一種月球車輻射散熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種月球車輻射散熱器，具體涉及的是一種基于g/6重力驅(qū)動氣液兩相自循環(huán)回路和重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板散熱片的月球車輻射散熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]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(huán)境下，晝夜溫差很大。月晝期間，月球車吸收大量太陽輻射熱，各設(shè)備工作也會發(fā)出熱功率，導致設(shè)備溫度升高，甚至會超過其最高溫限，造成設(shè)備的損壞。月球車月晝的散熱是維持設(shè)備健康運行的重要溫控環(huán)節(jié)。
[0003]傳統(tǒng)的散熱措施有熱控涂層、熱控百葉窗和靜電熱開關(guān)輻射散熱器等。熱控涂層是在月球車表面均勻涂覆熱控涂層，但是在空間環(huán)境中，熱控涂層會出現(xiàn)太陽吸收率退化現(xiàn)象，因此會造成月球車溫度升高，縮短其工作壽命；熱控百葉窗是一種利用低輻射率可動葉片不同程度地遮擋高輻射率的儀器散熱表面來控制溫度的裝置，百葉窗調(diào)整過程中存在困難，運動部件容易磨損影響使用壽命，運動中可能存在共振作用，對器件造成損壞，而且溫控精確度不高；靜電熱開關(guān)輻射散熱器是基于熱開關(guān)原理，在使用過程中需要消耗能量給月球車能源系統(tǒng)帶來壓力，并且對月球車溫度控制精確度不足，開關(guān)的接通與斷開使元件外表面發(fā)生周期性形變，長期使用會造成形變疲勞，影響熱控性能。
[0004]為此，本發(fā)明用所述的月面g/6重力驅(qū)動的氣液兩相自循環(huán)回路，無需能源供給即可實現(xiàn)熱量高效傳輸，基于重力壓力驅(qū)動的可伸縮波紋板可根據(jù)設(shè)備溫度有效控制輻射散熱量，實現(xiàn)精確溫控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于月面g/6重力的能根據(jù)溫度變化調(diào)整輻射散熱量的氣液兩相自循環(huán)回路溫控輻射散熱器，無需電源供給即可實現(xiàn)熱量的高效傳輸，并且能夠在月面環(huán)境長期穩(wěn)定運行。
[0006]為解決月球車月夜溫控系統(tǒng)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種月球車輻射散熱器，包括月球車設(shè)備以及置于月球車設(shè)備外的隔熱層，其特征在于:在所述隔熱層上設(shè)置有至少一個散熱口，在該散熱口上設(shè)置有隔熱蓋，在所述散熱口與月球車設(shè)置之間還設(shè)置有流體自循環(huán)回路，該流體自循環(huán)回路包括儲液罐、蒸氣管路、冷凝區(qū)和液體管路，所述儲液罐與所述月球車設(shè)備相連，所述冷凝區(qū)位于所述散熱口下端，在所述儲液罐內(nèi)有蒸發(fā)區(qū)、泡沫金屬吸液芯和氣液分離器，在所述冷凝區(qū)上端設(shè)置在所述蒸汽管路氣體壓力作用下伸出所述散熱口的重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板，在該重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板的表面設(shè)置有散熱肋片，所述隔熱蓋設(shè)置在重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板上端。
[0008]所述散熱肋片基于謝爾賓斯基地毯規(guī)則生成。
[0009]所述重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板的折疊層數(shù)為N，N為大于等于2的整數(shù)；所述重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板完全收縮時兩層間的夾角為α，0° <α〈60°，所述重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板完全伸開時兩層間的夾角為β，90° <β〈180° ;所述的謝爾賓斯基地毯肋片共有M級，M為大于等于I的整數(shù)。
[0010]在所述冷凝區(qū)設(shè)置有疏水內(nèi)表面，疏水內(nèi)表面選用紫銅、氟碳樹脂或硅樹脂。
[0011]所述疏水內(nèi)表面的制備方法是模板法、刻蝕法、溶膠-凝膠法或電化學反應(yīng)與沉積。
[0012]所述流體自循環(huán)回路的傳熱流體工質(zhì)是氨、丙酮或甲醇；
[0013]所述泡沫金屬吸液芯是石墨泡沫或鐵镲泡沫；
[0014]所述氣液分離器是過濾式、碰撞式或螺旋式。
[0015]本發(fā)明公開了一種月球車輻射散熱器，是一種月面g/6重力驅(qū)動流體自循環(huán)回路輻射散熱裝置，包括儲液罐、蒸氣管路、冷凝區(qū)和液體管路等部分，其中儲液罐內(nèi)有蒸發(fā)區(qū)、泡沫金屬吸液芯和氣液分離器等部分，冷凝區(qū)是由隔熱層和重力壓力耦合驅(qū)動可伸縮波紋板組成，所述的波紋板表面為基于謝爾賓斯基地毯規(guī)則生成的散熱肋片。月夜期間，月球車內(nèi)設(shè)備(如電源、綜合電子等)溫度很低，無需散熱，與之接觸的蒸發(fā)區(qū)傳熱流體工質(zhì)吸熱量較少甚至為零，無蒸氣產(chǎn)生，流體自循環(huán)回路內(nèi)壓力較低，波紋板處于壓縮狀態(tài)，隔熱層與月球車殼體隔熱層相嚙合，起到保溫的作用，月球車輻射散熱器處于休眠狀態(tài)。月晝期間，月球車吸熱升溫，內(nèi)部設(shè)備投入工作溫度也相應(yīng)升高，蒸發(fā)區(qū)傳熱流體工質(zhì)開始吸熱氣化，蒸氣流過氣液分離器除去攜帶的液態(tài)流體工質(zhì)，通過蒸氣管路流至冷凝區(qū)。流體自循環(huán)回路吸熱產(chǎn)生蒸氣導致壓力升高，壓力將使波紋板抬升，波紋板表面伸出月球車外殼，冷凝區(qū)的蒸氣得以通過謝爾賓斯基地毯肋片向空間輻射散熱。月球車內(nèi)部設(shè)備溫度越高，所流體自循環(huán)回路吸熱量越大，產(chǎn)生的蒸氣越多，內(nèi)部壓力越大，波紋板被抬升的越高，冷凝區(qū)的輻射面積越大，對外散熱量越多，起到了溫控的作用。蒸氣在冷凝區(qū)放熱冷凝至液態(tài)，在月面g/6重力作用下沿著冷凝區(qū)內(nèi)部疏水表面流至液體管路，再回流至儲液罐，在蒸發(fā)區(qū)內(nèi)繼續(xù)吸熱，完成月晝溫控自循環(huán)。
[0016]自循環(huán)回路包括:儲液罐、蒸氣管路、冷凝區(qū)、液體管路等部分?；芈分谐淙胍欢總鳠崃黧w工質(zhì)，其他空間為真空。月夜期間無蒸發(fā)，儲液罐液面與流體管路內(nèi)液面持平。月晝期間，月球車設(shè)備溫度升高，蒸發(fā)區(qū)液態(tài)流體傳熱工質(zhì)吸熱氣化，泡沫金屬吸液芯起到強化傳熱的作用，可以將月球車設(shè)備熱量高效地傳輸至流體傳熱工質(zhì)。氣態(tài)流體工質(zhì)密度小于液態(tài)流體工質(zhì)，在月面g/6重力作用下逸出液面。液面以上為真空，蒸氣逸出后將擴散到真空區(qū)域，流經(jīng)所述的氣液分離器，除去攜帶的液態(tài)流體工質(zhì)，防止液態(tài)流體工質(zhì)堆積在蒸氣管路造成堵塞，影響回路工作性能。蒸氣擴散至冷凝區(qū)，在冷凝區(qū)放熱冷凝至液態(tài)，通過冷凝區(qū)疏水表面流至液體管路，蒸氣持續(xù)冷凝導致冷凝區(qū)的蒸氣壓力小于蒸發(fā)區(qū)和蒸氣管路的氣壓，這個壓力差就是蒸氣流動的動力。冷凝的液態(tài)流體工質(zhì)回流至液體管路，導致液體管路中的液面高于儲液罐液面，在月面g/6重力作用下，兩液面將保持一致，即液態(tài)流體工質(zhì)將回流至儲液罐，繼續(xù)蒸發(fā)，完成溫控循環(huán)。
[0017]儲液罐由蒸發(fā)區(qū)、泡沫金屬吸液芯和氣液分離器等部分組成，儲液罐直接與月球車設(shè)備(如電源、綜合電子等)的散熱片直接接觸，蒸發(fā)區(qū)布置泡沫金屬吸液芯，泡沫金屬以其比重小、孔隙率高、比表面積大和滲透性高的的優(yōu)點可以高效地將月球車設(shè)備熱量傳遞給流體工質(zhì)，流體工質(zhì)吸熱氣化，逸出液面的氣態(tài)工質(zhì)將會攜帶少量液態(tài)工質(zhì)，為避免液態(tài)工質(zhì)在蒸汽管道中積聚，在儲液罐出口處設(shè)置氣液分離器。儲液罐將起到儲存和持續(xù)供給液態(tài)流體工質(zhì)的作用，在月晝期間，源源不斷地吸收月球車設(shè)備多余熱量，可以穩(wěn)定控制月球車設(shè)備的溫度。
[0018]波紋板表面為謝爾賓斯基地毯肋片結(jié)構(gòu)。隔熱蓋材料與月球車殼體隔熱材料相同，在月夜期間，輻射器處于非工作狀態(tài)，重力壓力耦合驅(qū)動的可伸縮波紋板在重力作用下處于收縮狀態(tài)，月面g/6作用下所述的隔熱蓋與月球車殼體相嚙合，可以實現(xiàn)對月球車體的保溫功能。月晝期間，流體自循環(huán)回路開始工作，回路內(nèi)產(chǎn)生蒸氣壓力升高，在壓力作用下，波紋板將被抬升出月球車殼體表面，波紋板通過謝爾賓斯基地毯肋片直接向空間輻射散熱。蒸氣散熱冷凝成液態(tài)，冷凝區(qū)內(nèi)表面為疏水表面，有利于液態(tài)流體工質(zhì)順利回流至液體管路。循環(huán)回路內(nèi)蒸汽量越大，回路壓力越高，波紋板被抬升得越高，直接輻射面積越大，輻射散熱量越大，即月球車設(shè)備溫度越高，散熱量越大，能夠有效實現(xiàn)溫控功能。
[0019]波紋板表面為謝爾賓斯基地毯肋片結(jié)構(gòu)。波紋板在月夜期間收縮至夾角為α，此狀態(tài)下隔熱層與月球車外殼相嚙合，月晝期間由所述回路內(nèi)壓力控制波紋板的抬升量，抬升至波紋板夾角為β，波紋板在月夜月晝兩種工況轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)最大程度的保溫和散熱。謝爾賓斯基地毯肋片是一種自相似集的分形結(jié)構(gòu)，取波紋板寬度w構(gòu)造正方形，取每邊三等分點將第一級正方形劃分為九個二級正方形，取中間正方形為第一級肋片，肋片寬度為w/3，按此規(guī)則將其他八個二級正方形劃分，并取第二級肋片，肋片寬度為w/9，取至第四級肋片。肋片為空心與冷凝區(qū)蒸氣通道相同，增大蒸氣的直接輻射散熱面積，強化熱量散失，實現(xiàn)對月球車設(shè)備的高效穩(wěn)定溫控功能。
[0020]冷凝區(qū)的疏水內(nèi)表面采用接觸角大于90°的材料制備，在理想物質(zhì)表面上，當液滴達到各項平衡是，各相的表面張力與接觸角之間關(guān)系可以用下式表示:
[0021]cos θ = (γ sv- γ sl) / γ lv (I)
[0022]式中，Ysv為固體表面在飽和蒸氣下的表面張力；γ sl固液間的界面張力；γ lv為液體在它自身飽和蒸