空間環(huán)境模擬設(shè)備大熱流內(nèi)仿形模擬器設(shè)計(jì)

杭滿福

（蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

衛(wèi)星及其航天器在進(jìn)入空間軌道飛行階段后，長(zhǎng)期處于真空和冷黑的空間環(huán)境中，同時(shí)接受空間外熱流與衛(wèi)星內(nèi)部熱流的共同影響。空間環(huán)境模擬設(shè)備是為了在地面模擬太空的“冷黑”、“高真空”和“外熱流”等環(huán)境而研制的一種大型多功能綜合設(shè)備，是衛(wèi)星及其航天器等在地面進(jìn)行各種性能、可靠性和長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備[1～7]。

大熱流內(nèi)仿形模擬器設(shè)計(jì)正是用于空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，用來(lái)模擬衛(wèi)星部件在空間環(huán)境下瞬間受到自身內(nèi)部產(chǎn)生的大熱流輻射效應(yīng)。由于模擬輻射熱流密度最大達(dá)到500 kW/m2，模擬輻射面積為1 m2，總加熱功率取1.1倍的富裕系數(shù)，其設(shè)計(jì)為555 kW，且整個(gè)模擬加熱器安裝于衛(wèi)星部件的局限錐形內(nèi)腔內(nèi)，故與通?？臻g外熱流模擬所采用的太陽(yáng)模擬方法和紅外模擬方法相比較，具有模擬輻射熱流密度大，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)控難度高等特點(diǎn)。

2 大熱流內(nèi)仿形模擬器的組成

本模擬器的設(shè)計(jì)主要由內(nèi)仿形石墨加熱器、熱流計(jì)、電源及其控制系統(tǒng)組成。

2.1 石墨加熱器

內(nèi)仿形石墨加熱器采用石墨作為發(fā)熱體，其優(yōu)點(diǎn)是在真空下使用溫度范圍廣，加工容易，可根據(jù)衛(wèi)星部件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)。據(jù)有關(guān)資料顯示，在真空環(huán)境下，石墨在100 K至2 400 K的溫度范圍內(nèi)宜選用多晶材料。石墨具有一定的強(qiáng)度；且隨溫度的變化，電阻率變化很小；石墨的熱導(dǎo)性能也很好。所以選用石墨多晶材料作為本模擬器的發(fā)熱體是合適的。

為了提高模擬器對(duì)衛(wèi)星部件內(nèi)型面的熱流分布均勻度，將石墨加熱器輻射面積1 m2按上、中、下3個(gè)等面積平均分配，設(shè)計(jì)為三層不同規(guī)格尺寸的發(fā)熱體，由上往下依次為三層加熱器、二層加熱器、一層加熱器。石墨加熱器總功率設(shè)計(jì)為555 kW，每層加熱功率為185 kW，單相連接，三層加熱器設(shè)計(jì)取相同的表面負(fù)荷，用以控制輻射熱流的方向和均勻度。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。

圖1 加熱器結(jié)構(gòu)

三層加熱器對(duì)應(yīng)由三層石墨托盤(pán)通過(guò)陶瓷絕緣柱安裝固定。6根石墨電極位于整個(gè)加熱器的中心部位，呈六邊形分布，參見(jiàn)圖2。石墨托盤(pán)由6根石墨電極通過(guò)石墨螺母和陶瓷絕緣環(huán)絕緣支撐，可有效防止真空低溫下啟動(dòng)加熱時(shí)，發(fā)熱體、石墨托盤(pán)及陶瓷件受強(qiáng)冷熱沖擊碎裂。整個(gè)加熱器組件安裝在由石墨隔熱層、金屬底板、瓷環(huán)組成的具有隔熱作用的隔熱平臺(tái)上。石墨電極通過(guò)隔熱平臺(tái)底部引出與外控制電路連接。

每層加熱器的設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)衛(wèi)星部件的內(nèi)部型面錐度，加工方法采用整體加工成形，參見(jiàn)圖3。

圖2 石墨電極位置結(jié)構(gòu)

圖3 單層加熱器結(jié)構(gòu)

2.2 熱流計(jì)

熱流計(jì)用來(lái)測(cè)量石墨加熱器表面輻射或接受試驗(yàn)衛(wèi)星部件表面吸收的熱流密度。本模擬器的功率輸出根據(jù)熱流計(jì)實(shí)際測(cè)得的石墨加熱器表面輻射熱流密度進(jìn)行控制。熱流計(jì)一般分為光電型和熱型兩類。光電型熱流計(jì)具有響應(yīng)快，輸出信號(hào)大的特點(diǎn)，但它的光譜響應(yīng)窄，而且響應(yīng)隨波長(zhǎng)而變化。熱型熱流計(jì)響應(yīng)速度較慢，信號(hào)輸出小，但它在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較均勻的光譜響應(yīng)，有利于測(cè)量輻射熱流。本模擬器設(shè)計(jì)選用熱型熱流計(jì)。熱流計(jì)處于真空、低溫的環(huán)境中，因受到石墨加熱器的表面輻射熱累積，溫度較高時(shí)對(duì)熱流計(jì)自身不利，通常采取冷卻措施。

2.3 電源及其控制系統(tǒng)

模擬器功率控制系統(tǒng)采用3組單相控制方式，選用控制精度為0.1%的智能化熱流（溫度）控制儀表，采用可控硅移相觸發(fā)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到功率控制的目的。功率控制系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖4。

圖4 功率控制系統(tǒng)框圖

熱流（溫度）控制儀表具有任選的PID參數(shù)，自調(diào)諧功能。其輸出4～20 mA電流信號(hào)給觸發(fā)單元，觸發(fā)單元把電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，其輸出電壓信號(hào)控制勵(lì)磁回路的直流電壓電流，從而控制磁調(diào)的電壓電流，保證了模擬器的功率控制功能。輸出電壓的范圍比較寬，一般為額定輸入電壓的0%～98%，具有軟啟動(dòng)、軟關(guān)斷、恒流、限流以及缺相保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能。

3 與其他空間外熱流模擬方法的比較

采用由石英燈組成的紅外加熱陣的紅外模擬方法和采用金屬電阻片組成的紅外加熱籠的紅外模擬方法，最早并成熟應(yīng)用于模擬空間外熱流環(huán)境。這2種方法的不足之處在于模擬輸出功率及熱流密度相對(duì)較小，若繼續(xù)增大輻射熱流密度，則模擬器的使用壽命大大縮短，且不能模擬動(dòng)態(tài)熱環(huán)境和提供異型空間內(nèi)的熱流輻射模擬效應(yīng)。

另一類空間外熱流模擬方法是采用太陽(yáng)模擬器，主要用來(lái)研究太陽(yáng)輻射在衛(wèi)星上產(chǎn)生的光譜能量效應(yīng)和熱效應(yīng)。通常模擬熱流密度為一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，約為1～2 kW/m2。太陽(yáng)模擬器技術(shù)復(fù)雜，研制成本高，裝調(diào)、操作與維護(hù)均十分困難，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，能耗高并具有一定的危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

以石墨作為發(fā)熱體的大熱流內(nèi)仿形模擬器實(shí)現(xiàn)了在空間模擬環(huán)境下、局部空間內(nèi)的大熱流輻射效應(yīng)，相對(duì)較好地實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星及其航天器熱環(huán)境的瞬變熱流模擬，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星及其航天器異型空間的局部熱流模擬效應(yīng)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，相信該種類型的大熱流異型模擬器將在空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中發(fā)揮更重要的作用。

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