低氣壓溫控設備的艙內環境溫度影響因素分析

何超，李高，丁文靜，李昂，顧磊

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低氣壓溫控設備的艙內環境溫度影響因素分析

何超，李高，丁文靜，李昂，顧磊

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

低氣壓溫控設備用于模擬臨近空間低氣壓和高低溫環境，低氣壓環境的溫度場控制是低氣壓溫控設備的關鍵指標，也是設計難點。文章首先通過Fluent軟件對無風扇擾動的低氣壓艙中的環境溫度進行數值仿真，研究熱沉開孔對艙內環境溫度的影響；在低氣壓艙模型中增加風扇模型，分析強制換熱對低氣壓艙內環境溫度的影響。通過在低氣壓溫控設備中進行的無強制對流的溫度控制試驗，研究此時空間溫度的降溫速率、試驗艙壓力和艙內試件工裝對艙內環境溫度的影響。數值計算和試驗研究結果表明，熱沉開孔、擾動風扇、試驗艙壓力和試件工裝均對低氣壓艙內環境溫度有影響，在低氣壓溫控設備的研制中，需綜合考慮上述因素。

低氣壓；溫控；數值仿真；Fluent

0 引言

臨近空間[1-2]的戰略價值已逐漸引起世界各國的關注和重視。20世紀90年代，美國、日本、韓國、巴西以及歐洲各國已經投入了大量的人力、物力對臨近空間相關技術進行了可行性研究論證以及試驗[3-7]。我國從2000年開始平流層飛艇的科研項目。

臨近空間的環境模擬試驗是驗證臨近空間飛行器可靠性的重要手段。不同于航天器空間環境模擬器的高真空環境[8]，臨近空間的環境模擬器不僅要關注冷背景溫度（熱沉溫度），更要關注低氣壓下的環境溫度，低氣壓下的傳熱機制除了輻射換熱外，還需要考慮導熱和對流換熱，使得溫度的影響因素更復雜。本文應用數值仿真和試驗方法對低氣壓下的環境溫度影響因素進行分析，以期為低氣壓溫控環境模擬設備的設計和試驗方法積累經驗。

1 低氣壓溫控方法

低氣壓溫控設備如圖1所示，低氣壓試驗艙體為外承壓結構，試驗有效空間為1800mm×2500mm。配置壓控系統控制艙內的環境壓力，調壓范圍為10Pa～常壓。溫控系統將艙內熱沉調節至目標溫度，通過熱沉與艙內稀薄氣體進行換熱來控制艙內環境溫度，其中制冷系統采用二元復疊制冷，能夠使熱沉冷背景溫度降至-80℃。相比于兩級壓縮機械制冷，復疊制冷由2個獨立的制冷循環疊加而成，高溫和低溫制冷劑都在合適的溫區工作，比兩級壓縮輸氣系數高、能源消耗小、能效比大，從而更經濟。系統還配置了風扇，用于加強艙內稀薄氣體的對流換熱，提高艙內的換熱效率，從而提高環境溫度的升/降溫速率和均勻性。相比國內現有低氣壓溫控設備，該設備試驗空間大，試驗溫度低，艙內溫度場的控制難度增加。為了提高設備的溫度性能，分析影響低氣壓環境溫度的因素是十分必要的。

圖1 低氣壓溫控設備結構示意

2 模型建立

Gambit是Fluent公司自行研發的前處理軟件，具有超強組合建構模型能力和專用CFD前置處理器，用于建立幾何形狀及生成網格。通過Gambit軟件建立試驗艙的計算模型，并進行網格劃分，采用六面體結構化網格，試驗艙模型和網格如圖2和圖3所示。建模時需考慮試驗艙觀察窗、測控法蘭的熱沉開孔、導軌和熱沉間隙。熱沉溫度-80℃，容器內壁溫度-13℃，艙內壓力為2000Pa。分別對風扇開啟前、后試驗艙內環境溫度場進行計算，研究熱沉開孔和風扇對艙內溫度場的影響。

圖2 試驗艙模型

圖3 試驗艙網格

3 數值計算結果

通過Fluent軟件[9-12]對未開啟風扇時艙內的換熱進行數值模擬，試驗艙內環境通過導熱和輻射與熱沉進行熱量交換，艙內溫度分布如圖4所示。可以看出，溫度穩定后，靠近熱沉壁面的環境溫度接近熱沉溫度-80℃，熱沉和艙內容器內壁夾層之間溫度較高，通過熱沉開孔影響試驗艙內環境溫度，環境溫度隨著遠離熱沉逐漸升高，試驗艙內中心區域溫度為-72℃。

用Fluent軟件模擬風扇開啟后試驗艙內的速度場和溫度場，如圖5和圖6所示，艙內稀薄氣體產生流動，加強了對流換熱，但由于風扇設置位置靠近熱沉頂部開孔，熱沉與容器壁夾層的高溫氣體通過風扇進風口進入試驗艙，艙內的溫度均勻性反而有所下降。

圖4 風扇未開啟時艙內溫度分布

圖5 風扇開啟后的艙內速度場

圖6 風扇開啟后的艙內溫度場

修正試驗艙模型，遮擋頂部熱沉開孔后再次對試驗艙內換熱過程進行數值模擬，艙內溫度分布如圖7和圖8所示。環境溫度受開孔溫度影響減小，熱沉壁面附近溫度最低接近-80℃，距離熱沉大于200mm處的環境溫度基本維持在(-75±1)℃，艙內最低溫度和溫度均勻性得到明顯改善。

圖7 遮擋頂部開孔后的艙內速度場

圖8 遮擋頂部開孔后的艙內溫度場

4 試驗分析

4.1 試驗設備簡介

試驗設備操作界面如圖9所示，試驗除了記錄試驗艙冷背景溫度（熱沉溫度）外，還布置了8個環境測溫點，用于試驗艙內環境溫度的測量。環境溫度測點分布如圖10所示。試驗設備參數如下：試驗有效空間為1800mm×2500mm；溫度范圍為-85～150℃；壓力范圍為10Pa～常壓；艙內無風扇擾動。

圖9 低氣壓艙溫控界面

圖10 艙內環境溫度分布

4.2 試驗結果分析

試驗共進行空載及有載2次調試。空載調試試驗溫度隨時間變化如圖11所示，調試過程中維持艙內壓力2000Pa，并分別在降溫2h和3.5h時對艙內壓力進行降壓和升壓操作。溫度數據見表1。

圖11 空載調試溫度隨時間變化

根據表1的調試數據，在試驗艙壓力2000Pa時，艙內環境溫度能夠在90min內降到-60℃，之后隨著與外界溫差的增大，設備的漏冷熱負荷增加，以及制冷機制冷溫度的降低，制冷量下降，艙內環境降溫速率變小。

試驗過程中分別對試驗艙內進行降壓和升壓操作，2h時試驗艙壓力從2000Pa降至500Pa，艙內環境溫度由-66℃降至-75℃，壓力恢復至2000Pa后溫度也升回至-66℃。3.5h時試驗艙壓力從2000Pa升至3000Pa，艙內環境溫度由-69℃升至-66℃，壓力恢復至2000Pa后溫度也降回-69℃。熱沉冷背景相同時，試驗艙內壓力越高，艙內氣體的熱導率越高，與周圍環境漏冷越多，試驗艙內溫度越高；反之，試驗艙內環境溫度隨壓力降低而降低。

表1 試驗艙內溫度

有載試驗在艙內增加了試件車、試驗工裝和試驗件，維持艙內壓力為3000Pa。試驗溫度隨時間變化如圖12所示。

圖12 有載調試溫度隨時間變化

從圖11可以看出，空載時試驗艙降溫3.5h、艙內壓力3000Pa時，環境溫度能夠達到-66℃，但在圖12有載調試數據中，3000Pa時降溫7h后環境溫度達到-64℃（中間保持試驗溫度1.2h），環境降溫速率遠低于空載調試。在高真空的空間環模設備中，試件車等試驗工裝對試件和環境溫度的影響較小；而在低氣壓試驗艙內放置尺寸較大、熱容較大的試件和工裝時，試件及工裝升/降溫速率遠小于熱沉和環境溫度，在低溫工況時，試件和工裝相當于熱源，對周圍環境溫度有加熱效應，大大降低了環境溫度的降溫速率。

5 結束語

本文通過數值仿真和試驗方法對低氣壓試驗艙的環境溫度影響因素進行分析。可以看出在低氣壓溫控設備中，環境溫度的影響因素與高真空的空間環模設備有較大差異，對設備研制和試驗工裝設計均提出新的要求：

1）設備內部無風扇擾動時，熱沉開孔對環境溫度有明顯影響，在設計時應盡量減少不必要的開孔；

2）經合理設計，擾動風扇能夠減小熱沉開孔的影響，改善設備的環境溫度及其均勻性；

3）隨著試驗艙內溫度降低，向周圍環境漏冷量增加，且制冷機制冷量降低，艙內環境溫度的降溫速率會降低；

4）試驗艙內壓力越高，氣體熱導率越大，在冷背景一致的情況下，向艙外的漏熱損失越大，因此試驗艙內環境溫度越高；而艙內壓力越低，則艙內環境溫度越低；

5）合理設計試驗件工裝，盡量減少工裝的尺寸和熱容，避免試驗件工裝對艙內環境溫度的影響。

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（編輯：馮露漪）

The influence factors of environmental temperature in the chamber of low pressure and temperature control facility

HE Chao, LI Gao, DING Wenjing, LI Ang, GU Lei

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The low pressure and temperature control facility can be used to simulate the environment of the near space, characterized by low pressure and high & low alterating temperature. First, the control of the temperature field concerns a main technical specification of the low pressure and temperature control system, which is relatively difficult. The environmental temperature in the low pressure chamber without fan is numerically simulated by the software Fluent, and the effect of the opening hole in the heat sink on the environment temperature inside the chamber is studied, then the fan model is added to the low pressure chamber, and the effect of the forced-convection heat transfer on the low pressure chamber is analyzed. The temperature control test in the low pressure chamber without the forced-convection heat transfer is completed, to evaluate the influening factors such as the cooling rate, the chamber pressure, and the test pieces and the toolings. Simulation and test result all indicate that the hole in the heat sink, the disturbance of fan, the pressure of the chamber, and the test fixtures all have some effect to the environmental temperature of the low pressure chamber. Those factors should be considered integratedly in the development of low pressure and temperature control facility.

low pressure; temperature control; numerical simulation; Fluent

V416.5; TP3

A

1673-1379(2017)04-0434-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.017

何超（1985—），男，碩士學位，主要從事空間環境模擬試驗設備的研究工作。E-mail: hechao85112@126.com。

2017-05-02；

2017-07-20