月球车热管理系统质量优化

马 林，刘学超，冯孝辉，吴 宏，闻 洁，于兆吉*

（1. 航天东方红卫星有限公司，北京 100094；2. 北京航空航天大学 能源与动力工程学院，航空发动机气动热力重点实验室，北京 100083）

0 引言

在月球大温差、长周期的恶劣环境下，月球车热管理系统为月球车各部件提供适宜而稳定的温度环境，确保车体探月任务的完成。月球车的热控方案有基于流体回路的主动热控方案，也有散热布局优化、利用太阳电池阵遮阳等被动热控方案，本文选择流体回路方案进行分析。对于航天器，质量是其评价的一个重要指标。如何在满足热控性能的前提下尽量减小月球车的质量，对提高月球车的性能具有重要意义。

目前对航天器的质量优化研究主要集中在改进单体设备的性能和采用轻质材料上[1-4]。从流动与传热的角度来看，热控系统内部热组件是相互耦合的，故可看成是一个流动和换热网络系统。在这个网络系统中，电源系统供能给电子设备、机械设备和泵系统；泵系统驱动冷媒带走电子设备和机械设备的废热，维持系统的温度平衡；而流动阻力直接决定了泵功率和所需的电源系统的质量。因此，在热组件散热量和温度需求一定的情况下，对回路系统进行优化分析设计以减小系统的总体质量有重要意义。

本文在月球车热管理系统模型热网络分析的基础上，研究辐射器出口温度、热回路管径、冷媒流量、阀门和弯管以及电控制元件等参数的变化对月球车热管理系统质量的影响；然后根据探月车辆模型环境参数和工作参数，利用搜索寻优法确定使系统质量最小的最佳系统结构参数和操作参数，以实现热管理系统的初步质量优化。

1 月球车热管理系统模型分析

图1 为探月车辆热管理系统的简化模型。其中，月球车的热组件主要有电子设备、电源设备和机械设备，由于机械设备位置的原因，需要2 个换热器对其进行温度控制。系统通过泵和阀门组织回路输运热量，利用辐射散热器将热量散布给外界低温热沉。

图1 月球车热管理系统简化模型Fig.1 Simplified model of lunar rover's thermal management system

本文是在热组件发热量和工作温度一定的情况下，改变系统的某一个参数，分析这个参数变化对系统总体质量的影响。为了计算分析方便，主要做了以下简化和假设：

1）只作稳态分析，按热组件的平均散热功率和其控制温度计算，不考虑其瞬态变化；把换热器或冷板当作节点处理，每个节点近似为一个等温体，利用集总参数法进行分析。

2）换热器的换热系数为h=200 W/(m2∙K)，效率为100%；辐射器的辐射效率为100%，表面发射率ε=0.92，辐射器的空间热沉Ts=0 ℃（取0 ℃作为计算分析的基准温度，分析系统冷媒流量、管径、电热元件等对系统质量的影响规律。实际工程中，根据辐射散热器的具体安装位置、环境温度等具体设定）。

3）根据月球车热参数，按照图1 中顺序，将机械设备1、电源设备、电子设备和机械设备2 的工作温度分别选定为：20 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃，散热量分别为：70 W、100 W、100 W、120 W。

4）采用水作为回路冷媒，回路入口温度Tin=10 ℃，不考虑流体流经泵组件和阀门的温升，不考虑流体管路摩擦产生的温升。

5）由于在采用的材料相对固定的情况下，部件质量主要取决于使用面积，所以主要以系统使用面积作为质量的评价指标。

下面主要研究辐射器出口温度、回路冷媒管径、冷媒流量、阀门和弯管以及电控制元件等对月球车热管理系统质量的影响。

2 热管理系统质量的影响因素

2.1 辐射器出口温度

采用对数平均温差计算换热器的换热量，对图1中物理模型建立数学模型如下：

图2 总换热面积随辐射器出口温度的变化Fig.2 Variation of the total heat exchange area against the temperature of the radiator outlet

由图2 可知：热组件的换热面积均随着辐射器出口温度的升高而逐渐增大，且趋势越发显著；辐射器的辐射面积随着辐射器出口温度的升高而逐渐减小，且趋势逐渐变缓。出口温度的升高，说明辐射换热器的表面平均温度升高了，于是辐射换热的温差增大，辐射换热面积显著下降。而对于热组件，辐射器出口温度的升高使其换热的温差减小，导致其换热面积增加，且增加程度逐渐变大。

计算分析系统总质量随辐射器出口温度的变化，结果如图3 所示，可知：系统总质量随着辐射器出口温度的升高而逐渐降低。

图3 系统总质量随辐射器出口温度的变化Fig.3 Variation of the total mass of the system against the temperature of radiator outlet

因此，在满足回路散热需要和热组件温度控制要求的前提下，应尽可能提高散热器出口的温度。

2.2 热回路管径

2.2.1 当流量一定时

当系统热组件的散热量和冷媒流量一定时，回路管径的变化会引起流体流速的变化，从而改变换热器的换热系数以及回路中冷媒流动的阻力[5]，系统循环驱动设备（压缩器或者泵）的功率随之改变，系统所需电源设备的质量也将变化。

图4 换热面积随管径的变化Fig.4 Variation of the heat exchange area against pipe diameter

图5 为系统所需电源设备质量随管径的变化关系。由图可知：随着管径的增大，管路系统质量呈线性增大，而电源设备质量减小，且程度逐渐减缓。这是因为管径增大，冷媒流阻减小，使回路中的压降降低，循环驱动系统的功耗减低，则所需的电源的质量也逐渐减小。

图5 电源设备质量随管径的变化Fig.5 The required mass of power system with pipe diameter

因此，热管理系统中，在热组件的热参数一定，所需的冷媒流量一定的情况下，必然存在使系统质量最小的最佳管径。

2.2.2 当冷媒流量改变时

图7 为变流量情况下电源设备质量随管径的变化。由图可知：电源设备质量随着冷媒流量的增大而增大，且增大程度逐渐变大。因此，在采用使系统质量最小的管径时，存在最佳的冷媒流量。

图6 变流量情况下换热面积之和随管径的变化Fig.6 The sum of heat exchange areas vs. pipe diameter under variable flow conditions

图7 变流量情况下电源设备质量随管径的变化Fig.7 The mass of power system vs. pipe diameter under variable flow conditions

2.3 冷媒流量

当系统热组件散热量一定，回路冷媒流量减小时，冷媒流速减慢，系统所需循环驱动设备（压缩机或泵）的功率减小，循环驱动设备和电源设备质量也就相应减小，但同时节点温度升高，使得所需要的换热面积增大，而辐射温差的加大又使辐射器散热面积减小。因此，回路冷媒流量也是影响系统质量的因素之一。其数学模型见式(1)～式(10)，计算结果如图8 和图9 所示。

图8 换热面积随回路冷媒流量的变化Fig.8 Variation of the heat exchange area with flow rate

图9 电源设备质量随冷媒流量的变化Fig.9 Relationship between the weight of power system and flow rate

由图8 可知：随着冷媒流量的增大，热组件的换热面积减小，辐射器的辐射换热面积缓慢增加。这是因流量增大后回路节点温度下降，辐射散热器的换热温度降低所致。由图9 可知：电源设备的质量随冷媒流量的增大而增大，且由于循环驱动设备的功耗与冷媒流量的平方成正比，所以电源设备质量的增幅很大。

综合以上结果分析：随着冷媒流量增加，电源设备质量急剧增大，系统总质量将快速增大；当冷媒流量较小时，电源设备质量很小，但热组件所需要的换热面积快速增大，系统质量必将增大。因此可得：在系统结构参数和热组件参数一定的情况下，存在使系统总质量最小的最佳冷媒流量。

2.4 阀门和弯管

系统回路中的阀门和弯管等组件都会引起流路的局部水头损失[5]，从而使循环驱动系统功率增大，其表达式为

式中：ξ 为局部水头损失系数。一般地，它取决于障碍的几何形状、固体壁面的相对粗糙度和流体Re，其中障碍的几何形状起主导作用。对于弯管，其形状决定于管道转角θ 和曲率半径与管径之比R/d，其影响见表1，可知随着R/d 的增大，ξ 逐渐减小。

表1 弯管的局部水头损失系数变化Table 1 Variation of the local head loss coefficient of elbow

另外，阀门开度和管径决定其局部水头损失系数，如表2 所示。在热管理系统中，阀门数目越多，系统总质量越大。具体有3 个方面原因：一是阀门数量增加引起回路中阀门本体质量总和增加；二是阀门数量增加导致换热回路中局部水头损失系数显著增大，从而太阳电池的相关质量增大，引起系统总质量增大；三是冷媒流量越大，阀门上的局部摩擦阻力便越大，导致阀门数量对系统总质量的影响被进一步放大。另外，从系统可靠性角度分析，阀门数量越多，系统的综合可靠性会越低。所以，在管路设计过程中，在保证系统换热性能的前提下，应尽量减少阀门的使用和避免采用直角弯管，尽可能采用弧形弯管并使弯曲半径大于1 倍管径，如由于安装位置限制需采用小弯曲半径时，可在弯管内加导流叶片。

表2 阀门的局部水头损失系数变化Table 2 Variation of the local head loss coefficient of valve

2.5 电控制元件

电控制元件布局灵活方便，在空间热管理中有很大作用。电控制设备的质量直接取决于电控制热组件的功率和面积。电控制元件所需要的质量为

图10 换热面积随冷媒总换热量的变化Fig.10 Variation of the heat exchange area against total heat exchange capacity of refrigerant

图11 电控制元件质量及系统总质量随冷媒总换热量的变化Fig.11 Mass of the electric control component and the total mass of the system vs. the total heat exchange capacity of refrigerant

由图10 可知：热组件的换热面积随着冷媒流量的增大而下降；辐射器的辐射换热面积随着流量增大而缓慢上升，这是因流量增大后回路节点温度下降，辐射散热器的换热温度降低所致。

由图11 可知：电控制元件质量和系统总质量均随冷媒换热量的增大而减小。因此，减少使用电控制手段，应尽量降低系统的电功耗，并减少电源在系统中的质量占比，对于实现系统轻量化具有重要意义。

3 系统质量优化整体分析

内、外回路的管径、流量对于系统质量有两方面的影响。管径和流量的变化一方面会增大系统中一部分组件的质量，但也会减小另一些组件的质量。因此，必然存在管径、流量对系统总质量最小化的最优解。通过系统优化找出这些最优参数，将对月球车热管理系统的质量优化具有十分重要的意义。

本文的目标就是，在满足系统流动、散热的功能要求下，寻找使系统质量最小的系统参数，即在流动、传热等数学模型中，在温度、热量等边界条件约束下，探寻其约束极值。我们采用搜索寻优法[8]，即让流量、管径等参数在合理区间内变化，同时保持其余参数不变，通过搜索寻优以找出系统质量的最小值时所对应的最佳变量参数。在寻优过程中，根据前文所述影响规律，可计算得到某一参数的集合X1；然后根据系统质量最小原则确定寻找最优参数的方向；再从X1 出发，沿着系统最优参数方向，得到X1 的后继点X2；重复以上做法，直至在满足系统热性能的参数范围内搜寻得到系统的最佳参数解。对假定热参数进行以系统质量最小为目标的最佳参数搜寻，结果如图12 和表3 所示。

图12 最优参数下系统总质量随管径的变化Fig.12 Variation of the total mass of the system against the pipe diameter under the optimal parameters

表3 最优化热参数Table 3 Optimized thermal parameters

在一定范围内，采用搜索寻优法得出了使月球车热管理系统质量最小的热参数：辐射器出口温度21.7 ℃，冷媒流量0.013 kg/s。这组最优参数下，随着管径的增大，系统质量先下降后缓慢上升，曲线拐点即最优热回路管径为0.007 m。

4 结束语

热网络回路系统的质量要通过一系列参数来反映，其中一个数据改变不仅会影响系统的质量，还会影响系统的整体参数。

本文计算分析了辐射器出口温度、冷媒流量、管径、电控制元件和弯管、阀门等参数对系统质量的影响，寻找到使系统质量最小的最佳结构参数和操作参数，实现了热管理系统质量优化的初步分析。本文研究对于工程应用具有一定的参考意义。