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上海硅酸盐所研制的多孔陶瓷毛细泵主芯首次用

时间:2019-11-06 09:41来源:科学研究
控温型环路热管是一套兼具“共性”和“个性”的完整系统,即核心部件型谱化、管路形状定制化。小巧的毛细泵“心脏”和灵活的柔性管路,优良的传热能力和精确的控温性能,使环

控温型环路热管是一套兼具“共性”和“个性”的完整系统,即核心部件型谱化、管路形状定制化。小巧的毛细泵“心脏”和灵活的柔性管路,优良的传热能力和精确的控温性能,使环路热管在航天、航空、船舶、机电等领域具有广阔的应用前景。 来源:航天科技网站

《中国科学报》 (2016-02-19 第3版 科普) 更多阅读 高分四号卫星首批影像图对外公布 高分四号发回首幅图像 54所研发“高分四号”地面任务管理系统 最高“天眼”高分四号:“高”在何处 “高分四号”发射成功 突破多项关键技术 高分四号卫星成功发射:3.6万公里外可见油轮 中国高分四号卫星年底上天 可监控锁定美航母

环路热管工作原理及毛细芯微观形貌

近日,航天科技集团五院508所与四川省九川科技签署了新型冷链物流车厢温控系统合作协议。自今年3月份以来,双方开展了一款新型冷链物流车厢的研制合作,通过对整个车厢温控系统的制冷温控设计,实现其内部低温环境。

该所产品研发技术人员介绍,虽然同样扮演热量“输送带”的角色,但与卫星上传统使用的槽道热管相比,此套环路热管在将“带宽”从厘米级降低至毫米级的前提下,主要性能指标——“输送量”和“输送距离”不降反升,还新增了槽道热管不具备的远程精确控温功能。

具体来说,科研人员在高分四号相机光学系统外部设置了巨型“智能太阳帽”。可别小看这顶太阳帽,它采用特种材料,经多种先进工艺制备而成,在有效遮蔽太阳光的同时,还能将太阳馈赠的能量迅速扩散,强烈的外部热扰动被“移山填海”,显著降低了冷热交变的幅度。他们采用结构、热控一体化设计技术,实现精确控温,为光学镜头营造了超稳定的内部环境。针对同步轨道固有的“日凌”现象(午夜前后太阳直射入光口),科技人员利用自主研发的多学科集成设计软件,系统评估了“日凌”入射深度对像质的影响,制定了控温模式。

经过数年攻关,上海硅酸盐所曾宇平研究团队在材料的组成设计、制备技术、性能表征以及加工等方面突破了一系列关键技术,成功研制出高气孔率、高强度、高效率多孔陶瓷毛细泵主芯产品,其毛细孔径在0.1-10微米可调,最大毛细抽吸力达70KPa,渗透力强。与金属毛细芯相比,多孔陶瓷毛细芯具有密度小、强度高、耐腐蚀、毛细力大以及热导率低等优点,可显著提高环路热管的稳定性和可靠性。实验表明,安装陶瓷毛细泵主芯的环路热管与传统金属管相比,热源控温精度由±3℃提高到±1℃,甚至更优,从而改善了空间相机的热平衡,大幅度提高了相机的成像质量。

攻关小组成立后,借助航天热控技术优势,积极寻求拓展市场的良方。首先,提高市场导向思想意识,增加热控技术竞争力。热控室向每一位成员既是热控技术专家,又是民品设计、市场开发的精英。其次,倡导宇航热控技术与民用热控应用发展“双轨”并行。最后,秉承拼搏、担当、务实、创新理念,培养一批青年技术骨干,并纳入攻关小组。

控温型环路热管是该所历时5年自主研发成功的一款新型热控产品,主要用于相机焦面组件的热量排散及精密控温。该产品内的管路外径仅为3毫米,虽然是金属材质,却像是一条纤细灵巧的“绳索”,具有良好的柔韧性,可以适应复杂空间布局,通过针对性设计还可以满足机构间相对运动条件下的柔性传热。

与数百公里高度的低轨空间环境相比较,高分四号所处的地球同步轨道不仅严寒,更有酷热,冷热交变十分剧烈。高分四号相机穿越3.6万公里太空凝望祖国,它如何应对恶劣的空间热环境?

近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研制的多孔陶瓷毛细泵主芯作为大功率环路热管的核心部件,首次成功应用于高分9号卫星,标志着我国大功率环路热管技术取得重要突破。多孔陶瓷作为我国自主研发的最新一代毛细泵主芯材料,在国际上首次应用于环路热管,其控温精度在国际上处于领先地位。目前,上海硅酸盐所是国内唯一研制和生产多孔陶瓷毛细泵主芯产品的单位。

据悉,该新型冷链车厢已进入实物产品的生产加工阶段,预计年底样车即可成型。其间508所研制团队将全程跟进温控系统的后续测试,确保此新型冷链物流车厢温控系统性能的最优。

在产品研发过程中,该所创新性地采用特种非金属材料制造毛细芯,属国内首创。这种非金属毛细芯具有更强的毛细力和更好的化学稳定性,可显著提高环路热管的传热性能和可靠性。

空间光学遥感器对光学镜头、探测器等的热控精度要求非常高。北京空间机电研究所在遥感器精密热控技术领域开展了多年的深入研究,相关技术与产品已多次成功应用于我国高分系列卫星相机。

环路热管作为高效的相变传热装置,是卫星和航天飞行器在恒定温度下稳定长寿运行的关键部件,而毛细泵主芯是环路热管中最关键的部件之一。随着卫星有效载荷以及相关仪器设备的功耗越来越大,对系统散热和恒温要求越来越高,现有的金属毛细泵主芯在散热及耐腐蚀等方面已不能满足稳定长寿需求。2012年,针对大功率高稳定长寿命卫星有效载荷的应用需求,航天科技集团五院委托上海硅酸盐所研发新一代陶瓷毛细泵主芯。

“与508所此次合作的达成,根本在于我们对该所热控技术的了解和信任。”九川公司相关人员坦言。

目前,高分九号卫星相机焦平面在轨温度稳定度优于设计要求。这也是继2014年高分二号卫星摘得国内在轨遥感器光学镜头热控精度最高的“桂冠”后,该所再次将我国空间遥感器控温精度推升到新的高度。

在产品研发过程中,北京空间机电研究所创新性地采用特种非金属材料制造毛细芯,属国内首创。此种非金属毛细芯具有更大的毛细力和更好的化学稳定性,可显著提高环路热管的传热性能和可靠性。保守估计,控温型环路热管的在轨使用寿命可达12年以上。

截至目前,高分9号卫星相机焦平面在轨温度稳定度达到±0.5℃,显著优于±2℃的设计要求,将我国空间遥感器控温精度提升到新的高度。由于陶瓷毛细芯环路热管的控温精度和使用寿命大幅度提高,未来其在航空、航天、微电子等诸多领域具有广阔的应用前景。

508所相机热控技术研究室2004年年底成立,是该所从事光学遥感热控技术研究的专业机构室,每年承担约20台套空间光学遥感器的热控系统设计工作,具备了成熟的遥感器热控子系统研制能力,自主完成了高分二号、高分四号等10余个型号20余台/套遥感器的热控子系统研制任务,在轨热控指标满足度100%。

今年,由中国航天科技集团公司五院508所研发的一套控温型环路热管成功应用于高分九号卫星,该产品实现了对遥感器焦平面的精密热控。

无需担心,北京空间机电研究所的科研人员早就考虑到了。他们采用了多项不同于低轨卫星的热控技术,成功抑制了高轨空间环境恶劣的热扰动影响,实现了相机光学系统的高精度温度控制,确保了“天眼”始终具有稳定、优越的视力。

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经仿真分析,与传统的冷链车厢相比,该新型冷链物流车厢保温性能可提升近3倍。

2014年,高分二号1M全色/4M多光谱分辨率相机首次采用间接辐射热控技术,通过结构热控一体化设计方法,实现了相机光学镜头优于1℃的温度控制,摘取了国内在轨遥感器最高热控精度的“桂冠”。高分二号相机CCD器件应用了北京空间机电研究所研制的一款微型槽道热管,热控精度达到±2℃。2015年,微型槽道热管的“升级版”产品——控温型环路热管成功应用于高分相机,实现了相机CCD器件在轨±0.5℃的热控精度,短短一年便将我国空间光学遥感器的热控精度推升到新的高度,达到国际先进水平。

长期以来,508所相机热控技术研究室以承接宇航型号任务为主。随着国家军民融合政策的大力支持及发展,热控室为早日进军民用市场专门成立了攻关小组,由青年带头人领军,根据市场要求,提前制定热控研制方案。

高分四号卫星于2015年12月29日成功发射,是我国首颗地球同步轨道高分辨率光学成像卫星,也是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道光学成像卫星。高分四号卫星定点于赤道上空3.6万公里处,它的主载荷——由中国航天科技集团中国空间技术研究院北京空间机电研究所研制的高分辨率光学遥感器,如“天眼”般日夜凝望和守护着神州大地。

薄发于民用市场应用

揭秘我国高分系列相机的精密热控技术

为成功制定环保、经济、科学的实施方案,攻关小组调研国外、国内相关市场以及项目解决方法,最终制定了三步走的方案,解决了传统制冷技术的难题,为该所实现热控技术军民融合的目标夯实了实基础。 来源:航天科技网站

与传统的槽道热管相比,控温型环路热管具有多重技术优势,管路直径从厘米级降至毫米级,传热能力、传输距离分别提升至400W和20m以上,更新增了远程精确控温功能。同时,它还是一套兼具“共性”和“个性”的集成式系统,即核心部件型谱化、管路形状定制化。小巧的毛细泵“心脏”和灵活的柔性管路,优秀的传热能力和精确的控温性能,使环路热管在航天、航空、船舶、机电等领域具有广泛的应用前景。

厚积航天热控技术

自主研发此款控温型环路热管,北京空间机电研究所花费了5年时间。该产品主要用于相机焦面组件的热量排散及精密控温,由毛细泵、工质、管路及冷凝器等组成。毛细泵是它的“心脏”,没有任何运动部件,仅靠毛细芯为工质提供循环动力。管路的外径仅为3mm,虽然是金属材质,却像是一条纤细灵巧的绳索,具有良好的柔韧性,可以适应复杂空间布局,通过针对性设计还可以满足机构间相对运动条件下的柔性传热。

合同来之不易,他们很珍惜。由于冷链物流车热控技术属国内技术难度极高的控温技术,传统压缩机制冷技术极易导致物流车车厢内温度分布不均,同时传统制冷方法也容易产生污染气体,不利于环保。

专家称,高分专项是“天眼”工程,是建立我国战略性空间基础设施的重大工程,对确保我国空间信息资源的自主权有重要意义。“天眼”看地球,“慧眼”识九州,北京空间机电研究所承担了高分专项多颗卫星的相机研制任务。研究所持续推动专业能力建设,在相机精密热控技术等领域取得了多项重大突破,相关技术成果迅速转化应用,有力确保了高分专项相关任务的圆满成功

“目前研究室有设计师40余名,平均年龄30.5岁,博士10人,硕士22人。可以说,如此具有朝气、高学历的配置,奠定了热控室仿真分析能力高、学习能力强、产品研发有效率的基础,也使得研究室具备了成熟的遥感器精密热控系统研制、国内一流的创新型精密热控产品研发实力!”508所热控技术研究室主任赵振明话语铿锵,“我们在遥感器热分析与热设计的内外温度场三维仿真分析、搭建测试平台的热试验方案、环路热管的传热能力、控温精度、槽道热管等方面具备了强大的技术实力和转化基础。”

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