時，毛細管內工質收縮到一定程度，管內壓力降低，打開毛細管溫控流量閥，循環流體流過 毛細管溫控流量閥開始循環過程。當月球車溫度高于某一限度時，毛細管內工質膨脹到一 定程度，管內壓力升高，關閉毛細管溫控流量閥，循環回路終止。所以在月晝期間月球車設 備溫度較高，無需供熱保溫，毛細管溫控流量閥關閉，相變材料保溫裝置處蓄熱階段；月夜 期間，月球車設備溫度降低，需要加熱保溫時所述的毛細管溫控流量閥打開，自循環流體回 路開始工作，將熱量從相變材料保溫裝置中高效地輸送至月球車設備，維持設備的熱平衡， 起到保溫的作用。
[0024] 相變材料儲能裝置由相變材料和保溫裝置組成，月晝期間通過太陽能驅動蒸發冷 凝自回流換熱裝置浸沒其中的肋片吸熱，相變材料發生相變儲存熱量。月夜期間相變材料 儲能裝置加熱循環流體，即成為月球車月夜溫控系統的熱源。肋片區無傳熱工質，隔斷相變 材料儲能裝置與太陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置傳熱，減少相變材料儲能裝置月夜散 熱，提尚其隔熱性能。
[0025] 太陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置由冷凝區、吸熱蒸發區、相變傳熱工質和真 空保護層等部分組成，冷凝區由四級樹狀分枝肋片結構組成。月晝期間太陽能驅動蒸發冷 凝自回流換熱裝置處于工作狀態，相變傳熱工質在吸熱蒸發區吸收太陽輻射熱發生相變， 密度的變化導致氣態相變傳熱工質向上流動，流到浸沒在相變材料內的樹狀分枝散熱肋片 組成的冷凝區放熱，冷凝至液態，在月面g/6重力作用下，回流至吸熱蒸發區，完成太陽能 驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置吸熱放熱循環過程。月晝期間該裝置能夠持續穩定向相變 材料儲能裝置輸送熱量。月夜期間，太陽能驅動蒸發冷凝自回流換熱裝置將向外空間輻射 散熱，真空保護層可以起到減少輻射散熱量的作用，由于溫度降低，相變傳熱工質蒸發量減 少，在樹狀分枝肋片區的吸熱量也大大減少，減少月夜熱量散失。
[0026] 冷凝區的樹狀分枝肋片結構分為N級，每級連接著分枝數MXN的下一級肋片，上 下肋片的夾角為60度。上下級分枝肋片的直徑之比為，其中Λ為直徑維數。上下級 分支流道的長度之比為f 1/d(d長度維數取大于1且小于等于2的實數）。第一級分枝肋片 為空心結構，直接與相變傳熱工質流動通道連通，氣態的相變傳熱工質可以流入其中；第二 級分枝肋片也是空心結構并與第一級分枝肋片直接連通；第三級分枝肋片和第四級分枝肋 片為實心結構，為金屬散熱片，提高散熱能力。
[0027] 多孔芯蒸發器由液體分流器、平行圓柱通道和蒸氣匯集器組成，平行圓柱通道內 布置吸液芯。多孔芯蒸發器浸沒在相變材料儲能裝置中，月晝期間，多孔芯蒸發器內無循環 流體，處于非工作狀態；月夜期間，自循環流體回路工作，液態流體工質經液體分流器分流 至圓柱通道內，多個平行圓柱通道可以增大循環流體與相變材料的接觸面積，增強換熱能 力，所述平行圓柱通道內的吸液芯可以使液態循環流體充分利用圓柱通道上部氣態循環流 體空間，增大熱量傳輸效率。
[0028] 有益效果