國外調溫熱沉研究現狀及技術發展

張 磊，劉 敏，王紫娟，何 超

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

為保證航天器能長期在太空的高真空、冷熱交變環境中可靠地工作，發射前需在地面對航天器進行熱真空試驗。我國現有的熱真空試驗設備中，采用液氮冷卻系統、太陽模擬器、紅外加熱器、電加熱貼片等措施模擬航天器在軌所受到的外熱流變化[1-3]。太陽模擬器技術難度大，運行費用高，還需要建造復雜的運動模擬器，所以一般較少使用它來做熱真空試驗。紅外加熱器一方面要消耗電能，另一方面為維持背景溫度又需要消耗大量的液氮；而且紅外加熱器對試件適應性差，當試件的外形及尺寸變化時，需要設計不同的紅外加熱器。電加熱貼片由于粘貼于試件上，會改變試件表面的熱物理性能，導致一定的試驗誤差。

調溫熱沉是指具有溫度調節功能的熱沉，通過改變熱沉自身溫度來模擬外部環境溫度的變化。該方法具有對試件無遮擋、可加速降溫、經濟和使用方便等優點。本文介紹了國外調溫熱沉的研究應用現狀，并對調溫熱沉的主要技術進行分析，為我國調溫熱沉的研制工作提供支持。

1 調溫熱沉種類及應用領域

1.1 調溫熱沉分類

根據所選用載冷劑和外流程的不同，可以將調溫熱沉分為兩大類：一類是使用氮氣作為載冷劑通入熱沉進行溫度調節，稱為氣氮調溫熱沉；另一類是使用耐高低溫的導熱液作為載冷劑通入熱沉進行溫度調節，稱為導熱液調溫熱沉。

氣氮調溫熱沉采用電加熱器對氮氣進行加熱以實現高溫要求，使用液氮作為冷源對氮氣冷卻以達到溫度要求，使熱沉溫度在93～423 K范圍內連續可調。由于氣氮調溫熱沉結構復雜，需要大流量的高低溫風機，并且運行費用高，所以常用于大型熱真空試驗設備中。

導熱液調溫熱沉使用制冷機為導熱液提供冷源，電加熱器提供熱源，通過控制程序將滿足要求的導熱液由循環泵輸入熱沉中進行調溫。該方法的優點是系統構造簡單，運行維護費用較少，并且載冷劑的熱穩定性高，可以保證熱沉表面具有較好的溫度均勻性。考慮到現有制冷機制冷功率和循環泵揚程的限制，該調溫系統常用于中小型熱真空試驗設備中。

1.2 調溫熱沉應用領域

1.2.1 真空熱試驗

真空熱試驗包括熱平衡試驗和熱真空試驗。熱平衡試驗的目的是檢驗航天器軌道飛行中的溫度分布，驗證航天器熱設計，并考驗航天器熱控系統功能的試驗。熱真空試驗是在規定的真空與熱循環條件下驗證航天器各種性能與功能的試驗[4]。國內外有關航天器環境試驗的標準或規范均將真空熱試驗規定為必做的試驗項目[5-7]。鑒于熱平衡試驗和熱真空試驗都需要考慮溫度的變化，因此真空熱試驗設備必須具備溫度調節功能。

1.2.2 部件熱變形測量試驗

航天器在軌運行時，空間冷熱交變環境將會使航天器上許多部件發生熱變形。對自身結構穩定性有較高要求的部件來說，這種變形必將影響到其工作性能，如天線、空間光學相機、太陽電池陣、空間輻冷器等。因此，需要在地面空間冷熱交變模擬環境中對其變形進行有效測量。

對部件進行熱變形測量試驗時，試驗設備需要滿足以下兩個要求：一是設備具有高溫和低溫交變的能力，以模擬空間環境溫度的周期性變化；二是試驗設備中不能有物體對部件產生遮擋。在熱變形測量中通常采用經緯儀交會測量法、莫爾條紋法、散斑干涉法、全息干涉法、攝影測量法等光學測量方法，若試驗使用紅外加熱籠、紅外加熱燈陣等，將會遮擋測量光路，從而造成測量結果的偏差[8-9]。我國在小級別部件的熱變形測量中為避免加熱裝置的遮擋，通常采用在部件底部安裝電加熱板的方式來模擬高溫環境。而在這種情況下部件受到的加熱又不均勻，測量偏差較大。對于大級別的部件，該方法并不適用。我國現有的真空熱試驗設備還無法滿足該類型試驗的要求，需要研制調溫熱沉來解決該問題。

1.2.3 大型柔性結構展開試驗

航天器上有多種大型柔性結構，如雙柵天線及其展開機構、太陽電池陣及其展開機構等。為驗證這些柔性結構在空間環境下的工作性能，需要在空間環境模擬設備中進行結構展開試驗。由于結構展開需要很大的空間，傳統的紅外加熱裝置對其有阻擋而無法使用；調溫熱沉可以很好地解決該問題，滿足展開結構在不同溫度下的展開試驗需要。

2 國外調溫熱沉研究應用現狀

2.1 美國PDM公司的真空熱試驗設備

美國PDM公司生產的真空熱試驗設備[10]配置有氣氮調溫熱沉，可以使熱沉溫度在 117～394 K范圍內可調，升降溫速率可以達到1.1 K /min，系統可承受50 kW的熱負荷。該設備的氣氮調溫系統如圖1所示。氣氮調溫熱沉外流程采取單向密閉循環，氮氣由兩個汽化器提供，每個汽化器可連續8 h產生1 870 m3/h的氮氣。氮氣經6個高密度汽化單元調節后輸入熱沉中，通過控制汽化單元的輸出量來控制氮氣流量和溫度。汽化單元由低溫渦輪循環器、電加熱器和液氮噴射器組成，其中渦輪循環器配備變頻電機以允許速度可調。每個單元都有一個本地 PLC來控制渦輪速度、循環壓力、液氮噴射速率和電加熱器功率。本地 PLC控制單元通過數字方式連接到設備PLC系統中，實現集中控制。

圖1 PDM氣氮調溫熱沉流程圖Fig. 1 PDM GN2 temperature adjusting system

2.2 美國戈達德空間飛行中心的真空熱試驗設備

美國戈達德空間飛行中心的真空熱試驗設備[11]采用氮氣對熱沉進行調溫，熱沉溫度調節范圍為103～423 K，升降溫速率最小為6 K/min。調溫系統主要包括三級離心風機、加熱器和液氮換熱器等，其流程如圖2所示。風機為系統提供大約374 m3/h的氮氣；加熱器的外殼為直徑3 英尺的管狀結構，每個換熱模塊包括 1個 1.6 kW 的 IR石英燈和1副陽極氧化鋁翅片；液氮換熱器為殼管式結構，管中走氮氣，殼體中走液氮，通過液氮汽化來降低管中氮氣溫度。此外，液氮換熱器中安裝安全閥，可以保證氮氣循環壓力維持在20.67 kPa。

圖2 PDTVS氣氮調溫熱沉流程圖Fig. 2 PDTVS GN2 temperature adjusting system

2.3 美國SS/Loral公司的真空熱試驗設備

美國SS/Loral公司的真空熱試驗設備[12]的氣氮調溫熱沉可以使熱沉溫度在 93～423 K之間可調。外流程采用PSI公司生產的XLTCU-1000氣氮集成系統，其原理如圖 3所示。該套系統包括高速離心風機、沉浸式電加熱器、螺旋管式換熱器、閥門和傳感器等，控溫精度±1 K，氮氣密度6.41 kg/m3，流量1 150 m3/h。在進行制冷循環時，電加熱器不工作，氮氣在換熱器中與液氮進行換熱，達到規定的溫度；在加熱循環時，電加熱器對氮氣進行加熱，獲得規定溫度。

圖3 TCU-1000氣氮調溫熱沉原理圖Fig. 3 TCU-1000 GN2 temperature adjusting system

2.4 印度ISRO衛星中心的真空熱試驗設備

印度ISRO衛星中心的真空熱試驗設備[13]采用液氮/氣氮/空氣開式循環系統，使熱沉溫度在 80～398 K之間可調，圖4為該設備系統原理示意圖。調溫熱沉外流程由液氮杜瓦、加熱器、流量控制閥、壓力調節閥、放空閥和貯存罐組成。直接將液氮噴射進入熱沉來降溫，通過開/關流量控制閥來控制流量，獲得100～300 K的熱沉溫度；液氮蒸發系統可以使熱沉溫度達到80 K；通過氣氮/干空氣開式系統對熱沉進行加熱，獲得300～398 K的溫度。熱沉從常溫降到100 K需要60 min，從常溫升至398 K需要30 min，熱沉溫度均勻度為±2 K，控溫精度±1 K。

圖4 ISRO設備調溫熱沉原理圖Fig. 4 ISRO temperature adjusting system

2.5 美國Martin Marietta公司的真空熱試驗設備

美國Martin Marietta公司的真空熱試驗設備[14]配置的氣氮調溫熱沉溫度控制范圍為94～394 K，升降溫速率為±1.1 K/min。調溫熱沉外流程由CVI公司設計并制造，氮氣循環設備使用75HP渦輪風機，一臺100 kW的電加熱器和液氮混合器作為調溫設備，該設備系統流程如圖 5所示。渦輪風機能夠自動調節轉速，即控制器根據渦輪的負荷反饋自動調節速度。當氮氣需要加熱時，啟動電加熱器；當氮氣需要降溫時，向液氮混合器中注入液氮。電加熱器和液氮混合器都由溫度控制器控制，過量的氮氣可以通過在放空管道上的壓力調節閥控制，還可以通過從氮氣貯存罐出來的氣氮供應管路上的壓力調節閥控制流量。

圖5 Martin Marietta氣氮調溫熱沉原理圖Fig. 5 Martin Marietta GN2 temperature adjusting system

2.6 美國Bemco公司的AH系列真空熱試驗設備

美國Bemco公司生產的AH系列真空熱試驗設備均配置調溫熱沉。根據熱沉溫度要求的不同，該系列真空熱試驗設備可選用機械制冷或液氮制冷等方式獲得冷源；熱源選用電加熱的方式；載冷劑可選擇氮氣或耐高低溫的導熱液，載冷劑循環使用磁密封齒輪泵（magnetically sealed gear pump）或磁密封離心泵（magnetically sealed centrifugal pump），使熱沉溫度在-170～150 ℃范圍內可調。不同循環溫度控制范圍如表1所示。

表1 標準設備性能參數Table 1 Performance parameters of the standard equipment

對于機械制冷方式的設備，選擇 d-Limonene載冷劑或氮氣載冷劑，熱沉溫度在-65～150 ℃范圍內可調。對于液氮制冷方式的設備，選擇FC77 Fluorinert載冷劑或Galden HT170載冷劑，熱沉溫度在-85～150 ℃范圍內可調；也可選用氮氣作為載冷劑，使熱沉溫度在-170～150 ℃范圍內可調。

3 調溫熱沉主要技術

3.1 氣氮調溫熱沉主要技術

氣氮調溫熱沉主要包括動力系統、加熱系統、冷卻系統和控制系統。動力系統主要設備有液氮儲槽、儲氣罐和高低溫風機或氮氣壓縮機，為調溫熱沉提供規定流量的氮氣。加熱系統一般選取滿足功率和溫度要求的電加熱管或石英燈布置在加熱裝置內，對氮氣進行加熱。根據不同的冷卻方法，冷卻系統可以分為液氮儲槽式冷卻系統和液氮注入噴射式冷卻系統；液氮儲槽式冷卻系統是使用液氮換熱器作為冷卻設備；液氮注入噴射式冷卻系統是通過液氮噴射器將液氮噴入熱交換器中對氮氣進行降溫。

3.1.1 高、低溫風機設計

氣氮調溫熱沉的技術難點在于使用熱容量較小的氮氣來調節熱容較大的熱沉溫度[15]。因此需要風機有足夠大的流量，并且在高溫和低溫環境下均可正常工作。可以選擇離心風機或羅茨風機。

風機的主要性能參數包括流量、壓力、功率和轉速。高低溫風機設計時，需要考慮這些技術要求：滿足所需流量和壓力的工況點在最高效率點附近；最高效率盡量大，效率曲線要平坦；壓力曲線的穩定工作區間要寬；要選擇耐高低溫的材料及附件。然而，要同時滿足上述全部技術要求是不可能的。可以根據風機實際應用需求，結合工藝和氣動性能，選擇合理的設計方案。

3.1.2 液氮換熱器和液氮噴射器設計

液氮換熱器可選取板翅式、殼管式和螺旋管式換熱器。設計時需要考慮的技術參數包括：系統熱負荷，氣氮及液氮流量和進出口溫度，換熱面積和換熱器流動阻力。根據選擇的換熱器形式，對換熱器內部各參數進行詳細設計，最終確定換熱器結構形式。

液氮噴射器是直接將液氮與氮氣進行充分的混合，使氣氮溫度均勻并達到預定的溫度。液氮噴射器的設計主要包括液氮噴淋噴嘴形式、噴嘴數量和布置形式、液氮噴量的控制等。設計時需要綜合考慮設計熱負荷、液氮霧化度、噴淋均勻性及出口氮氣溫度等因素。

3.1.3 加熱系統

加熱系統選取氣體電加熱器來對氮氣進行加熱，將氮氣從初始溫度加熱到所需要的溫度。氣體電加熱器有電阻絲加熱器和陶瓷電加熱器兩種，一般根據所需的加熱功率來選擇合適的加熱器類型，其計算公式為

式中：C為氮氣比熱，J/kg·K；M為氮氣流量，kg/h；ΔT為氮氣溫升，K；η為電加熱器熱效率。

3.2 導熱液調溫熱沉主要技術

3.2.1 制冷系統選取及設計

通常采用的制冷方式有兩種：液氮制冷和機械制冷。液氮制冷方式具有很好的降溫性能，能夠達到-196 ℃的低溫，通常應用于要求溫度極低、降溫速度很快或者短時間內需要大冷量的場合。

機械制冷溫度可控性好，能夠實現較高的控溫精度，能夠達到的最低溫度約為-150 ℃。目前，獲得-150～-60 ℃低溫環境的機械制冷方式主要有單一工質的多級壓縮制冷、復疊式制冷、混合工質的節流制冷等。多級壓縮制冷用于獲得-70～-40 ℃的溫度，實際應用時并不采用過多的級數，多選取兩級壓縮。當需要-120～-70 ℃以下溫度時，一般采用復疊制冷循環。但復疊循環需要多個壓縮機，使制冷系統變得很復雜，且隨著級數的增加，從設計制造到生產維護都需要比較多的投入。

混合工質制冷使用兩種及以上的制冷劑按照一定的配比組成混合制冷劑，用一個壓縮機在一個系統內獲得-100 ℃以下的低溫。用混合工質制冷只需要一個壓縮機就能實現所需要的低溫環境，體積和質量明顯低于復疊式制冷系統，而且啟動程序、運行控制和長期停機防超壓也較簡單，并可提高制冷效率，是目前應用范圍最為廣泛的制冷形式。

3.2.2 高低溫循環泵

循環泵的作用是為導熱液提供需要的動力，使其能夠循環工作。對于導熱液調溫熱沉所用循環泵，需要滿足高低溫交變、高黏度、高效率和低比速的要求。由于高低溫循環泵的特殊性，其設計涉及多項主要技術，包括寬溫區工況下泵整體結構的設計、泵材料的合理選取、密封結構的設計和材料選取、低比速水力模型的優化設計、極端溫度下機組的安全運行、配合間隙的合理選取等。

3.2.3 加熱裝置設計

加熱裝置是由浸入在導熱液中的管狀電加熱單元通電產生熱量，以導熱液為載體，通過循環泵將熱量傳輸給熱沉，實現對熱沉的加熱。在進行加熱器的設計時，需要分別計算初始加熱量和工作加熱量，根據計算結果選擇加熱器的型號和數量。

1）初始加熱量

初始加熱量是指在規定時間內，將導熱液由初始溫度加熱到設定溫度所需要的功率。計算公式為

式中：C1、C2分別為導熱液和容器的比熱，J/kg·K；m1、m2分別為導熱液和容器的質量，kg；TΔ為設定溫度與初始溫度差，K；'P為最終溫度下容器散熱量，kW。

2）工作加熱量

工作加熱量是指維持導熱液在設定溫度不變時所需要的功率。計算公式為

式中m3為工作時導熱液流量，kg/s。

3.2.4 導熱液性能

作為與熱沉進行熱交換的載冷劑，導熱液的性能參數直接影響熱沉的溫度范圍和外流程的設計。不同類型的導熱液使用溫度范圍不同，并且導熱率、密度、比熱和黏度等熱物性參數差別很大。表2為不同公司研制的導熱液熱物性參數表，可根據調溫熱沉所需溫度范圍選取合適的導熱液。

表2 不同類型導熱液物性參數表Table 2 Physical parameters of the heat transfer fluids

4 結束語

我國現有的試驗設備已無法滿足某些航天器部件的熱試驗要求，需要使用調溫熱沉。由于受到經費和國外技術封鎖的影響，從國外進口該類設備難度較大，因此只好選擇自主研制的途徑。

通過對國外設備所采用的調溫熱沉進行調研，結合不同調溫方法的特點，建議大中型真空熱試驗設備采用氣氮調溫熱沉，中小型真空熱試驗設備采用導熱液調溫熱沉。在進行調溫熱沉的研制時，首先根據設備整體要求和調溫范圍的需要，設計調溫系統整體方案，然后對調溫系統各組件進行技術分解，對現階段沒有掌握的關鍵技術進行理論和試驗研究，最后結合我國目前的設備生產制造能力和加工工藝性能，確定最終的調溫系統設計方案并進行生產實施，通過與真空熱試驗設備的聯合調試，驗證調溫系統工作性能。

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