环路热管利用工质相变实现热量的高效传递,无需运动部件,有效隔离制冷装置对光学系统的电磁干扰和机械震动,并且可以通过汽液管线的柔韧性和长度改变实现热控系统与光学系统更合理的空间布置,能有效满足空间探测系统的控温要求。随着空间探测技术的发展和光学系统探测目标的多样化,对温控组件的工作温区要求变多,对控温的稳定性和精确度提出了更高的要求。环路热管在运行过程中,由于相变、换热和流动的相互作用,形成了一个复杂的换热系统,作为核心部件之一的冷凝器,其结构设计会影响环路热管的运行模式并在稳定热阻模式下决定环路热管的工作温度。一般来讲,环路热管中以蒸发器壁温和冷凝器壁温之间的温差作为判断环路热管工作性能的重要指标,温差越小,环路热管性能越优秀。现有的实验表明,造成环路热管温差大的主要因素在于冷凝相变温度与壁温之间的温差较大。其中,冷凝相变温度又由冷凝流型和冷凝换热的模式来决定,如何通过调整冷凝换热过程来减小冷凝温度与冷凝壁温之间的温差是环路热管性能提升的核心问题。但是目前针对环路热管的冷凝研究多集中在应用开发领域,冷凝传热传质机理并不十分明晰,低温下物性改变造成的的运行机理变化更鲜有报道。基于该研究背景和调研分析,本文主要考虑红外探测需求的150-290K温区内的环路热管的冷凝流型和冷凝换热特性。通过结构设计解决了低温下冷凝可视化的密封的承压和耐低温问题。通过铟丝密封手段解决了降温过程中由于线膨胀系数不匹配造成的密封失效问题,满足了低温下环路热管冷凝流型观测的需求。利用搭建的冷凝可视化实验平台,对低温区环路热管性能和冷凝流型及其换热特性之间的相互关系和影响因素进行了研究。常温区环路热管性能优于低温区性能,受到蒸发器向补偿器热泄漏量的影响低温下稳定热阻区向可变热阻区的转变会延迟,也导致了低温传热极限小于常温传热极限。冷凝两相区的长度与环路热管运行方式密切相关,在可变热阻模式下,两相区长度与换热量正相关,在稳定热阻模式下,两相区长度不再改变。可视化结果表明环路热管极小的质量流量导致不同换热量下冷凝流型均以波状流、层状流和间歇流等重力占主导力的流型为主。通过流型结果分析可知Cavallini流型图能更好地预测不同加热量下的流型。Cavallini换热关联式在低温下的预测值更准,建议在低温冷凝器的设计和模拟计算中使用。随着冷凝器温度的降低,冷凝流型由层状流逐渐向波状流、伪间歇流、半环状流转变。低温流体的物性改变是造成低温和室温下流型差异的主要原因。在低温下,较大的汽液密度比和粘度比会产生较大的剪切力,使流型转变为半环状流,提高了两相区的传热系数。低温下冷凝换热系数大于常温下冷凝换热系数,但是冷凝换热系数的大小不能单方面决定热管性能的好坏,性能好坏还与冷凝温度有着密不可分的关系,合理的强化换热能够通过减小冷凝温度而提升环路热管性能。在180-290K范围内Cavallini关联式预测值与实验值吻合较好,但当半环状流出现时偏差增大,半环状流时的冷凝换热特性和低温下环路热管震荡对冷凝换热的影响有待进一步研究。对实验结果分析后,将仿真计算中冷凝流型的选取和冷凝换热经验关联式的合理选择进行了细化,并将仿真计算结果与实验结果对比,冷凝两相区长度和环路热管工作温度都得到了很好的验证。证明了选用合理的冷凝换热经验关联式可以更有效地预测环路热管运行性能,并指出环路热管中冷凝优化的改进方向。通过仿真计算和实验成果分析,为203K冷凝器温度下的冷凝器长度进行参数化设计,完成了90mm、190mm和420mm冷凝器在223K、203K和183K温度下不同工况时的环路热管性能实验。结果表明,合理设计冷凝器长度有利于环路热管温差的减小,同时,合适的冷凝器长度能使环路热管在目标工况下运行在稳定热阻区。另一方面,完成了冷凝换热强化对环路热管性能的影响验证,结果表明,在环路热管中,通过冷凝强化确实可以提升环路热管性能,但是冷凝强化也会带来流动阻力的上升,二者之间的平衡需要把握。这些验证工作为环路热管的冷凝器结构设计和仿真计算提供了理论支撑。