Das Flüssigmetall-Wärmemanagement-Testgerät im Bereich Luft- und Raumfahrttechniktests wurde vom Institut für Physik und Chemietechnologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und im Luft- und Raumfahrt-Basistestschrank des Mengtian-Experimentalmoduls der Raumstation installiert. Es verwendet Metall auf Wismutbasis mit niedrigem Schmelzpunkt, hoher Biosicherheit und stabilen chemischen Eigenschaften. Führen Sie charakteristische Untersuchungen und experimentelle Überprüfungen der Technologie zur Strömungswärmeableitung und Phasenwechseltemperaturregelung in einer Weltraum-Mikrogravitationsumgebung durch.
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Der Standort des Flüssigmetall-Wärmemanagementtestgeräts im Basistestschrank für die Luft- und Raumfahrt
TEIL 1
Was ist flüssiges Metall? Welche Grundsätze gelten beim Testen?
Flüssigmetall ist ein amorphes, fließfähiges Flüssigmetall. Es ist ein allgemeiner Begriff für eine Reihe von Metallen und Legierungsmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt. Es ist bei Raumtemperatur oder einer niedrigeren Erhitzungstemperatur flüssig und hat Fließfähigkeit. Es hat eine starke elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Es zeichnet sich durch hohe Effizienz, niedrige Viskosität und einen breiten Flüssigkeitstemperaturbereich aus. Dieses Experiment nutzte hauptsächlich zwei Wärmeableitungsprinzipien von Flüssigmetall, nämlich Konvektionswärmeübertragung und Fest-Flüssig-Phasenwechsel-Wärmekontrolle.
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flüssiges Metall
Konvektionswärmeübertragung bedeutet, dass flüssiges Metall durch eine Heizfläche fließt, Oberflächenwärme absorbiert und die Temperatur der Heizfläche auf einem bestimmten geeigneten Wert hält. Das flüssige Metall, das Wärme absorbiert, erwärmt sich, gibt die Wärme in einer bestimmten Wärmeableitungsvorrichtung an die Umgebung ab und erholt sich dann. auf die Anfangstemperatur und strömt dabei erneut durch die Heizfläche, um eine kreisförmige Strömung zu erreichen;
Bei der Fest-Flüssig-Phasenwechsel-Wärmeregelung handelt es sich um einen auf der Heizfläche installierten Phasenwechsel-Kühlkörper, der nach der Wärmeaufnahme schmilzt und von fest zu flüssig wechselt. Durch den Schmelzvorgang wird Wärme absorbiert, die Temperatur ändert sich jedoch nicht, wodurch die Heizfläche auf eine bestimmte, geeignete Temperatur geregelt wird. Wenn die Heizfläche nicht mehr funktioniert, erstarrt das flüssige Metall allmählich zu einem festen Zustand. Während des Erstarrungsprozesses bleibt die Temperatur unverändert, es wird jedoch Wärme freigesetzt. Diese Wärme wird nach und nach an die Umgebung abgegeben. Das vollständig erstarrte Metall ist bereit für die nächste Arbeit der Heizfläche. Der feste Zustand Die für die thermische Steuerung des Flüssigphasenwechsels verwendeten Metallmaterialien haben einen niedrigen Schmelzpunkt, im Allgemeinen unter 100 Grad, und können je nach Bedarf angepasst werden.
TEIL 2
Welche Ergebnisse wurden durch den Versuch erzielt?
In diesem On-Orbit-Test ermittelte das Konvektionswärmeableitungstestmodul die Variationseigenschaften des Wärmeübertragungskoeffizienten mit der Durchflussrate, was hauptsächlich auf Anwendungen mit niedrigen Durchflussraten in kleinen Flüssigkeitskreisläufen abzielt. Zuvor gab es für die Konstrukteure in dem Bereich mit niedrigen Durchflussraten, auf den sich dieses Testprojekt konzentrierte, keine verlässlichen charakteristischen Daten zum Wärmeübergangskoeffizienten. Die Ergebnisse dieses Tests haben diese Lücke geschlossen;
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Das Phasenwechsel-Temperaturregelungsmodul ermittelt die Temperaturänderungskurve des Schmelzprozesses des Metallmaterials über die Zeit. Die Temperaturverteilung des Materials während des Schmelzvorgangs wird maßgeblich durch die Schwerkraft beeinflusst. Bei der Schwerkraft löst der durch unterschiedliche Flüssigkeitstemperaturen verursachte Dichteunterschied eine natürliche Strömung aus. Dieser Fluss führt dazu, dass die Innentemperatur des flüssigen Metalls schneller gleichmäßig wird. Während die Schwerkraft der Weltraumumgebung extrem schwach ist, führt der Dichteunterschied nicht zu einer natürlichen Strömung und die Temperaturverteilung im flüssigen Metall ist relativ ungleichmäßig. Dieser Test ist mit einer Metallphasenänderung ausgestattet. Im Hohlraum des Materials wird eine verbesserte Wärmeübertragungsstruktur aufgebaut, die die Wärme schnell in das Innere des Metallmaterials übertragen kann, wodurch es gleichmäßiger schmilzt, was zu einer gleichmäßigeren Temperatur führt. Die Ergebnisse der Testverifizierung entsprechen den Erwartungen.
Neben der Verifizierung der Konvektionswärmeübertragung und der Phasenwechsel-Temperaturregelungstechnologie verifizierte dieser Test auch Schlüsseltechnologien wie kontrolliertes Schmelzen, Expansionspufferung und Grenzflächenwärmeleitung von Metallen auf Wismutbasis in einer Weltraum-Mikrogravitationsumgebung.
Wichtige Wissensbeiträge zur technischen Terminologie
Kontrolliertes Schmelzen: bezieht sich auf das kontrollierte Schmelzen von Metallen nacheinander entsprechend voreingestellter Positionen und Reihenfolgen.
Expansionspufferung: bezieht sich auf die Pufferung der Volumenänderung, wenn sich die feste Metallflüssigkeit ändert. Wenn diese Volumenänderung bei einem geschlossenen Kreislauf nicht gepuffert wird, platzt die Pipeline.
Wärmeleitfähigkeit der Grenzfläche: bezieht sich auf die winzigen Lücken, die entstehen, wenn zwei feste Oberflächen in Kontakt kommen. Die in diesen Lücken verbleibende Luft behindert die Wärmeübertragung zwischen den beiden festen Oberflächen. Daher müssen die Lücken mit thermischen Schnittstellenmaterialien wie flüssigem Metall gefüllt werden. Diese Füllung Die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist viel höher als die von Luft, sodass Wärme zwischen zwei festen Oberflächen mit einem geringen Temperaturunterschied übertragen werden kann.
TEIL.3
Welche Forschungsimplikationen hat der Test?
Dieses Projekt ist weltweit das erste Mal, dass eine Legierung auf Wismutbasis mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher biologischer Sicherheit verwendet wird, um Tests und Verifizierung von Schlüsseltechnologien für das Wärmemanagement von Flüssigmetallen im Weltraum im Orbit durchzuführen. Die relevanten Ergebnisse können für zukünftige nukleare Stromversorgungen im Weltraum, Avionik mit hoher Leistungsdichte und zivile Hochleistungsanwendungen genutzt werden. Sie bieten wichtige technische Unterstützung für technische oder industrielle Anwendungen, die eine effiziente Wärmeübertragung und -ableitung erfordern, wie z. B. Geräte.
TEIL.4
In welchen Bereichen erwarten Sie künftige Anwendungen?
Die durch dieses Projekt erzielten Erfolge bei der Konvektionswärmeableitung von Flüssigmetallen und der Phasenwechseltemperaturregelung zielen hauptsächlich auf technische Wärmekontrollanforderungen wie kontinuierliches Heizen oder intermittierendes Hochlastheizen elektronischer Geräte mit hoher Wärmeflussdichte ab. Mit der Entwicklung der Technologie der künstlichen Intelligenz, der Virtual-Reality-Technologie und der Hochgeschwindigkeitstechnologie. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Flux-Bildverarbeitungstechnologie und anderen Bereichen nimmt die Leistungsdichte elektrischer Geräte mit diesen Funktionen weiter zu. Um die Arbeitsleistung elektrischer Komponenten unter Hochlastbedingungen sicherzustellen, ist der Einsatz einer effizienteren, einfacheren und zuverlässigeren Wärmeableitungstechnologie erforderlich. Bei diesem Projekt handelt es sich um experimentelle Überprüfungen, die als Reaktion auf diese industrielle Nachfrage durchgeführt wurden. Die beiden beteiligten Flüssigmetall-Wärmeableitungstechnologien werden voraussichtlich in vielen Bereichen eine wichtige Rolle spielen.
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Quelle des Inhalts: China Manned Spaceflight Autor: Liu Guilin, Institut für Physik und Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften
