摘要：本文对国际空间站热控系统的组成、功能及工作原理进行了详细介绍；对国内即将发射的天宫二号上采用的有效载荷热控技术进行了简要介绍；重点对我国空间站科学实验柜热控子系统进行了分析设计，提出了风回路、液体回路及热控抽屉的设计方案，并对空间应用流体回路的设计进行了概述。

 

1 国际空间站热控系统概述

2011年建成的国际空间站共有1200m³的内部空间，总重量419吨，桁架长度108.4m，舱体长度74米，额定乘员6人，是一个世界级、国际化的轨道实验室，在微重力环境中进行高价值的科学实验，为研究人类长时间在太空中生活和工作的能力以及探测宇宙的先进技术提供实验平台。其组成如图1所示。

图1 国际空间站组成示意图

国际空间站满载运转时能够产生（和消耗）多达140.5kW的电能，这些能量将转换为热能，导致相关部件温度升高，空间极端温度导致的问题非常复杂。因此，必须将组件产生的热量高效辐射到太空，避免硬件的温度超过运行限制，这对国际空间站热控系统（TCS）的设计提出了严峻挑战。

国际空间站热控系统由主动热控系统（ATCS）和被动热控系统（PTCS）组成，见图2。其中，主动热控系统又根据应用的位置不同分为内部主动热控系统（IATCS），外部主动热控系统（EATCS）和光伏热控系统（PVTCS）。被动热控系统采取的措施包括隔热材料、热控涂层、热管、加热器、被动热辐射器和隔热器等。

图2 国际空间站热控系统组成

国际空间站热控系统功能之一是为有效载荷提供适宜的热环境，保持所有载荷设备的温度在要求范围内。当载荷设备的环境不会导致其温度超过限制，而且通过向空间辐射冷却就能满足热排放要求时，采取被动热控方法；当上述条件之一不能满足时，需要采取主动热控方法。

热控系统功能之二是为电源设备排热。国际空间站采用太阳能光伏阵列发电，其产生的直流电必须进行适配才能使用，然后配电到国际空间站的各个设备。适配和配电过程会产生无效的热量，而且大多数电源适配和配电设备产生的热量都大于被动热控技术的排热能力，因此这两种设备需要采取配备主动冷却系统，也就是光伏热控系统。

热控系统功能之三是为航天员提供能够在最佳的生活和实验操作环境。热控系统需要采用主动热控对密封舱内的循环空气进行热控制和成分控制，使其具备生命保障功能，适合航天员生活和工作。另外，主动热控系统也为国际空间站上的湿度控制设备和许多气体成分控制设备提供所需的温度环境。

由此可见，国际空间站的基本功能需要热控系统来保障。热控系统是国际空间站中一个非常重要的子系统，其目的是采取各种主动、被动热控措施，维持空间站的设备和有效载荷在其允许的温度范围内，使其能够正常运行，实现国际空间站所需的各种功能。

1.1 主动热控系统

空间站大多数系统会产生废热，为了实现热控制，需要将废热从国际空间站传到太空来维持组件在合适的工作温度范围。当国际空间站的外热流和内热源加起来超过被动热控系统控温能力时，需要主动热控系统来实现散热功能。主动热控系统利用机械泵驱动流体在闭合回路中循环实现以下三项功能：热收集、热传递和热排放。图3为主动热控系统的体系结构，废热通过冷板和换热器两条途径传输给空间站的外部氨回路，通过氨循环将废热运输到空间站外部的散热器，再通过散热器向外辐射来实现废热的排放。

图3 主动热控系统体系结构

主动热控系统由内部主动热控系统、外部主动热控系统和光伏热控系统组成。内部系统从各舱段的设备中收集热量，外部系统将热量排放到太空。内部主动热控系统采用水作为工质，因为水的传热效率很高，而且在有航天员居住的模块内运行时可以保证系统的安全性。外部主动热控系统和光伏热控系统使用无水氨作为工质，因为氨具有很高的热容和很宽的运行温度范围。内部热控系统和外部热控系统都是单相流体回路，即水和氨流经整个系统的过程中一直保持液态。

内部主动热控系统的水回路流经各密封舱来收集电子设备和实验设备产生的废热，并将其传到中间换热器进而传到外部主动热控系统。目前国际空间站上美国及其国际合作伙伴的密封舱共有9条独立的内部热控系统水回路。

外部主动热控系统的氨回路收集中间换热器和安装在冷板上的外部电子学设备的热量，将其传到位于S1桁架段和P1桁架段的散热器上并排散到太空。最初空间站上的硬件通过早期外部主动热控系统（EEATCS）来冷却，其原因有二：一是美国“命运号”实验舱要在外部主动热控系统装配前运行，由于接口问题，“命运号”实验舱不能由俄罗斯舱段来进行外部冷却；二是光伏热控系统的修改与升级需要早期外部主动热控系统作为一个临时的热控系统。早期外部主动热控系统由两个相互独立、同时运行的氨回路组成。这些回路将位于“命运号”实验舱前后锥段的中间换热器的热量传输给位于左舷第六桁架段（P6）的散热器。早期外部主动热控系统作为临时热控系统，一直运行到永久外部热控系统的组件装配完成并激活，永久外部主动热控系统开始运行后，早期外部主动热控系统停用，其中一部分被用作光伏热控系统回路的备份。

光伏热控系统（共4套）采用氨回路收集电源系统（EPS）的废热，并将这些热量传给位于左舷第四（P4）、第六（P6），右舷第四（S4）、第六（S6）桁架段的光伏散热器排放到太空。电源系统位于左舷第四桁架段和右舷第四桁架段的集成设备机构（IEA）中。光伏热控系统由氨制冷剂、七块冷板、两个泵&流量控制子组件（PFCS）和一个光伏散热器（PVR）组成。

1.2 内部主动热控系统

内部主动热控系统为生命保障系统、电子学设备和实验热载荷提供热量排散功能。它由泵、阀、换热器、冷板和传感器组成，包括低温回路(LTL)和中温回路(MTL)两条回路。这些单相、泵驱动的回路从子系统和其他设备吸收废热，通过低温回路和中温回路的中间换热器传到外部主动热控系统，进而辐射到太空。

空间站的用户分为两类：需要低温制冷剂的和不需要低温制冷剂的。例如，舱内气体冷凝干燥器需要5.5℃低温水使其能够控制舱内环境的温度和湿度；18.3℃的中温水具有更高的质量效率，与低温水相比，排放相同热量所需的散热器面积更小。所以国际空间站内部主动热控系统配置了两条流体回路。

图4为美国“命运号”实验舱内部主动热控系统的双回路系统布局示意图。在“命运号”实验舱中，内部主动热控系统包括中温回路和低温回路两条相连的回路，两条回路互为备份。

如图4所示，内部主动热控系统的每条回路由以下几个组件构成：一个泵组（PPA），一个系统流量控制组件(SFCA)，一个三路混合阀(TWMV)，若干机柜流量控制组件(RFCA)，冷板，压力传感器、温度传感器、泵旁路组件(PBA)和一个换热器（HX）。另外，中温回路有额外的三路混合阀，一个有效载荷/再生换热器（P/RHE）和一个手动流量控制阀（MFCV）。低温回路额外有一个维修和检验单元（SPCU）换热器。两个回路通过管路交叉机构（LCA）连接，管路交叉机构提供回路交叉功能和“单泵组双回路”功能。

图4 双回路系统示意图

“命运号”实验舱内部主动热控系统的功能是将废热从有效载荷机柜传到水-氨中间换热器。低温回路和中温回路正常模式下为单独运行，在其中一个泵组发生故障时通过交叉连接来提供冗余。内部主动热控系统可为24个机柜和前后锥段提供冷却，低温回路最多移除3kW热量，中温回路最多移除12kW热量。热控系统需要通过低温回路和中温回路移除13kW的有效载荷热量。

以下以中温回路为例，介绍其系统运行和控制方式。泵组驱动收集完热量的高温水在回路中流动，首先通过第一个三路混合阀，调节流过再生换热器和直接流向中间换热器的工质比例；接着工质流向中间换热器将热量排散到外部主动热控系统，通过第二个三路混合阀调节流过中间换热器和旁路的工质比例，控制从中间换热器离开的流体温度。然后工质流过再生换热器，吸收热量达到合适的温度后进入相互并联的实验机柜（热载荷），收集有效载荷产生的废热；最后流过系统流量控制组件，回到泵组继续下一轮循环。低温回路的控制方式类似。

内部主动热控系统通过上述运行控制，达到如下控制效果：对于国际空间站标准有效载荷机柜（ISPR），低温回路的入口温度为0.5~10℃，中温回路入口温度为16~24℃。低温回路和中温回路的最高出口温度分别为21℃和49.4℃。“命运号”实验舱的中温回路供给温度范围控制在16.1~18.3℃，低温回路控制在3.3~6.1℃。在设计流量下，低温或中温回路对有效载荷机柜进行直接冷却时所允许的最大压降为40kPa，包括与机柜串联的机柜流量控制组件和管路在内的总压降为75.9kPa。

2国内空间实验室热控技术概述

2.1天宫二号应用有效载荷热控技术

针对天宫二号伽马暴探测器，国内提出了合理的散热面设计、热试验及在轨温度预示解决方案。由于伽马暴探测器安装于舱外，其边界及其外部热环境复杂，试验过程中无法准确模拟外热流而预示出准确在轨数据。在此约束下提出“无外热流真空罐模型修正+轨道仿真”的方法来预示设备的在轨温度，即在真空罐内放置设备进行不同模式下的开关机，以测得不施加任何外热流情况下的温度数据，同时建立真空罐和设备的仿真模型，通过实验数据进行修正，并取得修正后的仿真模型。最后将此修正后的仿真模型放入带外热流和舱体热边界的轨道上进行计算，得到较为可信的在轨预示温度，计算结果如图5所示。

此外，通过改善边界条件和初期加热功耗解决了某观测设备入轨10小时温度过低的问题；提出“扩热板+热管网络”的热控措施，解决了设备本身及其控制器温度水平过高的问题，计算结果见图6。其中“无外热流真空罐模型修正+轨道仿真”的测试及温度预示方法在载人航天空间应用系统尚属首次使用。

图5 天宫二号舱外暴露载荷在轨热仿真分析

图6天宫二号光学相机在轨热仿真分析

2.2空间站应用有效载荷系统热控技术

2.2.1科学实验柜热控系统

我国空间站预计在2020年前后建成，由核心舱、实验舱I、实验舱II和光学舱组成，舱内将部署10余个空间科学实验柜，以支持开展大规模的空间科学实验。2011年，中科院空间科学与应用总体部组织国内优势研究力量联合研制成功国内第一台兼容国际标准的科学实验柜，如图7所示，初步验证了实验柜主结构、快速插拔定位模块结构技术、水冷及风冷热控技术、高效降噪技术、固态电子电力配电技术、实验柜系统健康管理等关键技术，为空间站舱内科学实验柜的研制奠定了基础。

图7 国内研制多功能实验柜

科学实验柜是我国空间站阶段应用系统首次并独立研制的大型载荷，在中国载人航天史上属于首创，而热控子系统作为科学实验柜4大支撑系统之一，其重要性不言而喻。以下对科学实验柜热控子系统的设计进行概述。科学实验柜热控子系统由风回路、液体回路及气-液热交换装置三部分组成，如图8所示。

图8 科学实验柜热控系统组成原理图

科学实验柜热控风回路由消音器、风机、烟雾传感器、流量调节器及风管组成。空气经过气-液换热器处降温后，在风机的驱动下进入各实验模块内部，对实验模块进行强制风冷，吸收热量后经由排风口进入风管。

液体回路由泵组、过滤器、储能器、气泡分离器、冷板、阀门、Teflon波纹软管及温度/压力/流量传感器等组成。液体回路工质为乙二醇水溶液，工质流经气液换热器及冷板后进入平台提供的液液换热器进行降温。

气-液换热器为两相回路换热设备，用于将风回路中携带的科学模块废热传递给实验柜液体回路，液体回路吸收热量后，通过液-液换热器将热量交付给平台中温水回路。

热控子系统的总体布局如图9所示，包括风回路、液体回路及热控抽屉。将热控系统的气-液换热器、风机、消声器、烟雾传感器和水管路可更换组件集成在一个标准抽屉中，称为热控抽屉，安装于整柜的右前方。

风回路布置在实验柜的背部，与每个科学实验模块均有接口。实验柜控制器底部配置有相应的冷板，各模块根据自身功耗及温度控制要求，配置相应的冷板。

图9 热控系统总体布局图

热控系统风回路布局如图10所示。风机启动后驱动低温空气流经供风软管经过主供风管分流后进入各实验模块，风回路内的空气收集各个实验模块的热量后流经回风软管，最终与气液换热器热交换后重新成为低温空气，具备给工作载荷模块提供散热的能力。

图10 热控系统风回路布局

热控系统液体回路布局如图11所示，冷却水进入实验柜热控抽屉，在热控抽屉内分成三路，一路冷却水流经气液换热器，吸收风路空气热量后流向实验柜控制器子系统抽屉的冷板；综合考虑实验柜热控系统整体布局及可更换性，另两路冷却水一路从实验柜前部，另一路从实验柜背部分别流经高功耗的科学模块。最后三路水汇总到一起后通过平台提供的液-液换热器进行换热冷却。水回路之间通过快速接头连接，实验柜科学模块冷板、实验柜控制器冷板及气-液换热器分别与Teflon波纹软管连接。各个支路设置阀门，通过监测流体回路的温度，对各个支路进行流量调节。

图11 热控系统液体回路布局图

基于实验柜热控子系统方案设计，结合风冷散热、水冷散热的输入条件，运用Matlab仿真软件开发了科学载荷单元温度水平预示程序。此软件实现了载荷单元温度水平的快速预判，可应用于热控子系统的设计阶段及工程阶段。程序界面如图12所示。

 

图12 温度水平快速预示程序界面示意图

针对各科学实验柜科学需求和总体设计约束，借鉴了国际空间站各科学实验柜热控系统的研制方案，充分考虑科学实验柜科学载荷的热特点和要求，研制了科学实验柜热控系统的核心部件热控抽屉。热控抽屉通过气路有效收集小功耗载荷的功耗，通过液路有效收集大功耗载荷及设备的功耗，充分换热后，借助应用系统的驱动模块将收集到热量排散至空间站系统。经分析和测试得出，该热控抽屉的性能和各项指标均较好的满足了要求，可以应用在各类科学实验柜的热控系统中，具备了很强的通用性和适应性。

热控抽屉包括风机、气-液换热器、消声器、烟雾传感器和水管路可更换组件，初步布局如图13~图15所示。其功能是利用风机收集各载荷的热量并与抽屉内部的气液换热器进行气液交换的同时分配各路水回路的流量以进行整柜的温度控制。考虑到轴流风机的噪声比较大，但具有满足要求的货架产品而且研制周期短，热控抽屉中采取轴流风机方案，并且进行吸声、隔声、降噪设计，风机作为转动易损部件，进行了合理在轨拔插更换的设计。烟雾传感器探头位于风回路进风机的入口处，以方便监测实验柜内部的烟雾。水回路可更换组件集成了热控系统中的阀门、流量和压力传感器，可单独进行更换。

图13 热控抽屉初步布局

图14 液体回路可更换组件

图15 气体回路可更换组件

2.2.2应用流体回路

应用系统科学实验柜安装于空间站各舱段，应用系统提供应用流体回路，由实验柜内部热控系统收集柜内载荷模块产生的热量，通过应用流体回路收集热量，再通过液-液换热的形式将热量统一交付给空间站平台，应用流体回路设计如图16所示。

图16 应用流体回路示意图

应用流体回路提供应用流体回路冷却工质的循环动力与冷却工质的工程参数测量，进行实验柜、空置载荷装载空间与空间站中温水回路的热量交换及系统状态监测，并对其进行调节控制，将实验柜及其它应用系统载荷的热量带至外回路，以维持载荷合适的工作温度。驱动回路组件内部具体布局如图17所示。

图17 驱动回路组件集成抽屉布局图

驱动回路采用集成设计方式，作为独立的模块可实现在轨统一更换，对储能器和过滤器进行了与快速断接器的集成设计以满足单独部件在轨维修或者更换的要求。其流量调节阀组件结构如图18所示，气泡分离器流场分析见图19。

图18流量调节阀组件结构

图19 气泡分离器流场分析