基于航天工程環(huán)境試驗設(shè)備的調(diào)溫?zé)岢良夹g(shù)

魏龍濤，楊建斌，閆 格

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 73000）

0 引言

在太空中，由于高真空、強(qiáng)烈太陽輻照、高冷黑等環(huán)境因素所引發(fā)的航天器或設(shè)備故障數(shù)占總故障數(shù)的70%左右。航天器的開發(fā)和發(fā)射成本巨大，一旦發(fā)射失敗，不僅會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也會帶來巨大的政治影響，甚至影響發(fā)射國的國際地位。為保證航天器的在軌運行穩(wěn)定性與可靠性，航天器發(fā)射之前在地面上要進(jìn)行一系列的空間環(huán)境模擬試驗。熱真空試驗設(shè)備就是為試驗提供與太空環(huán)境相似溫度環(huán)境的設(shè)備。

熱真空試驗設(shè)備通常包括真空容器、真空系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、試驗系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。熱真空試驗設(shè)備中可以模擬出太空中高低溫交變環(huán)境的設(shè)備稱為熱沉。調(diào)溫?zé)岢潦侵缚梢酝ㄟ^控制通入熱沉中循環(huán)工質(zhì)的流量和溫度來調(diào)節(jié)其自身溫度的熱沉。調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)一般由循環(huán)工質(zhì)、循環(huán)管路、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集、顯示控制系統(tǒng)等組成。調(diào)溫?zé)岢辆哂心軌颢@得任意溫度、對試件無遮擋、使用方便、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點。

在熱真空試驗中，由于試驗?zāi)康牡牟煌瑢岢恋臏囟纫笠餐煌?，如空間電子產(chǎn)品的試驗溫度區(qū)間一般要求為-40℃～+60℃，這時熱沉要求的溫度范圍為-70℃～+90℃；對于要求更為嚴(yán)格的航天器整機(jī)或零部件，熱沉要求的溫度范圍在-150℃～+150℃。在設(shè)計熱真空試驗設(shè)備時，設(shè)計者會根據(jù)試驗溫度范圍的不同而采取不同的熱沉循環(huán)流程來實現(xiàn)所需要的溫度范圍，因為循環(huán)流程的不同，熱真空試驗設(shè)備的性能也各有差異，且不同的循環(huán)流程在試驗過程中的操作難易程度也各不相同[1-3]。本文簡要介紹了目前國內(nèi)熱真空試驗設(shè)備中不同的熱沉調(diào)溫流程。

1 調(diào)溫?zé)岢练诸?/h2>

調(diào)溫?zé)岢量筛鶕?jù)所選循環(huán)工質(zhì)的不同分為兩類：第一類是選擇耐高低溫的導(dǎo)熱液作為循環(huán)工質(zhì)通入熱沉中進(jìn)行溫度調(diào)控，稱為導(dǎo)熱液調(diào)溫?zé)岢粒坏诙愂且缘獨庾鳛檠h(huán)工質(zhì)通入熱沉，稱為氣氮調(diào)溫?zé)岢羀4]。

導(dǎo)熱液調(diào)溫流程通常選擇酒精和寬溫區(qū)導(dǎo)熱油作為循環(huán)工質(zhì)，采用復(fù)疊式制冷或其他機(jī)械式制冷方式制冷，使用電加熱器加熱導(dǎo)熱液，并通過控制通入熱沉的導(dǎo)熱液的流量和溫度調(diào)節(jié)熱沉的溫度。導(dǎo)熱液調(diào)溫?zé)岢辆哂邢到y(tǒng)構(gòu)造簡單、熱穩(wěn)定性高、熱沉表面溫度均勻性好、升降溫速率易控、運行維護(hù)費用低的優(yōu)點，但導(dǎo)熱液調(diào)溫?zé)岢恋恼{(diào)溫范圍較小。使用酒精作為循環(huán)工質(zhì)時，熱沉溫度可在-80℃～+20℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，在低溫區(qū)時，熱沉溫度容易控制，而升溫階段易出現(xiàn)熱沉溫度過高、溫度均勻性差的問題。由高溫向低溫過渡時，降溫速率很慢，會出現(xiàn)少量酒精氣化、甚至可能燃燒的現(xiàn)象。使用寬溫區(qū)導(dǎo)熱油作為循環(huán)工質(zhì)時，可實現(xiàn)對熱沉在-80℃～+150℃溫度區(qū)間內(nèi)的調(diào)控，溫度均勻性好、降溫速率易控、環(huán)保節(jié)能，但一旦泄露管路不易清潔。

氣氮調(diào)溫流程通常利用液氮作為冷源對氮氣冷卻，采用電加熱器對氮氣進(jìn)行加熱達(dá)到高溫要求，采用氣氮—液氮結(jié)合方式的調(diào)溫流程，可實現(xiàn)熱沉在-173℃～+200℃范圍內(nèi)的調(diào)溫。對這種寬溫區(qū)的溫度調(diào)節(jié)，如果使用傳統(tǒng)的液氮與紅外加熱來調(diào)控，即開式系統(tǒng)，對兩個極點的溫度控制比較容易實現(xiàn)，但對于兩極點間任意溫度的控制就有一定難度，且試驗過程中液氮消耗量較大，試驗成本高，若采用閉式循環(huán)的冷熱氮氣系統(tǒng)則對區(qū)間內(nèi)任意溫度的控制就比較容易實現(xiàn)。

2 國內(nèi)調(diào)溫?zé)岢翍?yīng)用現(xiàn)狀

2.1 導(dǎo)熱液熱沉調(diào)溫流程

VM800型熱真空試驗設(shè)備[5]采用導(dǎo)熱油和酒精結(jié)合的調(diào)溫流程如圖1所示，調(diào)溫范圍為-65℃～+150℃，在-55℃～+125℃溫度區(qū)間內(nèi)，空載時的升降溫速率≥2℃/min。

圖1 VM800型熱真空試驗設(shè)備流程圖Fig.1 The flow process of VM800 thermal vacuum test equipment

采用水冷卻導(dǎo)熱油換熱以及蒸氣壓縮復(fù)疊式制冷冷卻酒精的方式以獲取低溫，升溫時酒精是通過與電加熱器加熱的干燥空氣進(jìn)行換熱后通入熱沉，導(dǎo)熱油則是直接通過電加熱器加熱，然后通入熱沉。降溫循環(huán)流程的原理為：當(dāng)需要從高溫轉(zhuǎn)到低溫時，從熱沉中流出的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過水冷換熱器被冷卻水冷卻，溫度下降，當(dāng)導(dǎo)熱油溫度下降到某一溫度點時，關(guān)閉冷卻水、導(dǎo)熱油泵以及導(dǎo)熱油供給閥門，停止熱油循環(huán)；隨后，打開酒精供給閥門、酒精循環(huán)泵，將經(jīng)過預(yù)冷的酒精通入熱沉開始酒精循環(huán)，熱沉溫度繼續(xù)下降，直到設(shè)定溫度。升溫循環(huán)時，從熱沉流出的低溫酒精與換熱器中的高溫空氣換熱，溫度不斷升高，當(dāng)酒精溫度升高到某一溫度點時，停止空氣加熱、關(guān)閉酒精循環(huán)泵以及酒精供給閥門，停止酒精循環(huán)；啟動導(dǎo)熱油泵，打開導(dǎo)熱油供給閥門，將熱的導(dǎo)熱油通入到熱沉，開始熱油循環(huán)，直到設(shè)定溫度。如此往復(fù)，可以實現(xiàn)高溫與低溫的不斷轉(zhuǎn)換。此流程將冷卻水、酒精、導(dǎo)熱油、熱風(fēng)等綜合應(yīng)用到同一流程中，在彌補(bǔ)單一導(dǎo)熱液調(diào)控溫度范圍小的缺點的同時，可以有效降低試驗成本，但在由高溫向低溫轉(zhuǎn)換時，會出現(xiàn)少量酒精氣化的現(xiàn)象。

丁文靜等[6]設(shè)計發(fā)明了一種導(dǎo)熱液熱真空試驗設(shè)備流程，如圖2所示，能夠在-70℃～+150℃溫度內(nèi)快速地制冷和加熱，該系統(tǒng)主要包括熱沉系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱與溫控系統(tǒng)、載冷劑、循環(huán)泵等。

圖2 載冷劑熱沉調(diào)溫流程圖Fig.2 Coolant heat sink temperature regulation process

此流程升降溫原理為：低溫循環(huán)時，載冷劑經(jīng)過載冷劑冷卻器被冷卻，經(jīng)過冷卻的載冷劑通過管道分成兩路，分別進(jìn)入用于主輔熱沉的載冷劑加熱器與溫度控制器，達(dá)到控溫精度的兩路載冷劑分別進(jìn)入主熱沉與副熱沉以對其冷卻降溫，之后兩路載冷劑匯合進(jìn)入提供動力的循環(huán)泵，再進(jìn)入載冷劑冷卻器，完成一個閉式循環(huán)；高溫循環(huán)時，載冷劑冷卻器不工作，載冷劑在加熱器中被加熱，依次流經(jīng)主輔熱沉、循環(huán)泵、載冷劑冷卻器，再回到載冷劑加熱器，完成閉式循環(huán)。此流程中，通過控制載冷劑流量與冷卻器及加熱器溫度，控制載冷劑溫度，從而對熱沉溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，加熱制冷系統(tǒng)采用水冷型的壓縮機(jī)制冷，通過高效換熱器，提供所需的制冷與加熱功率。在循環(huán)過程中，由于溫度變化會引起管路壓力變化，因此設(shè)置載冷劑緩沖容器，可以有效的減緩這種由于溫度變化所引起的管路壓力不穩(wěn)定。

付春雨等[7]介紹了一種用寬溫區(qū)導(dǎo)熱油作載冷劑的調(diào)溫?zé)岢亮鞒蹋鐖D3所示，可用于在-80℃～+150℃溫度內(nèi)的熱沉調(diào)溫。系統(tǒng)主要由載冷劑儲槽、電加熱器、復(fù)疊式制冷機(jī)、循環(huán)泵、溫度測控系統(tǒng)等組成。高溫循環(huán)時，導(dǎo)熱油經(jīng)過電加熱器加熱后通入熱沉，利用導(dǎo)熱油的對流和熱傳導(dǎo)對熱沉的溫度進(jìn)行調(diào)控；低溫循環(huán)時，導(dǎo)熱油經(jīng)復(fù)疊式制冷機(jī)預(yù)冷后通入熱沉，完成對熱沉的降溫。流程中，循環(huán)泵為導(dǎo)熱油的循環(huán)提供動力，可以通過進(jìn)入熱沉的導(dǎo)熱油的流量和溫度實現(xiàn)對熱沉的精確控溫。

圖3 寬溫區(qū)導(dǎo)熱油調(diào)溫?zé)岢亮鞒虉DFig.3 Wild temperature zone heat transfer oil temperature regulation heat sink process

2.2 回?zé)崾綒怏w混合循環(huán)制冷加熱調(diào)溫流程

柏樹等[8]設(shè)計發(fā)明了一種回?zé)崾綒怏w混合循環(huán)制冷加熱調(diào)溫流程，如圖4所示，該流程可實現(xiàn)對熱沉在-173℃～+200℃溫度范圍內(nèi)的精確控溫。此流程采用氮氣或者干燥空氣作為循環(huán)工質(zhì)對熱沉進(jìn)行加熱或冷卻。高溫循環(huán)時，利用電加熱器加熱循環(huán)氣體，然后通入熱沉，流出熱沉的低壓高溫氣體與來自循環(huán)風(fēng)機(jī)的常溫氣體換熱，溫度降至常溫，隨后進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓，再流經(jīng)水冷換熱器中與冷卻水換熱，壓縮熱被冷卻水帶走，利用二通道回?zé)崞鲗α鞒鰺岢恋母邷貧怏w的熱量進(jìn)行回收，循環(huán)氣體溫度又升至與流出熱沉?xí)r相近的溫度，最后再經(jīng)過電加熱器加熱進(jìn)入熱沉。低溫循環(huán)時，流出熱沉的低壓低溫氣體進(jìn)入二通道回?zé)崞髋c從循環(huán)風(fēng)機(jī)中來的增壓低溫氣體進(jìn)行換熱，溫度升至常溫，然后流經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓，增壓氣體進(jìn)入水冷換熱器，壓縮熱被冷卻水帶走，循環(huán)氣體隨后進(jìn)入二通道回?zé)崞?，對流出熱沉的冷量進(jìn)行回收，循環(huán)氣體溫度又降至與流出熱沉?xí)r相近的溫度，最后進(jìn)入液氮混合器，同時將液氮噴入液氮混合器，降低循環(huán)氣體溫度，再通入熱沉，對熱沉進(jìn)行降溫。由于需不斷的向管路中注入液氮控制氣體溫度，管路壓力會不斷升高，因此，當(dāng)壓力高于設(shè)定值時，通過氣體排空閥將多余的氣體排出，以維持管路壓力恒定。此流程通過使用二通道回?zé)崞?，對流出熱沉的冷量或著熱量進(jìn)行回收，減少能量損耗，同時可使得循環(huán)風(fēng)機(jī)在常溫下工作，增加循環(huán)風(fēng)機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。此流程已成功應(yīng)用于多臺空間環(huán)模設(shè)備，如我國首臺大型方形高真空高精度光學(xué)遙感器空間試驗設(shè)備。在該設(shè)備中，氣氮調(diào)溫范圍為-60℃～+100℃，溫度均勻性≤5℃。

圖4 回?zé)崾綒怏w混合循環(huán)制冷加熱調(diào)溫流程圖Fig.4 Regenerative gas mixing cycle temperature regulation process

2.3 開式沸騰熱沉調(diào)溫流程

何鴻輝等[9]介紹了用于某熱真空試驗設(shè)備的開式沸騰熱沉調(diào)溫系統(tǒng)，如圖5所示，該流程可使熱沉溫度在-120℃～+120℃區(qū)間內(nèi)可調(diào)。

圖5 開式沸騰熱沉調(diào)溫流程圖Fig.5 Open boiling heat sink temperature regulation process

熱真空試驗設(shè)備的副熱沉穩(wěn)定度約為±5℃，單點溫度穩(wěn)定度在±3℃之間。其調(diào)溫流程如圖5所示，通過液氮儲罐提供流量可調(diào)的液氮和維持工質(zhì)流動的壓力。液氮從液氮罐中流出，經(jīng)過氣化器汽化后，流進(jìn)儲氣罐，再依次流經(jīng)流量控制閥、電加熱器、熱沉，最后由室外管路放空。此流程也可直接將液氮通入熱沉中，利用液氮的潛熱對熱沉降溫，此時熱沉最低溫可保持在-173℃左右。這種流程結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易操作，多用于小型環(huán)模設(shè)備中。對于大型設(shè)備，由于管路過長，開式沸騰調(diào)溫流程很難保證熱沉的溫度均勻性，且液氮消耗量較大。

3 結(jié)論

不同的流程具有不同的優(yōu)缺點。使用導(dǎo)熱液流程的調(diào)溫?zé)岢辆哂袩岢翜囟染鶆蛐愿?、可快速升降溫、結(jié)構(gòu)簡單的特點，但調(diào)溫范圍較小。使用酒精作為導(dǎo)熱液時，由于酒精的沸點低，易氣化，不能進(jìn)行高溫調(diào)節(jié)。使用導(dǎo)熱油時，管路一旦泄露不利于清潔。導(dǎo)熱液流程適合用于中小型熱真空試驗設(shè)備。使用氣液氮流程的調(diào)溫?zé)岢?，可實現(xiàn)的調(diào)溫范圍較寬，但流程相對較復(fù)雜，大型熱真空試驗設(shè)備中多采用此流程。在設(shè)計熱沉?xí)r，設(shè)計者需根據(jù)所要進(jìn)行的試驗溫度區(qū)間以及設(shè)備尺寸大小，合理的選擇相應(yīng)的流程。