空間環(huán)模設(shè)備回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)試驗(yàn)研究

魏龍濤，楊建斌，閆 格

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

0 引言

惡劣的空間環(huán)境會(huì)引發(fā)航天器在軌運(yùn)行故障。為保證航天器在軌運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，航天器發(fā)射之前須在地面進(jìn)行一系列的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)[1-2]。傳統(tǒng)的空間環(huán)境模擬設(shè)備中多采用液氮系統(tǒng)進(jìn)行熱沉冷卻降溫，再結(jié)合太陽模擬器、紅外加熱器模擬外熱流變化，但這種方法存在技術(shù)難度大、造價(jià)高、占用試驗(yàn)空間多、外熱流模擬均勻性差等缺點(diǎn)[3]。由此，調(diào)溫?zé)岢翍?yīng)運(yùn)而生。

調(diào)溫?zé)岢粮鶕?jù)載冷劑的不同可分為導(dǎo)熱液調(diào)溫?zé)岢梁蜌獾{(diào)溫?zé)岢羀4]。導(dǎo)熱液調(diào)溫?zé)岢炼嘤糜诳臻g電子產(chǎn)品試驗(yàn)用空間環(huán)模設(shè)備，一般選擇寬溫區(qū)導(dǎo)熱油或酒精作為載冷劑，前者的調(diào)溫區(qū)間一般為-80～150℃，后者的調(diào)溫區(qū)間一般為-80～20℃[5-8]。氣氮調(diào)溫?zé)岢磷鳛橐环N新型的溫控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)的調(diào)溫范圍寬，目前廣泛應(yīng)用于空間環(huán)模設(shè)備，常見的氣氮調(diào)溫?zé)岢猎诘蜏囟蔚恼{(diào)溫方式主要有液氮噴淋和液氮換熱：液氮噴淋式通過向循環(huán)氮?dú)庵袊娙胍旱M(jìn)行降溫，控溫精度差，波動(dòng)性大；液氮換熱式利用換熱器對(duì)熱沉管路中的氮?dú)膺M(jìn)行降溫[8-12]。

本文研制了一種密閉循環(huán)的新型回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)在不同循環(huán)氮?dú)鈮毫ο碌臒岢翜囟染鶆蛐?、?降溫速率，以及系統(tǒng)在低溫段運(yùn)行時(shí)的液氮耗量進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 調(diào)溫系統(tǒng)構(gòu)成及原理

回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)以氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)來調(diào)節(jié)熱沉溫度，由液氮儲(chǔ)罐、液氮換熱器、電加熱器、水冷換熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、三通道回?zé)崞鞯葮?gòu)成密閉循環(huán)系統(tǒng)，可通過增大循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ姆绞絹碓龃笱h(huán)氮?dú)饷芏群屠字Z數(shù)Re，從而增大傳熱系數(shù)，提升熱沉的溫度均勻性和升/降溫速率；同時(shí)采用回?zé)嵩恚萌ǖ阑責(zé)崞鲗?duì)流出熱沉等被控溫部件氣體的冷量或熱量進(jìn)行回收，以降低流程能耗和運(yùn)行成本。

回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)工作原理如圖1所示。低溫工況時(shí)，從熱沉中流出的低溫氮?dú)饨?jīng)過三通道回?zé)崞髋c來自風(fēng)機(jī)的常溫氮?dú)膺M(jìn)行換熱，溫度降至常溫，再進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓；水冷換熱器將壓縮熱帶走，增壓氮?dú)膺M(jìn)入三通道回?zé)崞髋c熱沉中流出的低溫氣體以及液氮換熱器中流出的低溫氣體進(jìn)行熱交換和冷量回收；增壓氮?dú)鉁囟扔纸抵僚c流出熱沉?xí)r相近的溫度，再進(jìn)入液氮換熱器，通過控制進(jìn)入液氮換熱器中液氮的流量將循環(huán)氮?dú)鉁囟壤鋮s至所需溫度，再通入熱沉降溫；液氮進(jìn)入換熱器給循環(huán)氮?dú)饨禍睾笙嘧儺a(chǎn)生冷氮?dú)?，利用三通道回?zé)崞鲗?duì)冷氮?dú)獾睦淞窟M(jìn)行回收利用，然后再排空。加熱過程同理。

圖1 回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic diagram of the regenerative temperature regulation system by nitrogen gas

回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)為密閉循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)介質(zhì)為高壓氮?dú)?，可提升熱沉的溫度均勻性和?降溫速率；氮?dú)庋h(huán)風(fēng)機(jī)在常溫下工作，降低了循環(huán)風(fēng)機(jī)的技術(shù)難度和要求；對(duì)流出熱沉的冷量或者熱量以及液氮換熱器中流出的低溫氮?dú)獾睦淞窟M(jìn)行了回收，使得空間環(huán)境模擬設(shè)備溫度在-150～200℃寬溫區(qū)內(nèi)連續(xù)可調(diào)的同時(shí)降低了設(shè)備的能耗和運(yùn)行成本。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1）研究循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度均勻性的影響；

2）研究循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉升/降溫速率的影響；

3）研究新系統(tǒng)在低溫段運(yùn)行時(shí)的液氮耗量。

2.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)系統(tǒng)中的熱沉為?1700mm×2500mm的板式熱沉，從中間等分為2段，每段中間用折流板隔成3份，形成一個(gè)長(zhǎng)流道，每段各設(shè)1個(gè)進(jìn)口和1個(gè)出口，主管管徑50mm，支管管徑32 mm，進(jìn)液方式為下進(jìn)上出；熱沉矩陣焊點(diǎn)菱形排布，邊長(zhǎng)60mm，焊點(diǎn)外圈直徑14mm，溫度測(cè)點(diǎn)布置在熱沉內(nèi)壁面，位置如圖2所示，采用STT-F系列鉑電阻溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，每隔60 s記錄1次數(shù)據(jù)。熱沉系統(tǒng)由杜瓦罐提供液氮，通過測(cè)量試驗(yàn)前/后液氮杜瓦罐的重量即可計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行的液氮耗量。

圖2 熱沉結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)示意Fig.2 Diagram of heat sink structure and temperature measurement points

3 結(jié)果分析

3.1 循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度均勻性的影響

研究循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度均勻性的影響時(shí)，分別調(diào)節(jié)管路中氮?dú)鈮毫?.1、0.3、0.5MPa，將熱沉加熱至100℃并保持30m in，每隔1m in 采集1次溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出熱沉的平均溫差，熱沉溫度均勻性和熱沉進(jìn)/出口壓力損失隨循環(huán)氮?dú)鈮毫ψ兓€分別如圖3和圖4所示。

圖3 熱沉溫度均勻性隨循環(huán)氮?dú)鈮毫ψ兓€Fig.3 The curve of temperature uniform ity against nitrogen pressure

由圖3可知，當(dāng)循環(huán)氮?dú)鈮毫?.1、0.3、0.5 MPa時(shí)，熱沉的平均溫差分別為6.4、2.4、2.5℃?？梢?，增大循環(huán)氮?dú)鈮毫梢蕴岣邿岢恋臏囟染鶆蛐裕軣岢两Y(jié)構(gòu)影響，熱沉溫度均勻性并不會(huì)一直提高，循環(huán)氮?dú)鈮毫Τ^0.3MPa 后，熱沉溫差基本不再變化。由圖4可知，隨著循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ脑龃?，熱沉的進(jìn)/出口壓力損失也會(huì)增大，因此循環(huán)氮?dú)鈮毫Σ灰诉^高。

圖4 熱沉進(jìn)/出口壓力損失隨循環(huán)氮?dú)鈮毫ψ兓€Fig.4 The curve of pressure lossagainst nitrogen pressure

3.2 循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉升/降溫速率的影響

研究循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉升/降溫速率的影響時(shí)，分別保持管路中的氮?dú)鈮毫?.1、0.3、0.5MPa，將熱沉溫度從室溫升至110℃，根據(jù)升溫所需的時(shí)間計(jì)算出熱沉的平均升溫速率隨循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ淖兓€，如圖5所示。

圖5 熱沉的平均升溫速率隨循環(huán)氮?dú)鈮毫ψ兓€Fig.5 The curve of average heating rate against nitrogen pressure

由圖5可知：循環(huán)氮?dú)鈮毫?.1、0.3、0.5MPa時(shí)，熱沉平均升溫速率分別為1.32、1.62、1.95℃/m in-1；熱沉的平均升溫速率隨著循環(huán)氮?dú)鈮毫Τ山凭€性的關(guān)系增加。結(jié)合循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度均勻性的影響，建議循環(huán)氮?dú)鈮毫Ρ３衷?.3～0.4 MPa之間。

3.3 回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性研究

對(duì)比研究3 個(gè)不同循環(huán)氣氮流程分別從室溫降至-115℃時(shí)的液氮耗量以及在-115℃保持1 h后的液氮耗量。

3個(gè)流程的原理如圖6所示，它們的區(qū)別在于：流程Ⅰ中沒有回?zé)崞?，從熱沉中流出的循環(huán)氮?dú)庵苯舆M(jìn)入風(fēng)機(jī)加壓，然后進(jìn)入液氮換熱器降溫，再通入熱沉；流程Ⅱ中，從熱沉中流出的循環(huán)氮?dú)馐紫冗M(jìn)入回?zé)崞鳎笤龠M(jìn)入風(fēng)機(jī)加壓，隨后利用水冷換熱器將由循環(huán)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱帶走，再進(jìn)入回?zé)崞鲗?duì)流出熱沉的冷量進(jìn)行回收，再由液氮換熱器對(duì)循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)一步冷卻，液氮換熱器中由液氮相變產(chǎn)生的冷氮?dú)庵苯优趴?；流程Ⅲ與流程Ⅱ基本原理相同，利用三通道回?zé)崞鲗?duì)流出熱沉的冷量和液氮換熱器中液氮相變產(chǎn)生的冷氮?dú)饫淞窟M(jìn)行回收。

圖6 不同循環(huán)氣氮流程圖Fig.6 The flow chartof test for different circulating nitrogen pressures

上述3個(gè)流程從室溫降至-115℃并維持1 h后的液氮耗量如圖7所示?？梢钥闯觯毫鞒挞窈土鞒挞蛳啾?，即加入回?zé)崞骱?，在從室溫降溫?115℃的降溫階段可以節(jié)省液氮約5.3%，在溫度平衡階段可以節(jié)省液氮約39.4%；流程Ⅱ和流程Ⅲ相比，即將液氮換熱器中產(chǎn)生的冷氮?dú)饫淞窟M(jìn)行回收時(shí)，在降溫階段液氮耗量變化不大，但在溫度平衡階段液氮耗量減少約21.5%。液氮耗量減少的原因?yàn)椋旱蜏剡\(yùn)行時(shí)，在加入回?zé)崞髦?，循環(huán)氮?dú)饨?jīng)過風(fēng)機(jī)加壓后會(huì)產(chǎn)生30℃以上的壓縮熱，使得給循環(huán)氮?dú)饨禍貢r(shí)的液氮耗量增加；由于回?zé)崞鞯男氏拗?，?duì)流出熱沉的氮?dú)饫淞窟M(jìn)行回收時(shí)，不能將循環(huán)氮?dú)鉁囟冉抵僚c流出熱沉的氮?dú)鉁囟韧耆恢?，這個(gè)溫差一般為10℃左右，對(duì)液氮換熱器中產(chǎn)生的冷氮?dú)膺M(jìn)行回收后可以使得這個(gè)溫差進(jìn)一步減小，因此液氮耗量也相應(yīng)減少。

圖7 不同流程下的系統(tǒng)液氮耗量Fig.7 The liquid nitrogen consumption in different test procedures

4 結(jié)論

通過對(duì)新型回?zé)崾綒獾{(diào)溫系統(tǒng)的循環(huán)氮?dú)鈮毫?duì)熱沉溫度均勻性、升/降溫速率以及新系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的試驗(yàn)研究分析，可以得出以下結(jié)論：

1）增大系統(tǒng)的循環(huán)氮?dú)鈮毫梢蕴嵘裏岢恋臏囟染鶆蛐砸约吧?降溫速率，但循環(huán)氮?dú)鈮毫υ龃蟮?.3MPa 以后，熱沉的溫度均勻性基本不再變化，并且熱沉的進(jìn)/出口壓力損失會(huì)隨著循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ脑龃蠖黾?，因此，建議循環(huán)氮?dú)鈮毫S持在0.3～0.4MPa。

2）利用回?zé)崾降臍獾{(diào)溫系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)能耗以及液氮耗量，熱沉在低溫段運(yùn)行時(shí)回收利用液氮換熱器中產(chǎn)生的冷氮?dú)饫淞浚梢赃M(jìn)一步減少液氮耗量。