一種新型加熱絲紅外籠的設計及研究

王 飛，關 陽，路同山，劉海靜，張世一，靳兆峰，李卓慧，李燦倫

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

為了評估并驗證航天器熱控系統性能，需要通過熱平衡和熱真空試驗進行檢測，熱真空試驗中通常采用熱流模擬試驗裝置模擬太陽輻射、地球反照和地球紅外輻射所帶來的熱流。根據空間外熱流模擬裝置自身特點，外熱流模擬裝置可分為輻射型和傳導型兩類，屬于輻射型的有太陽模擬器、燈陣、紅外籠、紅外加熱棒和紅外輻射板等[1]。常規的紅外加熱籠為電阻型的紅外輻射源，每個加熱面等間距布置帶狀電阻片，面向試驗件的表面噴涂耐高溫黑漆，以提高表面熱輻射。由于加熱帶表面噴涂黑漆，高溫試驗易揮發污染物，不適用敏感光學元件，因此加熱帶自身溫度一般不高于423 K。另外，由于熱真空試驗需同時滿足高低溫的試驗要求，如果加熱帶的覆蓋系數過小，則高溫不能滿足要求；覆蓋系數過大，降溫速率較慢或低溫不能滿足試驗要求[2-3]，因此加熱帶紅外籠難以兼顧高低溫及降溫速率要求。本文設計的鎧裝加熱電阻絲結構新型紅外加熱籠，并通過仿真對測試試件的溫度均勻性以及降溫速率進行模擬計算。根據仿真計算結果并結合實際情況，研制了一套紅外加熱籠，并通過試驗對紅外籠的性能進行了測試分析。

1 新型紅外籠結構設計

紅外籠采用鎧裝電阻絲，為提高熱效率，參考燈陣燈罩在加熱絲背面設計了不銹鋼反射屏，反射屏與加熱絲采用陶瓷隔熱組件連接。紅外籠反射屏、框架表面均做拋光處理。紅外籠設計為半圓筒結構，如圖1所示，紅外籠內有效直徑為1.8 m，長度為1.85 m，分為前端部、后端部以及筒體3個加熱區，每個加熱區可根據控溫要求分別加熱。設計紅外籠加熱絲覆蓋間距分為110 mm、140 mm兩種，加熱絲反射屏寬度均為20 mm。1#紅外籠采用110 mm間距布置，覆蓋系數為0.18；2#紅外籠采用140 mm間距布置，覆蓋系數為0.14；3#紅外籠前端部及后端部加熱區采用140 mm間距布置，其覆蓋系數為0.14，筒體采用110 mm間距，筒體加熱區覆蓋系數為0.18。1#、2#紅外籠為等間距布置，筒體加熱區采用多根相同長度的加熱絲并聯布置；在前端部及后端部，采用不同長度的加熱絲并聯布置。3#紅外籠加熱絲采用非等間距布置，所有加熱絲長度規格一致。

圖1 紅外加熱籠結構示意圖Fig.1 Structure of the infrared heating cage

2 紅外加熱籠設計計算

2.1 計算模型及條件

試驗設備為KM2熱真空試驗設備，熱沉采用機械壓縮制冷系統冷卻，熱沉表面溫度193 K，熱沉內表面噴涂黑漆，黑漆表面發射率0.9。如圖2所示，試驗試件為星用單機模擬件，試件表面噴涂黑漆，試件尺寸400 mm×400 mm×300 mm。試件通過四個支腿放置在底部平臺上，試件與支腿間采用聚四氟乙烯隔熱，試件位于籠體的中心。

圖2 紅外加熱籠試件安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of test piece in the infrared heating cage

高慶華等[4]對紅外加熱籠的換熱模型進行了簡化，建立航天器器表、紅外籠和熱沉之間的輻射換熱模型，該換熱模型未考慮紅外籠各加熱區對試件的交互影響，只針對試件單個表面建立了加熱籠、試件表面、熱沉的簡化換熱模型。本文紅外籠為半圓筒結構，紅外籠前端部及后端部加熱區與筒體加熱區存在較大的交叉影響區域，另外換熱模型中試驗試件、加熱絲、反射屏、底部框架、熱沉之間的輻射換熱關系較為復雜，采用理論分析計算難度較大。本文采用輻射仿真模型對紅外籠性能進行模擬，輻射模型選用離散模型，熱源為加熱絲，熱沉冷背景溫度設定為193 K。試驗試件、籠體、熱沉等表面均為漫灰體表面。穩態模擬工況下設定紅外籠加熱功率分別為9 kW、6 kW、3 kW、1 kW和0.5 kW，模擬不同加熱功率下試件的溫度及均勻性。以瞬態模擬工況模擬試件降溫工況，降溫工況以6 kW穩態模擬結果為初始邊界條件，降溫階段不施加任何熱載荷。

2.2 計算結果分析

2.2.1 穩態計算分析

以1#紅外籠模擬結果為例說明，圖3為不同加熱功率下的加熱絲和鏡面板中軸面剖視溫度云圖。隨著紅外籠功率升高，紅外籠體自身的等溫性越差；加熱絲和鏡面板呈現筒體溫度明顯高于前端部、后端部的特性，且紅外籠功率越高，溫差越大。筒體、前端部和后端部各個加熱區域也存在較大溫差，紅外籠功率越高，各加熱區自身溫差越大。

圖3 1#紅外籠在不同加熱功率下的加熱絲和鏡面板中軸面剖視溫度云圖Fig.3 Axial temperature nephogram of 1#infrared cage heating wire and mirror panel under different heating power

圖4為1#紅外籠試件溫度云圖，加熱功率越高，試件自身溫度均勻性越差，試件整體溫度均勻性優于±2.5 K。由于試件底部未布置紅外籠，試件溫度呈現頂部溫度高、底部溫度低的特性。在紅外籠前端部、后端部與筒體的交界位置存在疊加效應，試件頂部區域受前端部、筒體和后端部加熱區的影響較大，導致試件頂部溫度偏高，試件溫度呈現不均勻特性。另外，由于底部平臺與試件間存在輻射漏熱，同時試件底部支撐與試件采用聚四氟乙烯隔熱，存在少量接觸導熱，導致產品溫度均勻性變差。

圖4 1#紅外籠試件溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of 1#infrared cage specimen

1#、2#、3#紅外籠的試件溫度、試件入射熱流等數據詳見表1～3，1#、2#、3#紅外籠的試件平均溫度及平均入射熱流如圖5、圖6所示。

表1 1#試件溫度及熱流數據Tab.1 Temperature and heat flow data of the test specimen 1#

表2 2#試件溫度及熱流數據Tab.2 Temperature and heat flow data of the test specimen 2#

表3 3#試件溫度及熱流數據Tab.3 Temperature and heat flow data of the test specimen 3#

圖5 1#、2#、3#紅外籠試件平均溫度曲線Fig.5 Average temperature curve of 1#，2#and 3#infrared cage specimens

圖6 1#、2#、3#紅外籠試件平均入射熱流曲線Fig.6 Average incident heat flux curve of 1#，2#and 3#infrared cage specimens

由圖5、圖6可以看出，相同熱功率下，1#紅外籠加熱絲布置密度最高，加熱絲溫度最低，試件平均溫度明顯要高于其他紅外籠的試件表面平均溫度；2#紅外籠加熱絲布置密度最為稀疏，加熱絲溫度最高，試件平均溫度最低，試件溫度均勻性最優；3#紅外籠溫度均勻性最差。相同加熱功率下，1#紅外籠試件表面入射熱流平均值最大，試件平均溫度最高；2#紅外籠試件表面入射熱流平均值最小，平均溫度最低，同時2#紅外籠試件的入射熱流更加均勻，因此其溫度均勻性最好；3#紅外籠的試件入射熱流均勻性較差，溫度均勻性最差。

由表4、表5可知，1#紅外籠各加熱區面熱流密度基本相等，2#紅外籠筒體面熱流密度略低于前端部及后端部面熱流密度，3#紅外籠筒體面熱流密度略高于前端部及后端部面熱流密度。在相同的加熱功率下，2#紅外籠筒體面熱流密度小于前端部及后端部面熱流密度，其溫度均勻性最好，3#紅外籠筒體面熱流密度大于前端部及后端部面熱流密度，其溫度均勻性最差。紅外籠覆蓋系數過小會增加熱流密度的不均勻性[5]。半圓筒結構紅外籠覆蓋系數的增大并未改善試件控溫均勻性，主要是由于設計的紅外籠尺寸遠大于試件尺寸，形狀匹配性差，相對于前端部及后端部紅外籠，筒體紅外籠對于試件的輻射角系數較大，加劇了試件熱流的不均勻性。為減小筒體段對于試件的輻射熱流的不均勻性，可通過降低筒體面熱流、增大前端部及后端部面熱流進行改善。

表4 筒體加熱區功率密度對比Tab.4 Thermal power density comparison of the cylinder heating area

表5 前端部及后端部加熱區功率密度對比Tab.5 Thermal power density comparison of the front end and the rear end heating area

2.2.2 瞬態計算分析

分別對三種紅外籠的試件降溫速率進行瞬態仿真模擬，如圖7所示。2#紅外籠的試件降溫稍快，1#、3#紅外籠試件降溫速率相差不大。試件從333 K降溫至238 K，1#紅外籠降溫速率約為0.711 K/min，2#紅外籠降溫速率約為0.735 K/min，3#紅外籠降溫速率約為0.706 K/min。可知紅外籠覆蓋系數越大降溫速率越慢，覆蓋系數的取值應在滿足控溫均勻性及控溫精度的情況下，同時滿足升降溫速率的要求。

圖7 試件降溫速率比較曲線Fig.7 Comparison curve of the test specimen’s cooling rate

3 試驗測試及分析

3.1 試驗測試數據分析

由于3#紅外籠采用相同規格長度的加熱絲，加工周期短，經濟成本低，紅外籠仿真試件溫度數據滿足熱真空試驗控溫要求，因此根據3#紅外籠的設計結構研制一套熱真空試驗紅外籠。依據相關熱真空試驗標準，組件的熱交換方式以傳導為主時，傳感器安裝在組件底板；組件的熱交換方式以輻射為主時，傳感器安裝在其外殼有代表性的位置，但不能位于熱源處[6]。試件控溫以輻射為主，在試驗單機試件表面固定5個測溫點，如圖8所示。試驗控溫系統采用PID控溫，試驗時容器壓力小于4×10-5Pa，熱沉溫度193 K。

圖8 紅外籠及試件測試狀態圖Fig.8 Test status of the infrared cage and the test specimen

以5個測溫點（TC01～TC05）的平均溫度作為控溫點溫度，選取333 K、238 K、343 K、223 K、353 K、263 K、323 K共7個溫度作為控溫目標溫度，每個目標溫度保溫時間約為2 h。5個測溫點控溫平均值變化如圖9所示，測溫點平均值的控溫精度±0.3 K。5個測溫點溫度數據如圖10所示。不考慮轉溫階段溫度波動，試件在333 K、343 K、353 K、323 K高溫區控溫時，保溫階段的溫度均勻性優于5 K；試件在238 K、223 K、263 K低溫區控溫時，保溫階段溫度均勻性優于3 K。

圖9 控溫試件的5個測溫點的平均溫度變化曲線Fig.9 Average temperature change curve of temperature control specimen’s 5 temperature measuring points

圖10 5個測溫點溫度數據曲線Fig.10 Temperature data of 5 temperature measuring points

為進一步提高試件控溫均勻性，紅外籠加熱區設計分為前部、后部、筒體左區、筒體頂部和筒體右區5個加熱區，對試件5個表面進行分區控溫。以試件5個表面的TC01～TC05測溫點作為對應加熱區的控溫點，分別選取333 K、238 K、343 K、223 K、353 K作為控溫溫度點，試件溫度與設定溫度變化如圖11所示。試驗試件各分區控溫精度在±0.3 K以內。不考慮升降溫過程，在333 K、343 K、353 K高溫工況和238 K、223 K低溫工況下，試件保溫階段溫度均勻性優于2 K。分區控溫升降溫速率與單區控溫的升降溫速率基本一致。紅外籠適當分區在保證試件升降溫速率的同時，明顯提高試件的控溫均勻性。

圖11 控溫試件的5個測溫點及設定溫度的變化曲線Fig.11 Temperature change curve of 5 temperature measuring points and set temperature of temperature control specimen

3.2 測試及仿真數據總結分析

由試驗測試結果可知，在單區控溫工況下，試件的高溫溫區控溫均勻性優于5 K，低溫溫區控溫均勻性優于3 K。根據3#紅外籠仿真模擬數據，不考慮試件底面溫度，試件在高溫及低溫工況下的溫度均勻性均優于試驗測試結果，尤其是在低溫工況下試件溫度均勻性優于2 K。這是由于試驗測試用熱沉采用制冷機制冷，因制冷機制冷能力所限，部分熱沉溫度測點在加熱作用下出現升溫現象，在熱沉溫度均勻性變差的情況下，影響了實際試件控溫的效果。

根據試驗測試結果分析，試件進行降溫工況時，試件溫度由373 K降溫至238 K，試件的降溫速率約為0.65 K/min。根據3#紅外籠仿真模擬數據，在同樣降溫區間，試件降溫速率約為0.706 K/min。仿真模擬的試件降溫速率比實際測試結果要快一些，主要原因為試件實際控溫采用PID的控溫策略，無法實現全降溫區間的無干擾降溫，提前減速的控制方式必然影響試件的降溫速率。

根據實際測試經驗，熱沉采用機械制冷方式，熱沉溫度193 K，加熱帶面覆蓋系數為0.4的傳統半圓筒結構紅外籠或方形紅外籠，在相同溫區試件降溫速率均低于0.5 K/min。在滿足相同高溫控溫工況要求的情況下，相對于加熱帶紅外籠，加熱絲紅外籠的遮擋率更小，降溫速率更快。

4 結論

本文通過仿真計算及試驗對一種新型半圓筒結構加熱絲紅外籠的溫控性能進行了分析和驗證，總結如下：

（1）半圓筒紅外籠前端部、后端部與筒體加熱區域存在疊加效應，加劇了試件熱流不均勻性，使試件呈現頂部溫度高、底部溫度低的特性；

（2）紅外籠加熱功率越高，試件入射熱流不均勻性越大，試件溫度均勻性越差；

（3）適當提高紅外籠前端部及后端部加熱區面熱流密度，降低筒體加熱區面熱流密度，有利于改善試件溫度均勻性；

（4）試件分區控溫，能夠在保證升降溫速率的要求下，提高試件的溫度均勻性；

（5）相對于傳統加熱帶紅外籠，在滿足同樣控溫試驗要求的情況下，加熱絲紅外籠覆蓋系數更小，降溫速率更快。

研制的新型紅外籠能夠滿足單機部組件熱真空試驗控溫要求，現已順利完成多次熱真空循環試驗，試驗控溫效果良好。設計該類型紅外籠時應當結合試件溫度均勻性及升降溫速率要求，合理設置紅外籠加熱絲覆蓋系數及各加熱區熱流密度。此外，也可通過紅外籠分區以調節不同加熱區的熱流密度，改善試件控溫均勻性。