空間高溫材料實驗系統(tǒng)熱控性能仿真分析

孫晉川　康昌璽　王雪松　李生華　崔曉杰　馬彥坤　張富華　安景濤

摘? 要：本文主要針對我國載人空間站高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)的任務(wù)需求，完成了系統(tǒng)熱控方案的設(shè)計，包括液冷板布置、電機驅(qū)動機構(gòu)和真空室熱設(shè)計?；谙到y(tǒng)三維幾何模型，應(yīng)用Thermal Desktop軟件建立了系統(tǒng)仿真模型，確定了實驗系統(tǒng)在最惡劣工況時的邊界條件。仿真結(jié)果表明，真空室外壁、控制電機、絲杠、滑塊及導(dǎo)軌的最高溫度分別為36.3℃、44.3℃、47.3℃、49.6℃和46.1℃，均低于溫度限制值，系統(tǒng)熱控性能滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：空間實驗? 熱控制? 仿真 高溫爐

中圖分類號：O42 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0001-04

Abstract： According to the task requirements of the high temperature materials science experiment system of China's manned space station， this paper completes the design of the thermal control scheme of the system， including the layout of liquid cooling plate， motor driving mechanism and thermal design of vacuum chamber. Based on the three-dimensional geometric model of the system， the system simulation model is established by using thermal desktop software， and the boundary conditions of the experimental system under the worst working conditions are determined. The simulation results show that the maximum temperatures of the outer wall of the vacuum chamber， the control motor， the lead screw， the sliding block and the guide rail are 36.3 ℃， 44.3 ℃， 47.3 ℃， 49.6 ℃ and 46.1 ℃ respectively， which are lower than the temperature limit， and the thermal control performance of the system meets the design requirements.

Key Words： Space experiment; Thermal control; Simulation; High temperature furnace

1? 前言

空間材料實驗系統(tǒng)利用空間微重力環(huán)境制備高品質(zhì)材料，是各主要空間大國爭相研究的方向[1]。美國航空航天局、歐空局、俄羅斯空間局等利用研發(fā)的高溫材料裝置，積累了豐富的空間實踐經(jīng)驗，獲得了大量研究成果[2-4]。我國也利用科學(xué)實驗衛(wèi)星、神舟載人飛船等搭載研制的多種空間材料實驗裝置進行了一系列空間材料實驗，取得了不少有價值的成果[5～7]。為了滿足國家高技術(shù)領(lǐng)域戰(zhàn)略急需，我國載人空間站應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃了高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)研究。作為我國新一代空間材料實驗裝置，采用了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和集成化的設(shè)計思路，具有高可靠性、高精度、長壽命等特點，可實現(xiàn)溫度高達1800℃的熔融材料實驗?zāi)芰Α?/p>

熱控組件是高溫材料實驗系統(tǒng)的核心部件，主要在真空環(huán)境中建立合適的溫度場。本文主要針對載人空間站高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)任務(wù)特點，設(shè)計了相應(yīng)的熱控系統(tǒng)，運用數(shù)值方法對其熱控性能進行了仿真分析，研究結(jié)果為高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2? 高溫材料實驗系統(tǒng)熱控設(shè)計

高溫材料實驗系統(tǒng)組成和冷板布置如圖1所示。為了避免爐體高溫?zé)岘h(huán)境對元器件及空間站的影響，該系統(tǒng)中設(shè)計有液冷板作為熱沉。通過液冷板、反射屏、隔熱導(dǎo)熱、部件表面光學(xué)處理等方式，對真空室內(nèi)的溫度環(huán)境進行調(diào)控，為電機、絲桿、編碼盤等組件提供良好的溫度環(huán)境。同時，盡可能將熱量通過液冷工質(zhì)帶走，減少對空間站直接排放熱量，主要熱控設(shè)計措施如下。

2.1 液冷板布置

液冷工質(zhì)從機柜底部的出口流入到高溫爐系統(tǒng)的主動冷卻單元，再從主動冷卻單元的液冷出口流入到高溫爐側(cè)壁液冷板，然后流經(jīng)底部液冷板，最后從底部液冷板的出口流入到機柜的入口，如圖1（b）所示。底部液冷板、側(cè)壁液冷板材料為3A12鋁合金，表面發(fā)黑處理，紅外發(fā)射率為0.85。額定流量工況下?lián)Q熱系數(shù)不低于2300W/（m2·K）。

2.2 電機驅(qū)動機構(gòu)熱設(shè)計

電機安裝座材料為2A12鋁合金。為增加與液冷板的導(dǎo)熱，增大了安裝座同液冷板的接觸面積，且在安裝座和液冷板之間涂覆導(dǎo)熱脂。為了防止輻射導(dǎo)致電機溫度升高，在絲杠安裝座上安裝2A12鋁合金反射片。鋁合金反射片、電機安裝座均為鋁合金光量化處理，紅外發(fā)射率為0.1。電機自身殼體為鈦合金本色，紅外發(fā)射率為0.85。

為降低爐體高溫對電機絲杠、導(dǎo)軌、滑塊的輻射及導(dǎo)熱，電機絲杠表面進行鍍金處理，紅外發(fā)射率為0.05?；瑝K（鋁青銅QAL9-4）、導(dǎo)軌（45號鋼）、爐體移動組件（鈦合金）表面光量化處理，紅外發(fā)射率為0.1。爐體移動組件采用鈦合金，降低從爐體向滑塊和導(dǎo)軌的導(dǎo)熱。

編碼器通過絲杠安裝座將熱量傳導(dǎo)到液冷板，絲杠安裝座與液冷板之間涂覆導(dǎo)熱脂。絲杠安裝座及編碼器殼體均為鋁合金光量化處理，紅外發(fā)射率為0.1。

2.3 真空室熱設(shè)計

真空室為航天員皮膚可接觸部件。為保證真空室不高于45℃，增加反射隔熱屏，且隔熱屏和上蓋板之間導(dǎo)熱安裝，主動控溫單元蓋板同上蓋板間導(dǎo)熱安裝，反射隔熱屏采用2A12鋁合金，表面光量化處理，紅外發(fā)射率為0.1，減少爐體對真空室壁的漏熱。

3? 系統(tǒng)熱控性能仿真分析

3.1 仿真模型簡化

根據(jù)所提供的三維幾何模型和各組件材料屬性，采用Thermal Desktop軟件建立仿真模型，如圖2所示。

考慮溫度最惡劣條件，假定所有熱耗均被側(cè)壁冷板吸收，入口工質(zhì)溫度為26.5℃，工質(zhì)溫升約為9℃，則側(cè)壁冷板工質(zhì)平均溫度為31℃，底板液冷板工質(zhì)平均溫度為35.5℃。快速冷卻單元根據(jù)輸入條件最高溫為45℃，設(shè)為定溫邊界。高溫爐外壁紅外發(fā)射率為0.15W，功耗為800W。電機組件發(fā)熱功率為15W，每臺編碼器發(fā)熱功率為3W，磁場單元發(fā)熱功率為12W。

暫時不考慮同空間站艙體之間的安裝界面熱傳導(dǎo)及輻射?？紤]高溫爐系統(tǒng)同空間站之間自然對流較惡劣的情況，換熱系數(shù)取為2W/（m2·K），艙內(nèi)環(huán)境溫度為26.5℃。

3.2 仿真結(jié)果分析

針對上述計算工況進行仿真計算，可以得到各個部分的溫度云圖，如圖3、圖4和圖5所示。由圖3、圖4和圖5可以看出，皮膚觸及真空室壁面的最高溫度為36.3℃，低于指標(biāo)要求的最高溫度45℃?？刂齐姍C組件最高溫度為44.3℃，小于其要求的最高溫度50℃。絲杠溫度最高為47.3℃，低于其要求的最高溫度60℃。滑塊及導(dǎo)軌受高溫爐體導(dǎo)熱影響較大，滑塊最高溫度為49.6℃，導(dǎo)軌最高溫度為46.1℃，均接近其所求的最高溫度50℃。

由圖3可以看出，系統(tǒng)外殼溫度高溫區(qū)域即是真空室的外壁溫度，高溫區(qū)溫度在34～36.3℃，其絕大部分區(qū)域溫度在26.1～34℃，滿足系統(tǒng)要求的裸露皮膚可觸及部位的接觸點溫度應(yīng)不大于45℃和不小于10℃的溫度指標(biāo)。

由圖4可以看出，控制電機高溫區(qū)域主要集中在電機上部區(qū)域，溫度不低于39℃，下部區(qū)域由于靠近冷板其溫度相對較低，溫度不超過36℃。這表明電機工作時產(chǎn)生的熱量可以通過所設(shè)計的導(dǎo)熱路徑有效導(dǎo)入冷板排散掉。編碼器大部分區(qū)域溫度在35.4～38.3℃，溫度有較大的余量，這表明其能被冷板有效冷卻。

如圖5所示，由于絲杠、導(dǎo)軌和滑塊比較靠近高溫爐體，其溫度比較高。絲杠大部分區(qū)域溫度不低于37℃，導(dǎo)軌和滑塊大部分區(qū)域溫度不低于40℃，最高溫度達到了49.6℃，非常接近其最高限制溫度50℃。

此外，通過計算統(tǒng)計得到高溫爐在此工況下向外界通過空氣自然對流漏熱約25W，漏熱約占總輸入功率的2.96%，滿足漏熱不超過4%的指標(biāo)要求。

4? 結(jié)語

針對我國載人空間站高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)熱控需求，完成了空間高溫材料實驗系統(tǒng)熱控方案設(shè)計，建立了數(shù)值仿真模型，針對給定的最惡劣工況進行了仿真分析，結(jié)果表明，真空室外壁最高溫度為36.3℃，控制電機組件最高溫度為44.3℃，絲杠溫度最高為47.3℃;滑塊及導(dǎo)軌受高溫爐體導(dǎo)熱影響較大，滑塊最高溫度為49.6℃，導(dǎo)軌最高溫度為46.1℃，均可以滿足溫度指標(biāo)要求。本文研究結(jié)果可為高溫材料科學(xué)實驗系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

參考文獻

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