空間環境模擬設備大熱流內仿形模擬器設計

杭滿福

（蘭州真空設備有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

衛星及其航天器在進入空間軌道飛行階段后，長期處于真空和冷黑的空間環境中，同時接受空間外熱流與衛星內部熱流的共同影響。空間環境模擬設備是為了在地面模擬太空的“冷黑”、“高真空”和“外熱流”等環境而研制的一種大型多功能綜合設備，是衛星及其航天器等在地面進行各種性能、可靠性和長壽命試驗的關鍵設備[1～7]。

大熱流內仿形模擬器設計正是用于空間環境模擬試驗，用來模擬衛星部件在空間環境下瞬間受到自身內部產生的大熱流輻射效應。由于模擬輻射熱流密度最大達到500 kW/m2，模擬輻射面積為1 m2，總加熱功率取1.1倍的富裕系數，其設計為555 kW，且整個模擬加熱器安裝于衛星部件的局限錐形內腔內，故與通常空間外熱流模擬所采用的太陽模擬方法和紅外模擬方法相比較，具有模擬輻射熱流密度大，設計結構復雜，測控難度高等特點。

2 大熱流內仿形模擬器的組成

本模擬器的設計主要由內仿形石墨加熱器、熱流計、電源及其控制系統組成。

2.1 石墨加熱器

內仿形石墨加熱器采用石墨作為發熱體，其優點是在真空下使用溫度范圍廣，加工容易，可根據衛星部件的內腔結構進行仿形設計。據有關資料顯示，在真空環境下，石墨在100 K至2 400 K的溫度范圍內宜選用多晶材料。石墨具有一定的強度；且隨溫度的變化，電阻率變化很小；石墨的熱導性能也很好。所以選用石墨多晶材料作為本模擬器的發熱體是合適的。

為了提高模擬器對衛星部件內型面的熱流分布均勻度，將石墨加熱器輻射面積1 m2按上、中、下3個等面積平均分配，設計為三層不同規格尺寸的發熱體，由上往下依次為三層加熱器、二層加熱器、一層加熱器。石墨加熱器總功率設計為555 kW，每層加熱功率為185 kW，單相連接，三層加熱器設計取相同的表面負荷，用以控制輻射熱流的方向和均勻度。具體設計結構參見圖1。

圖1 加熱器結構

三層加熱器對應由三層石墨托盤通過陶瓷絕緣柱安裝固定。6根石墨電極位于整個加熱器的中心部位，呈六邊形分布，參見圖2。石墨托盤由6根石墨電極通過石墨螺母和陶瓷絕緣環絕緣支撐，可有效防止真空低溫下啟動加熱時，發熱體、石墨托盤及陶瓷件受強冷熱沖擊碎裂。整個加熱器組件安裝在由石墨隔熱層、金屬底板、瓷環組成的具有隔熱作用的隔熱平臺上。石墨電極通過隔熱平臺底部引出與外控制電路連接。

每層加熱器的設計符合試驗衛星部件的內部型面錐度，加工方法采用整體加工成形，參見圖3。

圖2 石墨電極位置結構

圖3 單層加熱器結構

2.2 熱流計

熱流計用來測量石墨加熱器表面輻射或接受試驗衛星部件表面吸收的熱流密度。本模擬器的功率輸出根據熱流計實際測得的石墨加熱器表面輻射熱流密度進行控制。熱流計一般分為光電型和熱型兩類。光電型熱流計具有響應快，輸出信號大的特點，但它的光譜響應窄，而且響應隨波長而變化。熱型熱流計響應速度較慢，信號輸出小，但它在較寬的波長范圍內具有較均勻的光譜響應，有利于測量輻射熱流。本模擬器設計選用熱型熱流計。熱流計處于真空、低溫的環境中，因受到石墨加熱器的表面輻射熱累積，溫度較高時對熱流計自身不利，通常采取冷卻措施。

2.3 電源及其控制系統

模擬器功率控制系統采用3組單相控制方式，選用控制精度為0.1%的智能化熱流（溫度）控制儀表，采用可控硅移相觸發方式來實現電壓的無級調節，從而達到功率控制的目的。功率控制系統框圖參見圖4。

圖4 功率控制系統框圖

熱流（溫度）控制儀表具有任選的PID參數，自調諧功能。其輸出4～20 mA電流信號給觸發單元，觸發單元把電流信號變為電壓信號，其輸出電壓信號控制勵磁回路的直流電壓電流，從而控制磁調的電壓電流，保證了模擬器的功率控制功能。輸出電壓的范圍比較寬，一般為額定輸入電壓的0%～98%，具有軟啟動、軟關斷、恒流、限流以及缺相保護、負載短路保護、過流保護、過熱保護等功能。

3 與其他空間外熱流模擬方法的比較

采用由石英燈組成的紅外加熱陣的紅外模擬方法和采用金屬電阻片組成的紅外加熱籠的紅外模擬方法，最早并成熟應用于模擬空間外熱流環境。這2種方法的不足之處在于模擬輸出功率及熱流密度相對較小，若繼續增大輻射熱流密度，則模擬器的使用壽命大大縮短，且不能模擬動態熱環境和提供異型空間內的熱流輻射模擬效應。

另一類空間外熱流模擬方法是采用太陽模擬器，主要用來研究太陽輻射在衛星上產生的光譜能量效應和熱效應。通常模擬熱流密度為一個太陽常數，約為1～2 kW/m2。太陽模擬器技術復雜，研制成本高，裝調、操作與維護均十分困難，運行費用昂貴，能耗高并具有一定的危險性。

4 結論

以石墨作為發熱體的大熱流內仿形模擬器實現了在空間模擬環境下、局部空間內的大熱流輻射效應，相對較好地實現了衛星及其航天器熱環境的瞬變熱流模擬，可以實現衛星及其航天器異型空間的局部熱流模擬效應。隨著航天技術的不斷發展，航天應用領域的不斷拓展，相信該種類型的大熱流異型模擬器將在空間環境模擬試驗中發揮更重要的作用。

［1］閻守勝，陸果.低溫物理試驗的原理與方法[M].北京：科學出版社，1985.

［2］達道安.真空設計手冊（3版）[M].北京：國防工業出版社，2004.

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［6］毛根旺，唐金蘭.航天器推進系統及其應用[M].西安：西北工業大學出版社，2009.

［7］達道安，談治信.中國航天器真空技術的進展[J].真空與低溫，2001，7（4）：187～193.