基于一維穩態導熱模型的多層組件常壓隔熱性能試驗研究

蘇新明，劉 暢，文 晶，王 晶，朱 熙，李 燁，劉守文

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

基于一維穩態導熱模型的多層組件常壓隔熱性能試驗研究

蘇新明，劉 暢，文 晶，王 晶，朱 熙，李 燁，劉守文

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

為準確獲取被多層組件包覆的空間站常壓熱試驗之熱邊界，文章基于一維穩態傳熱模型，對15單元多層組件的等效隔熱性能進行了常壓環境下的試驗測量。結果表明：該組件的熱特性較穩定，且受環境溫度影響較小，忽略相關測量誤差可以近似認為其當量導熱系數為0.02 W/(m·K)，等效熱阻為2.88 ℃/W。研究結果可用于空間站常壓熱試驗的熱邊界分析，為常壓熱試驗的準確開展提供數據支撐。

常壓；多層組件；當量導熱系數；等效熱阻；試驗研究

0 引言

空間站由多艙段組成，尺寸龐大，無法對其開展組合體真空熱試驗；此外，空間站有多個密封艙，在軌工作時艙內保持一定壓力，內部傳熱以對流換熱為主，而在真空熱試驗中是以輻射換熱為主。因此，空間站的地面常壓熱試驗是一項重要的試驗。開展常壓熱試驗首先需要確定航天器的熱邊界，而航天器表面又包覆了多層隔熱組件（以下簡稱多層），這會影響到常壓條件下的仿真建模以及試驗方案設計等工作。經過多年的在軌遙測數據積累，多層在真空狀態下的隔熱性能已知，但其在常壓條件下的隔熱性能未知，有必要開展相關試驗測試研究。

多層是航天器上常用的一種熱控包覆材料，具有較好的隔熱性能，且質量小、安裝方便[1]。對于多層的隔熱性能，國內外學者已經做了較多理論計算及試驗研究。Kamran[2]分析了高溫多層各向同性散射限位隔熱材料的瞬態輻射導熱耦合傳熱特性；Spinnler等[3-4]對多層穩態表觀熱導率進行了理論與試驗研究；閆長海等[5]建立了金屬熱防護系統多層穩態傳熱數學模型，并對多層傳熱的性能參數開展了試驗驗證；李鵬等[6]分析了打孔的空間多層隔熱材料的導熱與輻射復合傳熱問題，并建立了反射屏的能量方程，分析了層密度、打孔率等參數對多層隔熱性能的影響；韓海鷹等[7]通過理論與試驗分析了多層碎片防護增強措施對多層隔熱性能的影響；戴勇超等[8]定量分析了影響多層隔熱性能的多個因素，并給出了減小多層邊緣漏熱的設計；吳曉迪[9]根據衛星表面多層隔熱材料中輻射換熱、間隔層固體導熱溫度計算模型進行分析，得到了衛星長波紅外輻射影響較大的結論；楊明等[10]分析了不同太陽入射角對隔熱組件表面溫度的影響。以上研究，均是基于真空或低氣壓環境下開展的。對于多層隔熱材料的常壓熱環境試驗，其隔熱性能的研究尚未見報道。因此，針對空間站常壓熱試驗的需求，有必要開展在常壓環境下多層隔熱性能的研究。

1 傳熱模型

多層隔熱材料通常由反射層和間隔層構成，其中反射層一般為有機薄膜鍍鋁或金屬箔，間隔層多為的確良網、尼龍網等低導熱材料。本文所研究的15單元多層包含了16層打孔的雙面鍍鋁聚酯薄膜（單層厚度6 μm）和15層作為間隔的滌綸網，總厚度約為5 mm，如圖1所示。

圖1 15單元多層示意Fig.1 Schematic diagram of 15-layer MLI

常壓下研究多層的隔熱性能，主要包括其當量導熱系數、等效熱阻等熱物性參數，為此可以將15單元多層看作一個整體，利用一維穩態導熱模型求解其熱物性參數，如圖2所示。

圖2 一維穩態導熱模型Fig.2 1-D heat transfer model

穩態下，多層導熱的表達式為

式中：Q0為穩態時通過多層的熱量；λe為多層當量導熱系數；A為多層面積；δ為多層厚度；Tout為多層冷端溫度；Tin為多層熱端溫度；R為多層等效熱阻。

2 試驗設計

2.1 試驗件

基于一維穩態導熱模型，利用鋁合金（Y12）材質基板（300 mm×300 mm×2 mm），先在其兩側面分別粘貼同等規格和數量的熱流模擬加熱器，并設置測溫點；隨后在兩側面分別包覆15單元多層，如圖3所示。將圖中右側的多層視為被測多層，并在其外部設置測溫點。為防止漏熱，在基板四周的邊緣處同樣包覆了15單元多層。整個試件懸掛在環境溫度可控的常壓環境控制箱內。

圖3 試驗整體組成示意Fig.3 The schematic diagram of the overall test scheme

試驗中，環境溫度控制在設定值，基板左、右兩側熱流模擬加熱器的面積與阻值相同，在施加相同電流時兩側產生的熱量相等。觀察基板左、右兩側多層內部測溫點的溫度偏差：當試驗達到熱穩定，且多層內基板左、右兩側測溫點的偏差很小并在一定范圍時，可以認為熱流模擬加熱器所產生的熱量全部流向多層一側。此時，通過測量被測多層外部的溫度，即可根據式(1)計算出當前環境條件下多層的當量導熱系數及等效熱阻。

2.2 試驗工況

為了考察多層的隔熱性能是否會隨著環境溫度的變化而改變，使常壓環境控制箱內環境溫度設定為-60～20 ℃范圍內的6個不同等級，并在每一個溫度下，對基板左、右兩側熱流模擬加熱器施加相同的電流，測試多層的隔熱性能；待第1次測試結束后，改變加熱輸入電流，再進行第2次測試。具體工況設計如表1所示。

表1 多層隔熱性能試驗工況Table 1 Conditions for the MLI performance test

2.3 試驗系統組成

1）加熱及測量裝置

熱流模擬加熱器采用加熱片，在A、B面（A面指被測多層一側，即右側；B面指絕熱邊界多層一側，即左側）分別布置8片同等規格的加熱片，單片阻值40 ?。通過串并聯設置，在A、B面上各形成2個加熱回路，回路電阻80 ?。

測溫點采用Pt100熱電阻，在A面多層內側布置9個，外側布置4個；在B面多層內側布置6個。

熱控實施后的試驗件如圖4所示。

圖4 試驗件熱控實施效果圖Fig.4 The effect of the thermal control installation

2）測控溫系統

本次試驗溫度測量系統的采樣周期為1 min，可實現對測量數據的采集、存儲和顯示。

加熱片由程控電源供電，通過計算機控溫程序控制電源電流的輸出，調節加熱片的加熱功率。

3）常壓環境控制箱

本次試驗使用北京衛星環境工程研究所的SE-1000-10型常壓環境控制箱，箱內有效尺寸為1 m×1 m×1 m，具有液氮制冷和空氣壓縮制冷2種方式，采用電加熱方式，溫度控制范圍-90～150 ℃，控溫精度在±1 ℃以內。試驗件放置在常壓環境控制箱內的實物照片如圖5所示。

圖5 試驗件在常壓環境控制箱內放置位置實物圖Fig.5 The test object in the ambient pressure control box

3 試驗結果及分析

本次試驗共耗時52 h，在每個工況中，當所有測溫點的溫度單調變化值小于 0.1 ℃/h，且 A、B面多層內側的平均溫度偏差絕對值小于0.2 ℃時，維持穩定2 h后記錄被測多層外側溫度；再改變加熱電流或轉入下一工況。

試驗全過程溫度測量曲線如圖6所示。

圖6 試驗全過程測溫曲線Fig.6 The whole temperature test curve

試驗中，常壓環境控制箱運行穩定，在各工況下，環境溫度均無明顯波動。此外，利用工況間隙（未加電）對鉑熱電阻測量的有效性進行了測試，發現所有測量點的溫度值與環境溫度的偏差均在±0.05 ℃以內，且保持較好的一致性，說明本次試驗所用鉑熱電阻工作可靠，測溫精度能夠滿足要求。

試驗測量數據如表2所示。其中：T0表示環境溫度；Tin_A表示 A面被測多層內側溫度測量平均值；Tin_B表示B面多層內側溫度測量平均值；Tout表示被測多層外側溫度測量平均值。從表中可以看出，各工況下，Tin_A與Tin_B的偏差絕對值均在0.1 ℃以內，證明各工況均已到達穩態。

表2 試驗測量數據Table 2 The measured results in the test

根據式(1)，計算得到不同工況下的多層當量導熱系數和等效熱阻，結果如圖7和圖8所示。

圖7 不同工況下多層當量導熱系數Fig.7 Heat transfer coefficients of the MLI in different working conditions

圖8 不同工況下多層等效熱阻Fig.8 Equivalent thermal resistances of the MLI in different working conditions

可見，不同工況或輸入電流情況下，計算得到的15單元多層當量導熱系數和等效熱阻略有不同，當量導熱系數在 0.018～0.022 W/(m·K)范圍內，等效熱阻在2.63～3.17 ℃/W范圍內。考慮到測量誤差以及使用平均值計算所引入的計算誤差，可以近似地認為：不同工況下得到的15單元多層的當量導熱系數和等效熱阻是一致的，分別約為0.02 W/(m·K)和2.88 ℃/W。即，在常壓條件下15單元多層的隔熱性能基本穩定，受環境溫度的影響較小。

圖9、圖10分別給出了穩態時，不同工況下計算得到的多層隔熱性能的重復性情況。即，以工況中第一時刻得出的當量導熱系數和等效熱阻為基準，計算該工況后續時刻得到的當量導熱系數和等效熱阻與基準間的偏差及偏差隨時間的變化。從圖中可以看出，在相同條件下，不同時間計算得到的當量導熱系數和等效熱阻的偏差基本均在±0.05%以內。

圖9 不同工況下當量導熱系數及其偏差隨時間的變化Fig.9 Equivalent heat transfer coefficients and the offsets in different work cases

圖10 不同工況下等效熱阻及其偏差隨時間的變化Fig.10 Equivalent thermal resistances and the offsets in different working conditions

由式(1)可知：穩態時，當量導熱系數及等效熱阻的測量精度由加熱功率、溫度測量值、多層面積及其厚度決定。本研究中：1）加熱片的阻值已知，且為同批次、同規格，并通過控制系統保證所施加的加熱電流無偏差，因此加熱功率不會引入相對誤差；2）多層面積、厚度為實測值，且試驗中不發生變化，因此可保證不引入相對誤差；3）溫度測量精度由測溫點的測量精度（±0.1 ℃）保證，存在測量誤差，但試驗中已通過多次測量取平均值的方式降低了測量誤差。故本研究中所得到的多層當量導熱系數及等效熱阻的試驗誤差可忽略，且本次試驗的設計合理，獲得的試驗數據有效性在可信范圍內。

4 結論

通過對 15單元多層的隔熱性能進行試驗研究，得到以下結論：1）忽略相關測量及計算誤差，可以近似地得到 15單元多層的當量導熱系數為0.02 W/(m·K)、等效熱阻為2.88 ℃/W；2）常壓下，15單元多層的隔熱性能比較穩定，受環境溫度影響較小；3）相同條件下，計算得到的當量導熱系數和等效熱阻的偏差均在±0.05%以內，說明試驗設計合理，試驗數據有效。

以上試驗結果可用于空間站常壓熱試驗外壁多層（15單元）的熱特性分析，有助于確定多層的熱阻邊界條件，對于空間站常壓熱試驗方案制定和熱控實施有重要意義。

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（編輯：張艷艷）

Experimental study of the performance of multilayer heat insulation in ambient environment based on the 1-D heat transfer model

SU Xinming, LIU Chang, WEN Jing, WANG Jing, ZHU Xi, LI Ye, LIU Shouwen
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To study the performance of heat insulation of the space station with multilayer in ambient environment, based on the 1-D heat transfer model, measurements are made for the heat insulation of a multilayer (MLI) of 15 layers in ambient environment, and the ambient temperature can be adjusted.It is shown that, in the ambient environment, the performance of the heat insulation of the MLI of 15 layers is steady, and is not much affected by the environmental temperature.Within the test error, the equivalent heat transfer coefficient is 0.02 W/(m·K), and the heat resistance is 2.88 ℃/W, approximately.These results can be applied to analyze the thermal boundary of the space station in ambient pressure heat test, for properly carrying out the heat test in the ambient environment.

ambient pressure; MLI; equivalent heat transfer coefficient; equivalent heat resistance; test study

V423.7; V476

：A

：1673-1379(2016)06-0634-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.010

蘇新明（1985—），男，碩士學位，從事航天器熱試驗技術研究；E-mail: xmsu85@163.com。通信作者：文 晶（1989—），男，從事航天器熱試驗技術研究；E-mail: wj54297677@163.com。

2016-07-06；

：2016-11-14

載人航天工程三期重大項目工藝攻關課題