本发明涉及一种散热装置及其设计方法，具体地，涉及一种适用于火星表面动力循环的散热装置及其设计方法。
背景技术：
1、目前在研的用于火星探索的大功率电源主要应用布雷顿等动力循环进行发电。动力循环发电的关键是要及时把废热排向冷源，才能使得循环正常进行。火星表面大气成分主要为co2，压力为700pa，平均温度-30℃。对于火星表面的动力循环，由于缺少冷却水，只能与火星大气进行对流和辐射散热，排热系统质量占核动力电源总质量的一半以上。由于从地球向火星发射运载火箭运力紧张，因此减轻排热系统质量，对于降低火星表面大功率电源的部署成本，增加火星表面长期居住计划的可行性至关重要。
2、目前国内外针对火星表面动力循环的概念设计均为单一式的辐射散热或者对流换热，尚未探索两种散热方式联合的可行性。在设计优先级上，排热系统均为研究动力循环发电系统时进行附带设计，采用集总方式，缺少精细建模，准确性无法保证。在动力循环发电系统整体层面针对重量进行优化研究，缺少了单独减轻排热系统重量的优化措施。
3、应用于火星表面动力循环的散热装置，对流换热的方式为通过风扇驱动火星大气吹向散热管道，带走管道内部工质散发的热量进行换热，为主动式散热方式。风速越高，散热能力越强，耗功越大。辐射散热为散热管道内部工质的热量，通过安插在散热管道之上的热管，经由热管内部工质的蒸发冷凝，将热量导出到与热管相连的热辐射板向外排热，是一种高效的被动式散热方式，不需要驱动风扇。在设计火星表面动力循环的散热装置时，如果能把对流换热和辐射散热进行结合，设置一定的辐射散热占总散热功率的比例对火星表面动力循环进行散热，并且对该火星表面动力循环散热装置针对降低重量和耗功的措施制定设计方法，就能够在充分利用辐射散热提高安全性可靠性的同时，尽可能地降低排热系统重量。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种热管散热和对流换热相结合的火星表面动力循环散热装置及其设计方法。
2、根据本发明的第一个方面，提供一种热管散热和对流换热相结合的火星表面动力循环散热装置，一种适用于火星表面动力循环的散热装置，包括：所述散热装置包括热管(1)、肋片(2)、热管附属管道(3)、对流换热管道(4)、风扇(5)、泵(6)、盖板(7)、集管(8)、支撑膜(9)、连接管路(10)、支撑架(11)以及液态金属(12)，所述肋片(2)与热管(1)连接，所述热管(1)底部连接至热管附属管道(3)，热管附属管道(3)与连接管路(10)、泵(6)、集管(8)依次连接，所述对流换热管道(4)两边连接集管(8)，所述支撑架(11)连接支撑膜(9)和盖板(7)，所述风扇(5)连接支撑膜(9)和支撑架(11)，所述液态金属(12)依次流经管道(6)、连接管路(10)、泵(6)、集管(8)、对流换热管道(4)、集管(8)。
3、上述方案中，所述热管(1)的外壳和网芯材质为钛。钛材质在满足强度要求的情况下，重量较轻，减少运输费用。
4、所述热管(1)的内部工质为水。水的汽化潜热较大，能够提升热管的传热功率极限。
5、所述热管(1)为蒸发段在下竖直放置。竖直放置有利于冷凝液回流，进一步提升热管的传热功率极限。
6、所述肋片(2)表面涂有高发射率涂层，高发射率涂层能够提升肋片向太空的辐射换热量。
7、所述热管附属管道(3)的材质为钛，所述对流换热管道(4)的材质为钛。
8、所述泵(6)为液压泵，液压泵能够为工质提供较高的压力，使得工质能够克服回路中的流动阻力。水泵重量与功率关系：
9、
10、所述风扇(5)材质为玻璃纤维，玻璃纤维满足风扇强度要求且重量较轻。所述液态金属(12)材质为钠钾合金。优势：钠钾合金沸点较高，避免发生相变，保证换热效果。
11、一种热管散热和对流换热相结合的火星表面动力循环散热装置设计方法，所述方法包括以下步骤：
12、步骤1：使用热阻网络法针对热管设计建模求解程序，得到单根热管温度场及换热功率，
13、步骤2：使用有限体积法针对对流换热器建立设计程序，首先得到温度场及当前换热功率，之后通过调节对流换热器换热管道数量，使得其换热量最终满足给定换热量要求，
14、步骤3：根据热管散热装置比功率重量及毛细极限，初步选定热管散热装置基本几何参数，
15、步骤4：根据对流换热器比功率重量及体积限制，初步选定对流换热器基本几何参数，
16、步骤5：建立整个换热系统设计程序，设定热管散热功率比例和对流换热器进口风速，设定热管散热装置串联的热管数量和并联的管道数量，
17、步骤6：使用热管求解程序对同一串联管道的每一根热管进行建模求解，得到温度场及换热功率，根据热管部分设计的换热量，调整热管冷凝段长度，
18、步骤7：使用对流换热器设计程序在给定风速及对流换热器部分散热功率下设计得到对流换热器管道数量，
19、步骤8：设定热管散热功率比例和对流换热器进口风速为优化参数，调用整个换热系统设计程序，针对重量及耗功，采用多目标优化方法进行设计，获得帕累托前沿，
20、步骤9：针对帕累托前沿之上的个体进行性能分析，根据重量及耗功的大小，选定最终设计方案。
21、其中，步骤1中热管管壁、吸液芯、蒸汽区的控制方程分别为：
22、
23、各控制体的差分表达式为：
24、
25、步骤2中，管内和管外控制体的差分结果分别为：
26、
27、管内工质和火星大气之间的总换热热阻表达式为：
28、
29、相对于当前换热器建模中普遍采用的集总参数法，采用有限体积法的离散换热器建模方式能够精确求得总换热量，避免物性变化导致的计算误差，从而设计出更加可靠的排热系统。
30、相对于现有技术，本发明的优点如下：本发明充分利用火星表面稀薄大气，将对流换热和辐射散热进行结合应用于火星表面动力循环的散热装置，设置一定的辐射散热占总散热功率的比例对火星表面动力循环进行散热，并且对该火星表面动力循环散热装置针对降低重量和耗功的措施制定设计方法，在充分利用辐射散热提高安全性可靠性的同时，可将排热系统重量和体积相比传统的热管散热时的重量和体积降低50％-100％。
1.一种适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，包括：所述散热装置包括热管(1)、肋片(2)、热管附属管道(3)、对流换热管道(4)、风扇(5)、泵(6)、盖板(7)、集管(8)、支撑膜(9)、连接管路(10)、支撑架(11)以及液态金属(12)，所述肋片(2)与热管(1)连接，所述热管(1)底部连接至热管附属管道(3)，热管附属管道(3)与连接管路(10)、泵(6)、集管(8)依次连接，所述对流换热管道(4)两边连接集管(8)，所述支撑架(11)连接支撑膜(9)和盖板(7)，所述风扇(5)连接支撑膜(9)和支撑架(11)，所述液态金属(12)依次流经管道(6)、连接管路(10)、泵(6)、集管(8)、对流换热管道(4)、集管(8)。
2.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述热管(1)的外壳和网芯材质为钛。
3.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述热管(1)的内部工质为水。
4.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述热管(1)为蒸发段在下竖直放置。
5.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述肋片(2)表面涂有高发射率涂层，所述热管附属管道(3)的材质为钛，所述对流换热管道(4)的材质为钛。
6.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述泵(6)为液压泵，泵重量与功率关系：
7.根据权利要求1所述的适用于火星表面动力循环的散热装置，其特征在于，所述风扇(5)材质为玻璃纤维，所述液态金属(12)材质为钠钾合金。
8.一种适用于火星表面动力循环的散热装置设计方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的散热装置，所述方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的适用于火星表面动力循环的散热装置设计方法，其特征在于，步骤1中热管管壁、吸液芯、蒸汽区的控制方程分别为：
10.根据权利要求8所述的适用于火星表面动力循环的散热装置设计方法，其特征在于，步骤2中管内和管外控制体的差分结果分别为：
