航天器運(yùn)輸包裝箱極限熱控能力試驗研究

彭華康，黃 震，賈世錦，李立春，付 楊，汪萬橋

（1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016； 2.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 4.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；5.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

航天器運(yùn)輸包裝箱的作用是保護(hù)其內(nèi)部航天器。在公路、鐵路、飛機(jī)以及輪船等運(yùn)輸過程中，需保障包裝箱內(nèi)部溫度、濕度、壓力、氣密性以及振動、沖擊等環(huán)境條件在一定的范圍內(nèi)[1]，為航天器運(yùn)輸安全提供可靠的保護(hù)。對航天器運(yùn)輸過程的防護(hù)，國內(nèi)外開展了相關(guān)研究。國內(nèi)主要對包裝箱的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析和測試[2-5]，對包裝箱的熱控特性研究較少。如肖剛等人[1]對某航天器空運(yùn)包裝箱的研制特點及空運(yùn)試驗結(jié)果進(jìn)行了評價，評價項目包括包裝箱內(nèi)溫濕度、壓力及振動環(huán)境；蘇新明等人[6]采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對某航天器包裝箱的被動保溫性能進(jìn)行了仿真計算。國外Lavoie等人[7]分析了由潮濕引起的霉菌對飛行器的影響；Miguel等人[8]通過熱試驗分析了由溫度變化引起的衛(wèi)星微振動情況。本文作者查詢國內(nèi)外文獻(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)航天器運(yùn)輸包裝箱極限熱控能力的研究報道。

本文以某航天器真實運(yùn)輸包裝箱為研究對象，在其內(nèi)部裝載真實航天器結(jié)構(gòu)，外部環(huán)境選擇高溫天氣，設(shè)計了試驗方案并開展試驗研究，獲取了該包裝箱在典型高溫天氣下的極限熱控能力和影響包裝箱內(nèi)部溫度的主次要因素，提出了后續(xù)進(jìn)一步降低運(yùn)輸過程控溫風(fēng)險和增強(qiáng)包裝箱熱控能力的相關(guān)措施，以期為工程實踐提供參考。

1 包裝箱及其熱控狀態(tài)

該航天器運(yùn)輸包裝箱為長方體，箱體由箱罩和箱座2部分組成，如圖1所示。采用主動控溫與被動保溫的方式進(jìn)行箱內(nèi)溫度控制：空調(diào)即主動控溫系統(tǒng)；箱體與箱衣共同組成被動保溫系統(tǒng)。主動控溫系統(tǒng)包括2臺整體式特種耐高溫空調(diào)，單臺空調(diào)制冷量為5 kW，分別布局在包裝箱長度方向箱罩兩側(cè)。2臺空調(diào)互為備份，也可同時工作以滿足包裝箱在比較惡劣環(huán)境下的控溫需求。包裝箱壁采用雙層結(jié)構(gòu)（見圖2），內(nèi)、外蒙皮為鋁板，由骨架連接固定，中間夾層填充聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行隔熱。箱衣由3層材料組成：內(nèi)層為防靜電布，中間層為保溫層，外層為防水布并兼有防止光熱輻射功能。包裝箱內(nèi)可根據(jù)需求填充氮氣[1]或其他氣體。2臺空調(diào)出風(fēng)口方向不可調(diào)節(jié)、包裝箱內(nèi)無風(fēng)扇等強(qiáng)迫氣體對流裝置。

圖1 航天器運(yùn)輸包裝箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the spacecraft transport package

圖2 包裝箱箱壁結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the transport package wall

包裝箱內(nèi)航天器通過對流換熱、輻射換熱和導(dǎo)熱3種方式與外界進(jìn)行熱量傳遞[9]，空調(diào)系統(tǒng)通過對流換熱的方式對包裝箱內(nèi)氣體進(jìn)行主動降溫。包裝箱內(nèi)航天器與外界換熱方式如圖3所示。

2 試驗方案

2.1 試驗件狀態(tài)

為充分考核包裝箱的熱控能力，對其內(nèi)部航天器結(jié)構(gòu)上安裝的產(chǎn)品進(jìn)行精簡，只安裝大質(zhì)量及對溫度較為敏感的設(shè)備；試驗時將包裝箱靜止放置在室外空曠場地，選擇晴朗、無云或少云、無風(fēng)或風(fēng)力等級較低的典型高溫天氣作為外部環(huán)境進(jìn)行試驗；試驗時間覆蓋白天主要高溫時段。試驗時各參試產(chǎn)品狀態(tài)如下。

1）包裝箱

包裝箱為某航天器運(yùn)輸用真實產(chǎn)品，箱體結(jié)構(gòu)完好，箱罩內(nèi)外蒙皮無破損，包裝箱空調(diào)系統(tǒng)正常工作，箱衣完整無損。試驗時，包裝箱長度方向法線朝南，以最大程度接收太陽輻射能量。

2）航天器

包裝箱內(nèi)部為真實的航天器結(jié)構(gòu)熱控產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)完好，航天器上安裝推進(jìn)承力截錐組件等主要的大質(zhì)量設(shè)備，以及對溫度敏感的熱控外回路相關(guān)設(shè)備，如輻射器、補(bǔ)償器及周邊外回路管路等。推進(jìn)承力截錐組件位于航天器尾部，輻射器位于航天器外表面靠近艙體中部位置，補(bǔ)償器位于航天器結(jié)構(gòu)Ⅳ偏Ⅰ象限內(nèi)壁表面靠近艙體中間位置。試驗時，航天器按正式運(yùn)輸狀態(tài)固定于包裝箱內(nèi)，該航天器Ⅰ偏Ⅱ象限朝地，Ⅱ偏Ⅲ象限朝南，Ⅲ偏Ⅳ象限朝天，Ⅳ偏Ⅰ象限朝北（參見圖1）。

2.2 試驗工況

航天器在使用飛機(jī)空運(yùn)以及輪船水運(yùn)過程中，包裝箱外的環(huán)境溫度受飛機(jī)艙體及輪船艙室溫濕度控制系統(tǒng)的有效控制，無須啟動主動控溫系統(tǒng)；包裝箱自身空調(diào)系統(tǒng)的使用主要發(fā)生在公路及鐵路陸路運(yùn)輸過程中。此外，受吊裝及人工操作等因素的影響，包裝箱空調(diào)會有短時斷電，空調(diào)關(guān)閉時間通常不超過4 h[6]。綜上，運(yùn)輸過程中，包裝箱存在主動控溫狀態(tài)和被動保溫狀態(tài)，因此本試驗工況設(shè)置包含這2種狀態(tài)（見表1）。為充分考核包裝箱被動保溫能力，工況Ⅱ持續(xù)時間至少4 h。

表1 試驗工況設(shè)置Table 1 Setting of test conditions

2.3 測點布置

包裝箱控溫的最終目標(biāo)是保證其內(nèi)部航天器的溫度，因此試驗中溫度測點直接布置在航天器上，優(yōu)先選擇航天器上對溫度較為敏感的設(shè)備，同時能兼顧代表航天器整體溫度水平的特征點。該航天器中外回路流體介質(zhì)流動于輻射器與補(bǔ)償器及相關(guān)管路共同組成的流體回路中，對溫度較為敏感，會隨著溫度的變化而熱脹冷縮；但試驗中外回路未加注流體介質(zhì)，無法直接測量介質(zhì)溫度，可間接測量輻射器及補(bǔ)償器表面的溫度。航天器內(nèi)壁作為設(shè)備安裝界面，其溫度可作為評估航天器整體溫度的特征點。根據(jù)以上分析結(jié)果，本試驗溫度測點布置如表2所示。航天器上測點位置如圖4所示。各測點測量誤差均不大于0.1 ℃，測量頻率為每15 min至少1次。

表2 溫度測點布置Table 2 Temperature measurement points

圖4 航天器上溫度測點布置示意Fig.4 Temperature measurement points in the spacecraft

3 試驗實施

試驗實施流程見圖5。為保證試驗結(jié)果的有效性，主動制冷工況結(jié)束后，選擇在包裝箱內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境溫度平衡后的第2天開展被動保溫工況試驗測試。試驗過程中包裝箱完全受曬、無遮擋（圖6）。試驗過程順利，各工況獲取了完整、有效的試驗數(shù)據(jù)。

圖5 試驗實施流程Fig.5 Experimental flow chart

圖6 包裝箱受曬狀態(tài)Fig.6 Basked status of transport package in the sun

3.1 主動制冷工況

試驗時晴天，包裝箱外大氣環(huán)境溫度34～39.2 ℃。9:00試驗開始，開啟1臺空調(diào)，航天器上9個測點起始溫度為29.58～30.38 ℃，包裝箱外環(huán)境空氣起始溫度為34 ℃，之后各測點溫度整體持續(xù)上升，11:00開啟第2臺空調(diào)，之后各測點溫度整體下降，15:00之后各測點溫度趨于平衡，16:00試驗結(jié)束。

3.2 被動保溫工況

試驗時晴天，少云，包裝箱外大氣環(huán)境溫度30～35.4 ℃。9:00試驗開始，2臺空調(diào)均關(guān)閉，航天器上9個測點起始溫度為25.27～25.58 ℃，包裝箱外環(huán)境空氣起始溫度為30.1 ℃；之后隨著環(huán)境溫度升高以及太陽輻射強(qiáng)度增大，各測點溫度均持續(xù)升高，11:15時航天器外輻射器表面的3號和4號測點率先達(dá)到40 ℃；13:15左右，各測點溫度為40.81～47.62 ℃；13:30試驗結(jié)束。

4 結(jié)果分析

4.1 主動制冷工況

試驗過程中航天器上各測點及箱外空氣溫度變化趨勢如圖7所示。

圖7 主動制冷工況各測點溫度變化Fig.7 Temperatures of measurement points under active refrigeration condition

分析可知：

1）航天器上各測點起始溫度為30 ℃左右，箱外空氣起始溫度為34 ℃左右，包裝箱內(nèi)比外部環(huán)境溫度低4 ℃左右，這是因為包裝箱有一定的熱容以及隔熱作用，包裝箱內(nèi)溫度相對大氣溫度的升高有一定遲滯。試驗開始后，箱外空氣溫度逐漸升高，最高達(dá)39.2 ℃。試驗過程中，環(huán)境溫度有6 h一直維持在36 ℃以上，且日照輻射無遮擋，是典型的高溫天氣。

2）試驗開始第1臺空調(diào)開啟后的30 min內(nèi)，各測點溫度緩慢下降，下降幅度0.1～2.3 ℃，之后隨著包裝箱外空氣溫度的升高以及太陽輻射的增強(qiáng)，各測點溫度持續(xù)上升，接近11:00時輻射器表面4個測點溫度達(dá)到30.39～35.00 ℃，補(bǔ)償器表面測點溫度達(dá)到33.04 ℃。由于此時各測點溫度單調(diào)上升，預(yù)估1臺空調(diào)制冷能力難以滿足40 ℃以下的控溫需求，11:00第2臺空調(diào)同時開啟，11:00—14:30各測點溫度緩慢下降，下降幅度3.35～7.7 ℃，輻射器表面溫度最低為24.17～30.91 ℃，補(bǔ)償器表面溫度最低為27.42 ℃。14:30之后，在箱外環(huán)境溫度波動小于0.5 ℃的同時，各測點溫度有所上升，上升幅度為2～3℃，說明太陽輻射是引起航天器溫度變化的主要因素。15:00之后各測點溫度趨于平衡，輻射器表面溫度范圍為26.54～33.46℃、補(bǔ)償器表面溫度范圍為28.93～29.80 ℃，航天器內(nèi)壁表面溫度范圍為25.97～30.82 ℃，說明2臺空調(diào)同時制冷可以滿足40 ℃以下的控溫需求。

3）測點3、4、7、8、9在航天器Ⅲ和Ⅳ象限附近，距包裝箱頂部較近，其他測點1、2、5、6在Ⅰ、Ⅱ象限附近，處于包裝箱底部，由于太陽光入射角度基本與大底平面垂直（圖6），包裝箱頂部單位面積內(nèi)接收的輻射能量遠(yuǎn)多于艙體側(cè)面接收的輻射能量，另外由于熱流向上、冷流下沉等因素共同作用，導(dǎo)致航天器上靠近包裝箱頂部的測點3、4、7、8、9溫度較高，底部測點1、2、5、6溫度相對較低，最高溫度相差7 ℃左右。

4.2 被動保溫工況

試驗過程中航天器上各測點及箱外空氣溫度變化趨勢如圖8所示。

圖8 被動保溫工況各測點溫度變化Fig.8 Temperatures of measurement points under passive working condition

分析可知：

1）航天器上各測點起始溫度為25 ℃左右，箱外空氣起始溫度為30 ℃左右，之后箱外空氣溫度逐漸升高，最高達(dá)35.4 ℃。試驗開始2 h后，環(huán)境溫度一直維持在33 ℃以上，相對工況Ⅰ，環(huán)境溫度和日照輻射均有所改善，但仍屬于高溫天氣。和工況Ⅰ類似，試驗開始時包裝箱內(nèi)、外保持一定的溫差。

2）由于包裝箱為封閉空間，且箱體箱衣具有一定的隔熱保溫作用，隨著包裝箱外空氣溫度的升高以及太陽輻射的增強(qiáng)，包裝箱吸收的熱量大于包裝箱向外排散的熱量，使航天器上各測點溫度持續(xù)上升，上升速率超過了箱外空氣溫度上升速率，并最終超過了箱外空氣溫度。11:15測點3和測點4率先達(dá)到40 ℃，其他測點均小于40 ℃，說明被動工況下包裝箱能將航天器溫度控制在40 ℃以下的時間約2 h 15 min。12:00—12:30先后新增測點8、7、2和1的溫度達(dá)到40 ℃，12:45所有測點溫度均超過了40 ℃，說明包裝箱內(nèi)熱量整體從上往下傳遞。

3）試驗過程中箱外空氣溫度變化范圍為5 ℃左右，而箱內(nèi)航天器上各測點溫度變化范圍為16～22 ℃，說明箱外空氣溫度對包裝箱溫度的影響是非主要因素，太陽輻射是影響包裝箱溫度的主要因素。與工況I類似，航天器上靠近包裝箱頂部的測點溫度較高，底部溫度相對較低，最高溫度相差6～7 ℃，如果增加風(fēng)扇強(qiáng)迫上下層空氣對流，包裝箱頂部空氣溫度將有所降低，從而有效降低靠近包裝箱頂部的航天器溫度。

5 結(jié)論及建議

對某航天器運(yùn)輸包裝箱在典型高溫天氣下的極限熱控能力進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：

1）太陽輻射是影響包裝箱內(nèi)航天器溫度的主要因素，環(huán)境溫度是次要的；

2）在環(huán)境溫度為40 ℃、箱內(nèi)航天器初始溫度為30 ℃左右的主動制冷工況下，該包裝箱能將內(nèi)部航天器溫度控制在33.46 ℃以下，滿足箱內(nèi)溫度維持在40 ℃以下的要求，各測點中最小溫度余量近7 ℃；

3）在環(huán)境溫度為35 ℃、箱內(nèi)航天器初始溫度為25 ℃左右的被動保溫工況下，該包裝箱能將內(nèi)部航天器溫度控制在40 ℃以下的時間約為2 h 15 min。

為進(jìn)一步降低運(yùn)輸過程的控溫風(fēng)險，增強(qiáng)包裝箱的熱控能力，建議采取如下措施：

1）運(yùn)輸過程盡量避免陽光直接照射箱體及縮短照射時間，并避開高溫時段；

2）提高包裝箱吊裝及人工操作的效率，縮短包裝箱被動保溫時間；

3）增加風(fēng)扇強(qiáng)迫包裝箱內(nèi)上下層空氣對流，降低上層空氣溫度；

4）在包裝箱包絡(luò)尺寸允許的情況下，增大單臺空調(diào)制冷功率至10 kW，以保證單臺空調(diào)即可滿足惡劣工況下的控溫需求，提高控溫可靠性；

5）增大箱衣外表面的發(fā)射率，減小其吸收率；

6）增大箱壁隔熱材料厚度，增強(qiáng)其隔熱能力。