熱真空試驗系統(tǒng)溫度均勻度試驗研究

陳立濤，張 偉（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

熱真空試驗系統(tǒng)溫度均勻度試驗研究

陳立濤，張 偉
（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

熱真空試驗是航天器研制過程中非常重要的一項試驗，作為滿足熱真空試驗必不可少的工具，好的熱真空試驗系統(tǒng)可以保證試驗件在不失真的情況下試驗，使試驗受控，而熱真空試驗系統(tǒng)溫度均勻度不好，會造成過試驗或欠試驗的產生。文中以某型熱真空試驗設備為例，通過試驗研究分析其溫度均勻度，可以提高熱真空試驗的精度。

熱真空試驗；過試驗；溫度均勻度

引言

在航天器的研制和服役過程中，必須進行各種類型的空間環(huán)境模擬試驗，以充分暴露產品的潛在缺陷，檢驗航天器的設計和制造質量。作為空間環(huán)境試驗中的重要組成部分，熱真空試驗對航天器研制起著舉足輕重的作用。

熱真空試驗系統(tǒng)是滿足熱真空試驗必不可少的工具，好的熱真空試驗系統(tǒng)可以保證樣品在不失真的情況下試驗，使試驗受控，達到試驗的目的。作為熱真空試驗系統(tǒng)的重要指標之一，溫度均勻度的好壞對評價熱真空試驗系統(tǒng)的好壞有著十分重要的意義[1-12]。

1 熱真空試驗系統(tǒng)

航天器發(fā)射入軌后會遇到復雜的空間環(huán)境，如真空、冷黑、太陽輻射、粒子輻照和原子氧等，對于航天器而言，這些空間環(huán)境會產生相應的空間環(huán)境效應，如壓力差效應、真空放電效應、材料蒸發(fā)升華、熱輻射效應（空間真空環(huán)境下氣體傳導和對流可忽略，傳熱以輻射為主導）、真空出氣效應和金屬冷焊等?？臻g環(huán)境會對航天器產生極其重要的影響，其中以太陽輻射、冷黑環(huán)境及真空環(huán)境的影響最嚴重，他們影響航天器的熱性能、電性能和力學性能，對航天器正常工作構成重大的威脅。為了檢驗航天器在空間環(huán)境中的工作性能，在地面使用專用設備對外層空間的太陽輻射、冷黑環(huán)境及真空環(huán)境進行模擬，暴露航天器設計和質量缺陷，即為熱真空試驗[1]。

熱真空試驗是在規(guī)定的壓力與鑒定級或驗收級熱真空試驗的溫度條件下，暴露產品的設計與工藝問題，評定其工作性能，驗證其功能的試驗。熱真空試驗分為鑒定級熱真空試驗和驗收級熱真空試驗。鑒定級熱真空試驗的目的是證明航天器在規(guī)定的壓力和鑒定級溫度條件下是否滿足設計要求；驗收級熱真空試驗的目的是在規(guī)定的壓力和驗收級溫度條件下暴露材料、工藝和制造方面的缺陷。作為空間環(huán)境試驗的重要組成部分，熱真空試驗對航天器的研制起著舉足輕重的作用，各國研制航天器的大量實踐證明，這種試驗非常有效，熱真空試驗已成為必做的試驗項目之一[1]。

熱真空試驗系統(tǒng)是按照熱真空的試驗要求提供高真空、高溫和低溫的恒溫與交變，以及被試件特殊要求等條件的專項試驗設備[2]。熱真空試驗主要模擬兩個參數，即高真空環(huán)境和熱環(huán)境。熱真空試驗系統(tǒng)主要組成部分有：真空容器、抽氣系統(tǒng)、熱沉，升降溫系統(tǒng)和溫度采集與控制系統(tǒng)及其他特殊需求的機構。其中真空容器是試驗空間所在，常由碳鋼或者不銹鋼制成；抽氣系統(tǒng)是由粗抽、分子泵和低溫泵組成，用來獲取需要的高真空環(huán)境；熱沉一般采用紫銅管板式內表面涂表面吸收率不小于0.9的黑漆，制冷采用液氮制冷或者機械制冷，以此來模擬外層空間冷黑環(huán)境，加熱采用紅外燈陣或者加熱籠的方式；溫度控制是熱真空試驗中很重要的一環(huán)，一般采用“自適應”控制理論和方法。文中以KM1型熱真空試驗系統(tǒng)為例，對熱真空試驗系統(tǒng)的重要指標—溫度均勻度進行了試驗研究。

2 溫度均勻度試驗研究

該熱真空試驗系統(tǒng)為KM1型，真空室有效尺寸Φ 1200 mm×1500 mm（直段），熱沉有效尺寸Φ 1000 mm×1500 mm，制冷采用液氮制冷，加采用加熱籠，加熱籠有效尺寸為500 mm×500 mm×800 mm，該KM1熱真空試驗系統(tǒng)極限真空度為4×10-5Pa，熱沉溫度≤100K，溫度范圍-150℃～+120℃，控溫精度±1℃（在-40℃～+70℃范圍內），±2℃（在-40℃～+70℃范圍外，-150℃～+120℃范圍內）升溫速率≥1.5℃/min，降溫速率≥1.0℃/min。

試驗時真空度要求優(yōu)于6.65×10-3Pa，以該試驗系統(tǒng)內的長方形試件安放平臺作為試驗樣件，溫度控制點C位于該試件中心，在試件四個角布置4個監(jiān)測傳感器1、2、3和4，如圖1所示。

將傳感器布置好后，按照熱真空試驗系統(tǒng)操作規(guī)程進行開機試驗，在抽真空滿足試驗要求后進行溫度試驗，溫度控制點開始于環(huán)境溫度升到規(guī)定的溫度并穩(wěn)定，分別選擇+70℃和120℃兩個個溫度點，每個溫度點停留時間為3小時，熱真空試驗溫度曲線如圖2所示。

選取每個+70℃和120℃兩個溫度點在保溫臨結束20分鐘內分別采集的20組溫度值，與控制點的溫度對比如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4試驗結果可知，溫度監(jiān)測點1和2處溫度以及監(jiān)測點3和4處采集的溫度值和控制點的溫度有明顯的差別，在距離液氮管路近的試件兩角布置的溫度監(jiān)測點1和2比控制點溫度低，而另外兩個溫度監(jiān)測點3和4溫度明顯比控制點溫度高。

圖1 傳感器分布圖

圖2 熱真空溫度曲線

圖3 70℃控制點與監(jiān)測點溫度對比

圖4 +120℃控制點與監(jiān)測點溫度對比

試件上各點溫度不均勻的產生，是因為在真空環(huán)境下熱傳遞只有一種方式，即輻射，而不是常壓下的熱傳遞三種方式傳導、對流和輻射，在高真空（優(yōu)于1×10-3Pa）時，真空容器內空氣幾乎為零，熱傳導和對流可以忽略，試驗件溫度的獲取完全靠輻射的方式。對于本型KM1熱真空試驗系統(tǒng)，熱沉是管路通液氮表面涂吸收率0.9以上黑漆，以此來模擬外層空間中的冷黑環(huán)境效應，加熱籠作為外熱源用來模擬太陽輻射,試驗件溫度的獲取是靠冷黑背景的熱沉輻射（液氮制冷）以及加熱籠的加熱輻射決定的，試件上各點溫度不均勻的產生是與各點和熱沉及加熱籠的相對位置綜合相關的。

真空容器內試件上各點溫度的不均勻產生的另一個因素是熱真空試驗系統(tǒng)中熱沉溫度不均勻，熱沉的溫度均勻性主要由熱沉的結構和熱沉內循環(huán)的工質來決定，熱沉上開孔面積的大小和開孔（觀察窗、法蘭盤）的多少也對熱沉的溫度均勻性產生影響。熱沉溫度的不均勻性可以通過調整試件在熱沉中空間位置來消除這種影響[12]。

目前而言，熱真空試驗最常見的控溫策略是單點控制，即采用一個溫度點作為控制，單個控溫點布置在試驗件上，這種單點控溫的控溫方式，試件上各點溫度是不均勻的，特別是對于尺寸較大的試驗件而言，會導致試件上不同位置點的溫度差別很大，很可能會造成過試驗或者欠試驗的產生，通過進行溫度均勻度研究，選擇合適的溫度控制點，對熱真空試驗的溫度控制有很大的指導意義。

3 結束語

由上述試驗可以得知，對于此次試驗的熱真空試驗系統(tǒng)，試件上各個點的溫度分布有明顯差異，在距離液氮管路近的試件兩角布置的溫度監(jiān)測點1和2比控制點溫度低，而另外兩個溫度監(jiān)測點3和4溫度明顯比控制點溫度高。試件上各點溫度的不均勻是由于各溫度點與熱沉和加熱籠的相對位置遠近及熱沉溫度不均勻造成的。

理論上講，隨著試件尺寸的增大，試件上各點的溫度均勻度的差異會更大，特別是對于大尺寸的試驗件而言，在此時進行熱真空試驗時候，更要考慮試件溫度均勻度差異，避免過試驗和欠試驗的產生，這也正需要我們進一步的研究。通過研究試件溫度均勻度分布，選擇合適的溫度控制點，可以更好的使試件各個部位溫度可控，避免某些部位溫度過試驗或者欠試驗的產生，從而保障熱真空試驗的成功進行。

［1］黃本誠， 馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗技術［M］.北京： 國防工業(yè)出版社， 2002.

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［12］劉敏， 劉波濤， 賈陽， 萬強.熱沉溫度均勻性分析［C］.2003年度低溫技術學術交流會論文集， 2005： 43-50.

陳立濤，男，中國電子科技集團公司第三十八研究所，工程師，博士，主要從事環(huán)境及可靠性試驗的研究工作。

Experimental Research of Temperature Uniformity for Thermal Vacuum Test System

CHEN Li-tao， ZHANG Wei
（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088）

Thermal vacuum test plays an important role in spacecraft development process.As an indispensable tool for thermal vacuum test， good thermal vacuum test system not only can guarantee a thermal vacuum test without distortion， but also can make the thermal vacuum test be under control.However， over or under test will be caused if the temperature uniformity of a thermal vacuum system is not well.An experiment of a thermal vacuum system is investigated in this paper， in which the temperature uniformity is tested.And the distribution of the temperature uniformity is shown by the analysis of the experiment result， which can improve the accuracy of the thermal vacuum test.

thermal vacuum test； over test； temperature uniformity

TB75

A

1004-7204（2016）03-0021-03