航天器用界面導熱填料應用狀態接觸傳熱系數分析

韓崇巍 金迪 楊居翰 趙啟偉 張旸 李文君 杜卓林

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

導熱填料是固-固界面傳熱強化的填充材料,在航天器各個組件的熱連接中發揮了關鍵作用。目前,國內航天器使用最普遍的是RKTL-DRZ-1型導熱脂,但其具有易爬油的缺點[1],在對可凝揮發物、油類等敏感的設備上(如微波開關、光學部件等)限制使用。此外,隨著航天器上高熱耗、高熱流密度設備的增多,RKTL-DRZ-1型導熱脂對界面接觸傳熱的改善效果已漸顯不足。為適應航天器對熱控設計的不同需求,國內針對性開發了2款航天器用導熱填料,主要包括提高界面接觸傳熱系數的改進型產品RKTL-DRZ-2型導熱脂,以及改善爬油情況的RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠[2]。

對導熱填料接觸傳熱系數的測量,一般是按標準方法(一維穩態熱流法)對樣品進行測試,但這種方法采用的是小面積試件(Ф25mm、厚度0.1mm),且是在均勻壓力條件下測量,而工程實際應用時,設備安裝面尺寸一般為幾十至幾百毫米,且通過螺釘分布式安裝,安裝面壓力并不均勻,因此標準方法的測量值會明顯優于工程實際應用狀態下的工程值(如RKTL-DRZ-1型導熱脂,標準方法測量時的接觸傳熱系數約為20000W·m-2·K-1,工程實際應用時為500～2000W·m-2·K-1),標準方法的測量值無法直接用于工程設計。對于已在航天器上普遍使用的RKTL-DRZ-1型導熱脂,其應用狀態下的接觸傳熱系數通過熱平衡試驗及在軌飛行數據修正,已有較多的數據積累。而對于RKTL-DRZ-2型導熱脂及RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,由于目前在航天器上應用較少,其實際應用狀態下的接觸傳熱系數缺乏試驗數據支撐,而設備安裝面的接觸傳熱系數是航天器熱分析的重要參數,對熱分析的準確性及熱設計方案的可行性評估具有很大影響。

國內外對界面接觸傳熱系數開展了大量的試驗及理論研究[3-7],影響接觸傳熱系數的因素多樣、復雜,包括平面度、粗糙度、緊固件分布、擰緊力矩、設備及安裝板剛度等,但尚未有普適性理論可以計算獲得接觸傳熱系數,因此國內外航天器熱設計時選用的接觸傳熱系數大多來自試驗。本文研究的目的是獲取2種新開發的航天器用導熱填料在工程應用狀態下的接觸傳熱性能,采用試驗方法對航天器上設備典型尺寸及不同固定螺釘分布情況下的接觸傳熱系數進行分析,并獲取保證航天器用導熱填料填充效果的實施經驗。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置由設備模擬板、輻射板、空間環境模擬器、程控電源和測控溫設備等組成。設備模擬板共3種,每種模擬板各3塊,用于模擬航天器上典型設備的安裝底板,在模擬板安裝面上開設小方槽及導線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。每個模擬板頂面均設置1路加熱器。模擬板相關信息見表1,尺寸如圖1～圖3所示。輻射板共2種,每種輻射板各1塊,用于模擬板的安裝。如圖4所示,輻射板1用于模擬板1-1～1-3和2-1～2-3的安裝,輻射板2用于模擬板3-1～3-3的安裝。作為熱沉排散模擬板熱耗,輻射板外表面噴黑漆(模擬板安裝面除外)。輻射板上開設M4螺紋孔,在其與模擬板安裝面上開設小方槽及導線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。輻射板相關信息見表2。參考航天器上設備的一般安裝要求,模擬板通過M4螺釘固定于輻射板上,擰緊力矩2.0N·m,輻射板與模擬板之間涂不同規格的導熱填料。為盡可能降低輻射板溫度,輻射板直接放在真空室內導軌上。試驗時,空間環境模擬器通液氮、抽真空,試驗裝置示意如圖5所示。

圖1 模擬板1尺寸

圖2 模擬板2尺寸

圖3 模擬板3尺寸

圖4 輻射板與模擬板組裝示意

圖5 試驗裝置示意

表1 模擬板信息

表2 輻射板信息

1.2 試件樣本

設備模擬板試件通過導熱填料安裝于輻射板上,選用的導熱填料包括RKTL-DRZ-2型導熱脂和RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,同時作為比對,部分試件樣本也選用了RKTL-DRZ-1型導熱脂及干接觸的方式,考慮航天器上設備典型的固定螺釘分布情況,先后對28個試件樣本開展了試驗研究,獲取了28組樣本數據。

與RKTL-DRZ-1型導熱脂相比,RKTL-DRZ-2型導熱脂為改進型產品,對界面的接觸傳熱系數有很大改善,為單組份膠;RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠為雙組份膠,不爬油,對界面的接觸傳熱系數無改善。幾款導熱填料的主要性能參數見表3。

表3 不同導熱填料性能

導熱脂及導熱凝膠均按照規范要求進行實施,主要包括安裝面的清潔、導熱填料使用前的充分攪拌、導熱填料在兩側安裝面的均勻涂覆(厚度為0.1～0.2mm)、清膠、加壓固化等。

1.3 接觸傳熱系數計算方法

試驗裝置的熱流如圖6所示。在接觸的2個界面開槽布置熱電偶測點,可直接測量2個界面的溫度,因此根據接觸傳熱公式直接計算界面接觸傳熱系數。

圖6 試驗裝置熱流

式中:h為界面接觸傳熱系數,W·m-2·K-1;Q為加熱器功率,W;Qmli為多層漏熱量,見式(2),W;A為界面接觸面積,m2;T1為設備模擬板側界面平均溫度,K;T2為輻射板側界面平均溫度,K。

Qmli=A·εeff·σ·(T14—Ts4)

(2)

式中:εeff為多層當量發射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數;Ts為熱沉溫度,K。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

對28個試件樣本進行接觸傳熱系數測試試驗,試件樣本的安裝狀態及計算獲得的接觸傳熱系數如表4所示。

表4 試驗結果

2.2 誤差分析

影響接觸傳熱系數計算的誤差主要包括以下幾方面。

(1)測溫誤差。試驗裝置采用熱電偶測溫系統,考慮熱電偶標定、安裝及測量儀器精度等因素,測量誤差不超過1℃。

(2)穩定判據誤差。試驗工況穩定判據按照《GJB1033A-2005衛星熱平衡試驗方法》執行,各試驗工況結束時測溫點溫度滿足穩定條件,由此引起的試驗溫度與穩定值的偏差不超過1℃。

(3)功率測量誤差。試驗中加熱器功率偏差不超過2%。

(4)多層漏熱量偏差。多層當量發射率計算值偏差不超過0.02。

綜合考慮上述誤差影響,根據式(1)的穩態計算結果,可得表4中對應接觸傳熱系數的計算結果偏差最大約2.8%。

2.3 結果分析

2.3.1 實施效果評估

每個試件樣本完成試驗后,均對其導熱填料的涂覆狀態進行檢查,檢查結果如下。

(1)RKTL-DRZ-1型導熱脂和RKTL-DRZ-2型導熱脂的涂覆狀態良好,保證了設備模擬板與輻射板之間的良好接觸。

(2)第1組#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3,以及第2組#2-1-4,#2-2-4,#2-3-4,#3-1-4,#3-2-4,#3-3-4,共12個試件樣本選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠。其中:第1組6個試件樣本的導熱凝膠存在未能有效結合現象且表面光滑(見圖7),設備模擬板與輻射板之間未通過導熱凝膠實現良好接觸,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數均較低;第2組6個試件樣本的導熱凝膠能有效結合現象且表面成漁網紋狀(見圖8),設備模擬板與輻射板之間接觸良好,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數遠高于第1組試件樣本的接觸傳熱系數。

圖7 RKTL-DRNZ-1未良好接觸的光滑表面

圖8 RKTL-DRNZ-1良好接觸的漁網紋狀表面

上述情況表明:①RKTL-DRZ-2型導熱脂按照目前的導熱脂規范進行實施即可保證良好的界面填充效果。②RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠為雙組份膠,實施前將2種組份按一定比例進行配制,并要求在配制完成后的1h內完成導熱凝膠的實施,以避免固化。前文中第1組選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的6個試驗樣本在實施時室溫約32℃,且配比完成至實施完成的時間接近1h,較高的室溫及較長的實施時間導致實施完成時安裝界面兩側的凝膠表面已開始固化,進而導致試件樣本安裝界面兩側的凝膠未能有效結合、填充;第2組選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的6個試件樣本實施時室溫約25℃,配比完成至實施完成的時間約40min,導熱凝膠的填充效果得到了很好的保證。由此可見,對于RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,除滿足實施規范要求外,還應嚴格控制整個實施過程的時間,并應對環境溫濕度進行控制,以避免凝膠快速固化,進而影響界面填充效果。今后還要進一步開展工藝驗證試驗,尋找最優實施控制時間和溫濕度要求。

2.3.2 接觸傳熱系數分析

由表3中試驗結果(不含實施狀態不佳的#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3共6個試件樣本)可分析得到如下結論。

(1)在相同安裝狀態下,RKTL-DRZ-2型導熱脂的接觸傳熱系數最高,RKTL-DRZ-1型導熱脂次之,RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠最低。

(2)RKTL-DRZ-2型導熱脂的接觸傳熱系數是RKTL-DRZ-1型導熱脂的1.1倍～4.7倍;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRZ-2型導熱脂對接觸傳熱系數的改善效果越明顯。

(3)RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的接觸傳熱系數是RKTL-DRZ-1型導熱脂的0.6～0.8;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠對接觸傳熱系數的改善效果越接近于RKTL-DRZ-1型導熱脂。

(4)不同設備模擬板尺寸及不同固定螺釘分布,對界面接觸傳熱系數有較大影響。為保證設備安裝面的良好接觸,建議設備底面任意點與安裝螺釘的距離不超過150mm;對大尺寸、高熱流密度設備,可采用在設備底板中部增加螺紋孔、通過從設備安裝板外側擰入螺釘的方式固定,以強化界面接觸傳熱效果。

(5)根據多年航天器研制經驗,通過熱平衡試驗、在軌航天器實測數據修正熱分析模型得到的RKTL-DRZ-1型導熱脂在航天器上使用狀態下的接觸傳熱系數,為本文試驗結果的0.3～0.5,這可能主要是由于試驗采用10mm厚的鋁板(剛度約等同于33mm厚的鋁蒙皮蜂窩板),其剛度較航天器上常用的25.6mm厚或21mm厚的鋁蒙皮蜂窩板更好。

2.4 導熱填料選用建議

本文獲取的航天器用導熱填料實施經驗,尤其對于RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,其環境溫濕度、操作時間是保證實現良好實施效果的關鍵控制條件,對于工程實施具有很好的指導意義。此外,本文獲取的RKTL-DRZ-2型導熱脂、RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠相對于RKTL-DRZ-1型導熱脂在應用狀態下對界面傳熱效果改善情況,能作為航天器熱設計及熱分析的參考,可提高熱分析的準確性以制定合理的熱設計方案,對航天器熱設計具有很好的參考價值。綜合考慮航天器用各種導熱填料的特性及應用狀態下的換熱性能表現,給出了航天器用導熱填料的選用建議,如表5所示。

表5 導熱填料選用建議

3 結論

本文采用試驗方法對2款新開發的航天器用導熱填料RKTL-DRZ-2型導熱脂和RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠在應用狀態下的接觸傳熱性能進行試驗研究,并與目前常用的RKTL-DRZ-1型導熱脂進行比對,結論如下。

(1)在相同安裝狀態下,對界面接觸傳熱性能改善效果由高到低依次為RKTL-DRZ-2型導熱脂、RKTL-DRZ-1型導熱脂、RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠。

(2)對于導熱凝膠的實施,為保證實施過程中導熱凝膠有效結合,應對環境的溫濕度及實施時間進行嚴格控制。

此外,考慮各種導熱填料的特點,本文給出了導熱填料在應用時的選用建議,可為選用導熱填料時的熱設計及熱控實施提供參考。