基于主动式两相流体回路的航天大型科学试验精密热控系统

2015年广东省科学技术奖-科技进步类项目名称： 基于主动式两相流体回路的航天大型科学实验精密热控系统主要完成单位：中山大学，北京空间飞行器总体设计部，北京卫星制造厂主要完成人：何振辉、郭开华、吕树申、苗建印、祁新梅、倪江群、李廷勋、曹剑峰、黄臻成、莫冬传、王自鑫、郭霖、唐承佩、张展、邹丹主要完成人情况第1完成人姓名技术职称工作单位完成单位何振辉教授中山大学中山大学主要贡献：作为项目的技术负责人，组织研制方案、组织技术攻关；尤其在二氧化碳两相流体回路系统稳定性规律实验研究，系统试验验证方案等方面贡献突出（创新点1）；参与详细设计、控制策略制定，同时指导两相流体回路特性实验研究和在轨动力学模拟。参见成果鉴定证书、附件专利1至3、代表性论文1、2、3、4、6、7。第2完成人姓名技术职称工作单位完成单位郭开华教授中山大学中山大学主要贡献：负责工质基础数据实验测量及相关实验装置设计，两相回路运行方案；参与储液器概念设计、包括TEC工作点（创新点2）。指导并参与相关地面实验和测试，论证系统性能和可靠性。参见成果鉴定证书，代表性论文5，以及论文“基于样条的主动轮廓线法测量液滴接触角”,计算机与应用化学，第24卷第10期，1383-1385（2007），“半导体冷却器的串并联计算”，中国工程热物理学会2006年年会会议论文。第3完成人姓名技术职称工作单位完成单位吕树申教授中山大学中山大学主要贡献：数值模拟负责人，负责组织、指导并参与二氧化碳两相流体回路详细设计，系统数值模拟建模，储液器热力耦合分析。（创新点4）；参见成果鉴定证书、附件专利4至6、代表性论文8、9。工质选择计算“AMS-硅微条两相热控系统工质选择”，第十届全国热管会议会议论文（2006年）。第4完成人姓名技术职称工作单位完成单位苗建印研究员北京空间飞行器总体设计部北京空间飞行器总体设计部主要贡献：储液器技术负责人，组织完成储液器研制，实现微重力下二氧化碳两相流体管理与温度控制（创新点2）。参见成果鉴定证书、合同书采购储液器的修订合同。第5完成人姓名技术职称工作单位完成单位祁新梅副教授中山大学中山大学主要贡献：负责系统结构与安全分析，指导并参与系统及储液器、换热器等部件的结构分析（力，热，动态分析）与优化设计；工程实施与结构相关的加工工艺、安装工艺确定。（创新点3）参见成果鉴定证书、附件专利1、代表性论文2、8。第6完成人姓名技术职称工作单位完成单位倪江群教授中山大学中山大学主要贡献：负责两相流体回路复杂控制电子系统控制模型设计、算法优化及设计实现、多级自保护机制和冗错备份系统设计与实现。（创新点4）参见成果鉴定证书，代表性论文10，以及论文“AMS-02中的TTCS系统及其监控策略研究”，量子电子学报，2007年第24卷，第2期，752-756页。第7完成人姓名技术职称工作单位完成单位李廷勋副教授中山大学中山大学主要贡献：二氧化碳冷凝器测试方案与测试（创新点3）；地面试验系统设计及建立；参与系统测试方案制定，参与差压传感器方案制定。参见成果鉴定证书、代表性论文5、6。第8完成人姓名技术职称工作单位完成单位曹剑峰高级工程师北京空间飞行器总体设计部北京空间飞行器总体设计部主要贡献：作为主要人员参与储液器的研制，负责完成微重力下二氧化碳流体管理所需毛细结构工程化设计（创新点2）。参见成果鉴定证书、合同书采购储液器的修订合同。第9完成人姓名技术职称工作单位完成单位黄臻成讲师中山大学中山大学主要贡献：建立TTCS回路动态模拟的数值分析模型，分析TTCS回路在空间环境下的动态运行特性。在此基础上获得了在空间辐射环境下，并配合冷凝器的辐射器结构与流向优化，提出了具有节能优化效果的二氧化碳结冰预防技术方案；此外，分析TTCS系统的启动稳定性和空间动态运行特性，为评估系统的空间运行效果做出了重要贡献；（创新点3、2）参见成果鉴定证书，附件专利2、3，代表性论文3、4、7、9。第10完成人姓名技术职称工作单位完成单位莫冬传讲师中山大学中山大学主要贡献：通过实验确认数值建模所需的二氧化碳两相流体阻力关联式；建立泵驱两相流体回路实时动力学模型，对系统在微重力多相转换复杂工况下的运行特性进行了预测和优化，为详细设计提供了详细的参数；基于对辐射器热管失效所进行的敏感度分析，提出相应的预防和优化措施，提高了高压冷凝器的安全性。（创新点3、2）参见成果鉴定证书，附件专利4、6，代表性论文7、8、9。第11完成人姓名技术职称工作单位完成单位王自鑫副教授中山大学中山大学主要贡献：数百个传感器与执行器的硬件电路设计及控制代码编写，核心传感器软硬件抗干扰设计；大功率空间执行器的高能效分级保护功能设计；两套对等硬件冗余运行的系统设计；安全策略独立并行执行代码的实现。以上设计保障了系统长期安全运行（创新点4）。此外，负责地检设备电子部分，包括充装系统的状态监控仪器和两相回路图形化控制界面。参见成果鉴定证书，代表性论文8。第12完成人姓名技术职称工作单位完成单位郭霖工程师北京空间飞行器总体设计部北京空间飞行器总体设计部主要贡献：负责完成储液器液体补偿能力等效方法的建立及测试、实验研究；作为主要人员参与完成储液器研制（创新点2）。参见成果鉴定证书、合同书采购储液器的修订合同。第13完成人姓名技术职称工作单位完成单位唐承佩讲师中山大学中山大学主要贡献：两相回路热控系统电子部分设计与测试，多级自保护和冗错机制设计与实现，多传感器数据融合和底层驱动，MCU+FPGA架构的源码编写。（创新点4）参见成果鉴定证书，代表性论文10，以及论文“AMS-02中的TTCS系统及其监控策略研究”，量子电子学报，2007年第24卷，第2期，752-756页。第14完成人姓名技术职称工作单位完成单位张展研究助理中山大学中山大学主要贡献：二氧化碳冷凝器解冻策略与抗冻测试，冷凝器性能测试方案与测试（创新点3）；参与系统装配和可靠性验证，发射前后的准备、监测与调试；两相回路热控系统在轨长期在轨运行与维护，为主动式两相回路在轨长期运营积累宝贵经验，这些经验可为将来的同类系统设计提供有价值的参考（创新点4）。参见成果鉴定证书，代表性论文1、6。第15完成人姓名技术职称工作单位完成单位邹丹高级工程师北京卫星制造厂北京卫星制造厂主要贡献：作为主要人员参与储液器研制，负责完成储液器工程化结构设计，组织完成储液器结构加工及装配（创新点2）。参见成果鉴定证书、合同书加热器研制合同。项目简介：该项目来源于丁肇中教授主持的大型国际合作项目阿尔法磁谱仪计划（AMS-02）。其主要目标是太空精确测量高能宇宙线的能谱，寻找宇宙中的反物质和暗物质。其中，轨迹探测器是磁谱仪的核心子探测器，它能否精确地工作，取决于其工作温度的稳定性以及温度分布的均匀性（每轨道周期内温度变化小于3，探测器层内温差小于1）。此外，散热器所致的二次粒子要尽可能少。该项目的突出挑战正是源于空间环境下探测器对温度指标的苛刻要求：器件数量多,分布空间大，发热量为0.75W的192个前端电子器件分布于探测器内，它们之间的连接总长度约达18米。当时国际上已有的空间热控技术，如热管等均不能满足该特殊需求，必须开拓全新的技术途径。中山大学主持的“基于主动式两相流体回路的航天大型科学实验精密热控系统”就是基于AMS-02计划中轨迹探测器精密温度控制的研发成果。针对温度稳定性和均匀性要求，确定采用二氧化碳为工质的两相回路主动式散热技术，具体表现为以下四个技术创新点：1. 针对温度稳定性要求高、而两相系统稳定性差的问题，提出采用机械泵驱动工质循环的方式，将两相流系统控制在稳定区，在解决系统启动稳定性和运行稳定性的同时，解决了长距离传热问题，也避免了因二氧化碳低表面张力造成的驱动力弱的问题（相对于回路热管技术）。2. 针对二氧化碳表面张力低的问题，提出特殊结构设计方案，研制出的储液器解决了微重力下工质汽液分离和储液器内部工质流体管理问题；并且实现了通过储液器的温度精确控制来达到对探测器温度精确控制的目的。3. 针对二氧化碳冰点高的问题，提出配合辐射器的特殊冷凝器结构和工质流向，解决了二氧化碳防冻功耗问题；并提出解冻策略和测试方案，实现了冷凝器解冻（固相二氧化碳融化时）时的抗高压功能，提高了冷凝器的抗冻安全性。4. 针对国际空间站上热环境复杂、安全性要求高等问题，设计出一套适合于机械泵驱动两相流体回路长期在轨运行的控制策略。2011年5月16日，随AMS-02成功发射并安装在国际空间站上后，该控温系统的运行结果表明，单轨道温度稳定性在1.0以内，长期运行稳定性达到2.0，探测器层内温度均匀性优于1，在气蚀报警测试中响应时间小于10秒。该系统是至今仍在运行的世界上第一个在空间执行任务的机械泵驱动两相流体回路主动式热控系统。丁肇中教授在给中山大学的贺信中评价“阿尔法磁谱仪的轨迹探测器热控系统在非常精确和可靠地运行，您的团队对此做出了重要的贡献。,这种热控系统将对未来的空间探索、特别是深空载人航天起到极为重要的作用。”由顾逸东院士领衔的项目鉴定委员会认为该项目成果达到国际领先水平。这是航天热控技术的一个阶跃式发展。成果还体现在：应邀在国际会议主旨报告两次，我国航天热控高峰论坛特邀报告一次。已授权发明专利6项，发表论文16篇。知识产权目录（1）知识产权明细知识产权类别知识产权具体名称授权国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人有效状态发明专利用于计算处理设备的散热系统及采用该散热系统的设备中国ZL200810029131.72012.08.221027983中山大学何振辉，祁新梅，孙西辉，黄臻成，张展保护期内发明专利一种废热驱动的两相回路散热系统中国ZL200810198088.72012.01.25901576中山大学何振辉，黄臻成，佟贵年，翁致力保护期内发明专利具有汽液两相散热回路的干式变压器中国ZL200810027437.92011.07.20813122中山大学何振辉，黄臻成保护期内发明专利一种环路热管散热器中国ZL200910040109.72011.05.25782891中山大学吕树申，莫冬传保护期内发明专利一种均温回路热管装置中国ZL200710028044.52009.2.11470816中山大学吕树申，金积德保护期内发明专利一种平板式回路热管装置中国ZL200510035406.42008.2.20379031中山大学吕树申，莫冬传保护期内（2）知识产权统计A发明专利B实用新型C著作权D计算机软件著作权E新药证书F动植物品种权G行业许可证6推广应用情况：应就本项目的生产、应用、推广等情况进行概述：除满足AMS实验需求外，该项目所产生的成果及相关技术还应用于其他国家级航天项目，如探月工程二期、我国的火星探测计划的首选热控方案之一、天舟一号上的蒸发-冷凝科学实验等；以及如通讯机柜散热等企业项目。曾开班为国内培训使用（项目应用技术之一）SINDA/Fluint模拟软件的人员。参与欧洲核子中心硬子对撞机LHC ATLAS pixel 探测器升级项目，Alpine 结构的CO2冷却系统中蒸发器的详细设计。随着航天工程的发展，将来会有更多的航天器应用该技术。应用单位列表:序号应用单位名称应用技术名称应用起始时间应用单位联系人及电话应用情况1AMS合作体AMS-02实验2011年 5月B.Laurence,0041-22-7674477良好2年 月3年 月4年 月5年 月6年 月7年 月8年 月9年 月10年 月