基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型的多層組件常壓隔熱性能試驗(yàn)研究

蘇新明，劉 暢，文 晶，王 晶，朱 熙，李 燁，劉守文

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型的多層組件常壓隔熱性能試驗(yàn)研究

蘇新明，劉 暢，文 晶，王 晶，朱 熙，李 燁，劉守文

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

為準(zhǔn)確獲取被多層組件包覆的空間站常壓熱試驗(yàn)之熱邊界，文章基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對(duì)15單元多層組件的等效隔熱性能進(jìn)行了常壓環(huán)境下的試驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果表明：該組件的熱特性較穩(wěn)定，且受環(huán)境溫度影響較小，忽略相關(guān)測(cè)量誤差可以近似認(rèn)為其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/(m·K)，等效熱阻為2.88 ℃/W。研究結(jié)果可用于空間站常壓熱試驗(yàn)的熱邊界分析，為常壓熱試驗(yàn)的準(zhǔn)確開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。

常壓；多層組件；當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；等效熱阻；試驗(yàn)研究

0 引言

空間站由多艙段組成，尺寸龐大，無(wú)法對(duì)其開(kāi)展組合體真空熱試驗(yàn)；此外，空間站有多個(gè)密封艙，在軌工作時(shí)艙內(nèi)保持一定壓力，內(nèi)部傳熱以對(duì)流換熱為主，而在真空熱試驗(yàn)中是以輻射換熱為主。因此，空間站的地面常壓熱試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)。開(kāi)展常壓熱試驗(yàn)首先需要確定航天器的熱邊界，而航天器表面又包覆了多層隔熱組件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)多層），這會(huì)影響到常壓條件下的仿真建模以及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等工作。經(jīng)過(guò)多年的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)積累，多層在真空狀態(tài)下的隔熱性能已知，但其在常壓條件下的隔熱性能未知，有必要開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試研究。

多層是航天器上常用的一種熱控包覆材料，具有較好的隔熱性能，且質(zhì)量小、安裝方便[1]。對(duì)于多層的隔熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了較多理論計(jì)算及試驗(yàn)研究。Kamran[2]分析了高溫多層各向同性散射限位隔熱材料的瞬態(tài)輻射導(dǎo)熱耦合傳熱特性；Spinnler等[3-4]對(duì)多層穩(wěn)態(tài)表觀(guān)熱導(dǎo)率進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究；閆長(zhǎng)海等[5]建立了金屬熱防護(hù)系統(tǒng)多層穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，并對(duì)多層傳熱的性能參數(shù)開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證；李鵬等[6]分析了打孔的空間多層隔熱材料的導(dǎo)熱與輻射復(fù)合傳熱問(wèn)題，并建立了反射屏的能量方程，分析了層密度、打孔率等參數(shù)對(duì)多層隔熱性能的影響；韓海鷹等[7]通過(guò)理論與試驗(yàn)分析了多層碎片防護(hù)增強(qiáng)措施對(duì)多層隔熱性能的影響；戴勇超等[8]定量分析了影響多層隔熱性能的多個(gè)因素，并給出了減小多層邊緣漏熱的設(shè)計(jì)；吳曉迪[9]根據(jù)衛(wèi)星表面多層隔熱材料中輻射換熱、間隔層固體導(dǎo)熱溫度計(jì)算模型進(jìn)行分析，得到了衛(wèi)星長(zhǎng)波紅外輻射影響較大的結(jié)論；楊明等[10]分析了不同太陽(yáng)入射角對(duì)隔熱組件表面溫度的影響。以上研究，均是基于真空或低氣壓環(huán)境下開(kāi)展的。對(duì)于多層隔熱材料的常壓熱環(huán)境試驗(yàn)，其隔熱性能的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，針對(duì)空間站常壓熱試驗(yàn)的需求，有必要開(kāi)展在常壓環(huán)境下多層隔熱性能的研究。

1 傳熱模型

多層隔熱材料通常由反射層和間隔層構(gòu)成，其中反射層一般為有機(jī)薄膜鍍鋁或金屬箔，間隔層多為的確良網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等低導(dǎo)熱材料。本文所研究的15單元多層包含了16層打孔的雙面鍍鋁聚酯薄膜（單層厚度6 μm）和15層作為間隔的滌綸網(wǎng)，總厚度約為5 mm，如圖1所示。

圖1 15單元多層示意Fig.1 Schematic diagram of 15-layer MLI

常壓下研究多層的隔熱性能，主要包括其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、等效熱阻等熱物性參數(shù)，為此可以將15單元多層看作一個(gè)整體，利用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型求解其熱物性參數(shù)，如圖2所示。

圖2 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型Fig.2 1-D heat transfer model

穩(wěn)態(tài)下，多層導(dǎo)熱的表達(dá)式為

式中：Q0為穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)多層的熱量；λe為多層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；A為多層面積；δ為多層厚度；Tout為多層冷端溫度；Tin為多層熱端溫度；R為多層等效熱阻。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)件

基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，利用鋁合金（Y12）材質(zhì)基板（300 mm×300 mm×2 mm），先在其兩側(cè)面分別粘貼同等規(guī)格和數(shù)量的熱流模擬加熱器，并設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)；隨后在兩側(cè)面分別包覆15單元多層，如圖3所示。將圖中右側(cè)的多層視為被測(cè)多層，并在其外部設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。為防止漏熱，在基板四周的邊緣處同樣包覆了15單元多層。整個(gè)試件懸掛在環(huán)境溫度可控的常壓環(huán)境控制箱內(nèi)。

圖3 試驗(yàn)整體組成示意Fig.3 The schematic diagram of the overall test scheme

試驗(yàn)中，環(huán)境溫度控制在設(shè)定值，基板左、右兩側(cè)熱流模擬加熱器的面積與阻值相同，在施加相同電流時(shí)兩側(cè)產(chǎn)生的熱量相等。觀(guān)察基板左、右兩側(cè)多層內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)的溫度偏差：當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到熱穩(wěn)定，且多層內(nèi)基板左、右兩側(cè)測(cè)溫點(diǎn)的偏差很小并在一定范圍時(shí)，可以認(rèn)為熱流模擬加熱器所產(chǎn)生的熱量全部流向多層一側(cè)。此時(shí)，通過(guò)測(cè)量被測(cè)多層外部的溫度，即可根據(jù)式(1)計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境條件下多層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)及等效熱阻。

2.2 試驗(yàn)工況

為了考察多層的隔熱性能是否會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而改變，使常壓環(huán)境控制箱內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)定為-60～20 ℃范圍內(nèi)的6個(gè)不同等級(jí)，并在每一個(gè)溫度下，對(duì)基板左、右兩側(cè)熱流模擬加熱器施加相同的電流，測(cè)試多層的隔熱性能；待第1次測(cè)試結(jié)束后，改變加熱輸入電流，再進(jìn)行第2次測(cè)試。具體工況設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 多層隔熱性能試驗(yàn)工況Table 1 Conditions for the MLI performance test

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

1）加熱及測(cè)量裝置

熱流模擬加熱器采用加熱片，在A、B面（A面指被測(cè)多層一側(cè)，即右側(cè)；B面指絕熱邊界多層一側(cè)，即左側(cè)）分別布置8片同等規(guī)格的加熱片，單片阻值40 ?。通過(guò)串并聯(lián)設(shè)置，在A、B面上各形成2個(gè)加熱回路，回路電阻80 ?。

測(cè)溫點(diǎn)采用Pt100熱電阻，在A面多層內(nèi)側(cè)布置9個(gè)，外側(cè)布置4個(gè)；在B面多層內(nèi)側(cè)布置6個(gè)。

熱控實(shí)施后的試驗(yàn)件如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)件熱控實(shí)施效果圖Fig.4 The effect of the thermal control installation

2）測(cè)控溫系統(tǒng)

本次試驗(yàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的采樣周期為1 min，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和顯示。

加熱片由程控電源供電，通過(guò)計(jì)算機(jī)控溫程序控制電源電流的輸出，調(diào)節(jié)加熱片的加熱功率。

3）常壓環(huán)境控制箱

本次試驗(yàn)使用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的SE-1000-10型常壓環(huán)境控制箱，箱內(nèi)有效尺寸為1 m×1 m×1 m，具有液氮制冷和空氣壓縮制冷2種方式，采用電加熱方式，溫度控制范圍-90～150 ℃，控溫精度在±1 ℃以?xún)?nèi)。試驗(yàn)件放置在常壓環(huán)境控制箱內(nèi)的實(shí)物照片如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)件在常壓環(huán)境控制箱內(nèi)放置位置實(shí)物圖Fig.5 The test object in the ambient pressure control box

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)共耗時(shí)52 h，在每個(gè)工況中，當(dāng)所有測(cè)溫點(diǎn)的溫度單調(diào)變化值小于 0.1 ℃/h，且 A、B面多層內(nèi)側(cè)的平均溫度偏差絕對(duì)值小于0.2 ℃時(shí)，維持穩(wěn)定2 h后記錄被測(cè)多層外側(cè)溫度；再改變加熱電流或轉(zhuǎn)入下一工況。

試驗(yàn)全過(guò)程溫度測(cè)量曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)全過(guò)程測(cè)溫曲線(xiàn)Fig.6 The whole temperature test curve

試驗(yàn)中，常壓環(huán)境控制箱運(yùn)行穩(wěn)定，在各工況下，環(huán)境溫度均無(wú)明顯波動(dòng)。此外，利用工況間隙（未加電）對(duì)鉑熱電阻測(cè)量的有效性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所有測(cè)量點(diǎn)的溫度值與環(huán)境溫度的偏差均在±0.05 ℃以?xún)?nèi)，且保持較好的一致性，說(shuō)明本次試驗(yàn)所用鉑熱電阻工作可靠，測(cè)溫精度能夠滿(mǎn)足要求。

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。其中：T0表示環(huán)境溫度；Tin_A表示 A面被測(cè)多層內(nèi)側(cè)溫度測(cè)量平均值；Tin_B表示B面多層內(nèi)側(cè)溫度測(cè)量平均值；Tout表示被測(cè)多層外側(cè)溫度測(cè)量平均值。從表中可以看出，各工況下，Tin_A與Tin_B的偏差絕對(duì)值均在0.1 ℃以?xún)?nèi)，證明各工況均已到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

表2 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 The measured results in the test

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到不同工況下的多層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同工況下多層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)Fig.7 Heat transfer coefficients of the MLI in different working conditions

圖8 不同工況下多層等效熱阻Fig.8 Equivalent thermal resistances of the MLI in different working conditions

可見(jiàn)，不同工況或輸入電流情況下，計(jì)算得到的15單元多層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻略有不同，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)在 0.018～0.022 W/(m·K)范圍內(nèi)，等效熱阻在2.63～3.17 ℃/W范圍內(nèi)。考慮到測(cè)量誤差以及使用平均值計(jì)算所引入的計(jì)算誤差，可以近似地認(rèn)為：不同工況下得到的15單元多層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻是一致的，分別約為0.02 W/(m·K)和2.88 ℃/W。即，在常壓條件下15單元多層的隔熱性能基本穩(wěn)定，受環(huán)境溫度的影響較小。

圖9、圖10分別給出了穩(wěn)態(tài)時(shí)，不同工況下計(jì)算得到的多層隔熱性能的重復(fù)性情況。即，以工況中第一時(shí)刻得出的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻為基準(zhǔn)，計(jì)算該工況后續(xù)時(shí)刻得到的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻與基準(zhǔn)間的偏差及偏差隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，在相同條件下，不同時(shí)間計(jì)算得到的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻的偏差基本均在±0.05%以?xún)?nèi)。

圖9 不同工況下當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)及其偏差隨時(shí)間的變化Fig.9 Equivalent heat transfer coefficients and the offsets in different work cases

圖10 不同工況下等效熱阻及其偏差隨時(shí)間的變化Fig.10 Equivalent thermal resistances and the offsets in different working conditions

由式(1)可知：穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)及等效熱阻的測(cè)量精度由加熱功率、溫度測(cè)量值、多層面積及其厚度決定。本研究中：1）加熱片的阻值已知，且為同批次、同規(guī)格，并通過(guò)控制系統(tǒng)保證所施加的加熱電流無(wú)偏差，因此加熱功率不會(huì)引入相對(duì)誤差；2）多層面積、厚度為實(shí)測(cè)值，且試驗(yàn)中不發(fā)生變化，因此可保證不引入相對(duì)誤差；3）溫度測(cè)量精度由測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量精度（±0.1 ℃）保證，存在測(cè)量誤差，但試驗(yàn)中已通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方式降低了測(cè)量誤差。故本研究中所得到的多層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)及等效熱阻的試驗(yàn)誤差可忽略，且本次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)合理，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性在可信范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì) 15單元多層的隔熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：1）忽略相關(guān)測(cè)量及計(jì)算誤差，可以近似地得到 15單元多層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/(m·K)、等效熱阻為2.88 ℃/W；2）常壓下，15單元多層的隔熱性能比較穩(wěn)定，受環(huán)境溫度影響較??；3）相同條件下，計(jì)算得到的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻的偏差均在±0.05%以?xún)?nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

以上試驗(yàn)結(jié)果可用于空間站常壓熱試驗(yàn)外壁多層（15單元）的熱特性分析，有助于確定多層的熱阻邊界條件，對(duì)于空間站常壓熱試驗(yàn)方案制定和熱控實(shí)施有重要意義。

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（編輯：張艷艷）

Experimental study of the performance of multilayer heat insulation in ambient environment based on the 1-D heat transfer model

SU Xinming, LIU Chang, WEN Jing, WANG Jing, ZHU Xi, LI Ye, LIU Shouwen
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To study the performance of heat insulation of the space station with multilayer in ambient environment, based on the 1-D heat transfer model, measurements are made for the heat insulation of a multilayer (MLI) of 15 layers in ambient environment, and the ambient temperature can be adjusted.It is shown that, in the ambient environment, the performance of the heat insulation of the MLI of 15 layers is steady, and is not much affected by the environmental temperature.Within the test error, the equivalent heat transfer coefficient is 0.02 W/(m·K), and the heat resistance is 2.88 ℃/W, approximately.These results can be applied to analyze the thermal boundary of the space station in ambient pressure heat test, for properly carrying out the heat test in the ambient environment.

ambient pressure; MLI; equivalent heat transfer coefficient; equivalent heat resistance; test study

V423.7; V476

：A

：1673-1379(2016)06-0634-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.010

蘇新明（1985—），男，碩士學(xué)位，從事航天器熱試驗(yàn)技術(shù)研究；E-mail: xmsu85@163.com。通信作者：文 晶（1989—），男，從事航天器熱試驗(yàn)技術(shù)研究；E-mail: wj54297677@163.com。

2016-07-06；

：2016-11-14

載人航天工程三期重大項(xiàng)目工藝攻關(guān)課題