环路热管是一种无源的气液两相传热装置,高传热效率和柔性远距离热传输能力等诸多优势使其在空间光学探测子系统配套的热控系统中得到广泛应用。随着目标特征的多样化,对应光学系统的工作温区逐渐宽泛,目标温区内可选的环路热管工质也日渐繁多,而工质选择或充装不合适可能导致环路热管传热性能受限而不满足工程需求,因此研究工质对环路热管性能的影响至关重要。基于对背景需求和调研结果的分析,本文主要从工质的热物性和充装量两个方面研究了工质对环路热管性能的影响。其中影响工质流动和换热的关键热物性通常被集总于工质的品质因数,因此对热物性的研究主要是通过研究工质品质因数对环路热管传热能力和传热效率的影响来实现。而对工质充装量影响的研究是通过环路热管稳态运行的数值模拟、不同充装量下环路热管传热性能的实验研究以及目标低温区内的补偿器可视化研究实现。为达成研究目标,本文根据基础要求和调研结果选择了乙烯、乙烷和丙烯为180～250 K目标温区内的备选工质,将多项工质品质因数进行了对比,重点分析了工质流动压降在环路热管各部件的分布情况。结果表明工质在毛细芯和气体管线的压降为主要压降,而Dunbar数的推导过程中对工质的主导压降选取不合理,Mishkinis准则的推导过程中对压降的简化计算不合理。基于上述对比分析并结合不同接触角对衡量工质应用于环路热管时对应传热能力大小的品质因数进行了优化。另外对衡量工质应用于环路热管时对应传热效率的品质因数的分析表明Joung参数和工质在饱和状态的dP/dT值的预测结果相同,乙烯的Joung参数和dP/dT值依次大于乙烷和丙烯,且这两项参数均随温度的升高而增大。对工质充装量影响的分析和模拟表明工质充装量能直接影响环路热管补偿器内的工质液位,从而影响毛细芯核心内的工质分布状态以及蒸发器向补偿器的漏热模式,并最终影响环路热管传热效率。当补偿器内工质液位不足以覆盖毛细芯核心时,蒸发器向补偿器的漏热量因相变换热的存在而明显较大,环路热管的传热效率也因此受到制约。为对上述理论分析实施对应的实验验证,设计制造了三套环路热管样机(LHP-1,LHP-2,LHP-3),搭建了工质充装系统,设计了基于石英补偿器和带合金弹簧的密封“O”形圈以及法兰结构的密封形式,搭建了基于高速摄像机和热真空实验台的可视化实验系统。相关验证结果表明充装系统的充装精度优于0.1g;石英补偿器和不锈钢法兰的连接结构能承受1.5 M Pa压力和液氮低温而无损,满足可视化实验需求。工质充装量对LHP-1传热性能影响的实验研究结果表明充装量过高和过低均会导致样机启动失败,但造成失败的具体原因不同。随着工质充装量的增多,LHP-1的启动时间先缩短后增长,传热温差先减小后增大,但合适范围内的充装量对LHP-1传热能力的影响不明显。LHP-3可视化实验中观测到的补偿器内工质液位以及测得的蒸发器工作温度均与环路热管稳态运行模型计算结果符合较好。当补偿器内工质液位低于引流管时,工质能在引流管外壁面形成冷凝和流动,相变换热导致蒸发器向补偿器的漏热量大从而限制环路热管的传热效率。基于引流管外壁面工质冷凝液滴流速计算的蒸发器向补偿器的漏热量与模型计算结果符合较好。当补偿器内工质液位在引流管和毛细芯核心顶端之间时,环路热管的传热效率最优。对LHP-1和LHP-2在不同热负荷和热沉温度下的传热能力和传热效率的实验研究结果表明环路热管传热极限的相对大小及变化趋势更符合优化品质因数的预测结果,传热极限的实验值在不同温度下与基于不同接触角而得的优化品质因数接近,优化品质因数预测环路热管传热能力的准确度优于Dunbar数和Mishkinis准则。目标温区内乙烯环路热管的传热热阻依次小于乙烷环路热管和丙烯环路热管,各传热热阻均随工作温度的升高而减小,实验结果与Joung参数和工质在饱和状态的dP/dT值的预测结果均符合良好,工质在气体管线的压降是影响环路热管传热效率的重要因素。工质在环路热管内的ΔP/(dP/dT)值能准确预测环路热管蒸发器换热系数的相对大小及变化趋势,同时还能用于预测同种工质应用于不同环路热管时蒸发器换热系数的大小及对应整体传热效率的高低。