两相环路热控系统具有传热量大、等温性好、传输距离远等优点，在航空航天、高热流密度散热等领域有着良好的应用前景。两相环路热控系统根据驱动方式的不同可分为毛细力驱动式、机械(泵)驱动式以及混合式，本论文主要针对毛细力驱动式的两相环路热控系统(环路热管)和机械泵驱动的两相环路热控系统进行理论分析、优化设计、实验研究和实时动态仿真分析。　　 本文首先开发了新型的平板式环路热管，将传统环路热管的圆柱型蒸发器改为平板式，并将蒸发器和补偿室进行一体化设计。管材使用铜、内部工质使用超纯水，针对平板式环路热管的启动特性、传热特性及温度稳定性进行了实验研究和机理分析。实验发现平板式环路热管的启动与环路中工质的气液分布以及散热功率有较大的关系，功率越大(但不超过其可承受范围)环路热管越容易启动。平板式环路热管的传热性能受重力影响较大，对于同一样品，传热性能的排列为：顺重力(竖直且冷凝器在蒸发器上方)＞水平放置＞逆重力(竖直且冷凝器在蒸发器下方)。本文所测试得的最好结果是在顺重力下传热量到达300W，热阻约为0.2K/W。在某些情况尤其是启动时，平板式环路热管工作时会发生较大的温度震荡，减小从蒸发器到补偿室的热泄漏、控制补偿室温度相对稳定，是解决此温度震荡问题的关键。　　 通过改进毛细结构，可达到减小平板式环路热管从蒸发器到补偿室热泄漏的目的，并对环路热管的整体性能改进有较大的作用。改进后的平板式环路热管未发现温度有较大震荡的情况，且更容易启动。通过这种方法，制得了最小可在2W时启动的平板型环路热管，在传热量为150W时的热阻仅为0.1K/W。此外，通过使冷凝器与补偿室直接相连，也可以达到了抵消部分从蒸发器到补偿室热泄漏的目的。通过这种方法，较大的温度震荡得以抑制，传热能力可增大2倍左右。　　 本文接着针对某机械泵驱动的两相环路热控系统进行研究，该两相环路热控系统称硅微条探测器热控系统(Tracker Thermal Control System，TTCS)，采用二氧化碳(CO2)为工质，为将在国际空间站上运行的阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer-2，AMS-2)的硅微条探测器提供精密温度控制。主要根据TTCS的系统特点分析其工作原理、建立其动态模型，并使用SINDA/FLUINT进行求解。所建模型中的一些重要参数通过实验来修正。对比蒸发器内的两相二氧化碳的压降，修正Lockhart&Martinelli的压降关联式中的系数C，使之可以适用于接近超临界的二氧化碳的压降计算。　　 利用所建立的TTCS的SINDA/FLUINT模型，对TTCS的优化设计提出一系列建议。主要包括：(1)通过数值模拟方法，对二氧化碳、丙烯和氨三种工质应用于TTCS进行了研究。如果能解决某些冷工况下工质流经辐射器时的冻结问题，二氧化碳是目前的最佳选择。(2)对TTCS的储液器的控温方式进行了数值模拟，提供了优选方案。(3)对TTCS在极冷和极热轨道运行时可能出现的问题进行讨论并提供了解决方案，对双辐射器的流量自调节特性进行了探讨。　　 本文最后建立了两相环路热控系统的实时动态模型。实时动态仿真(半实物仿真)与普通动态仿真的区别是，前者需要采用实时仿真算法使系统各部件同步运转而后者无此要求。实时动态仿真能起到连接数值模拟的虚拟世界与具体对象所在的真实世界的作用，在航空航天领域和现代工业有着非常重要的地位。所建立的实时动态模型借助Matlab/Simulink生成可实时运行的代码，用于实时动态仿真。将TTCS的Simulink模型与实验及模拟结果进行对比，吻合得较好，可用于进一步的实时动态分析；论文利用这个模型讨论了TTCS储液器和回路的耦合关系。此外，论文开发了针对平板型环路热管的实时动态模型，并与实验结果进行对比，得到了较好的吻合验证。