寬范圍熱流密度絲狀加熱裝置的設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究

關(guān) 陽，季 琨，王 飛，王曉占，汪新舜，羅 威，劉昌鵬，唐偉峰

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

單機(jī)及部組件級的熱平衡試驗(yàn)是驗(yàn)證航天器熱設(shè)計(jì)和熱分析模型，考核航天器熱控功能的重要手段。目前熱試驗(yàn)中的外熱流模擬多采用帶狀紅外加熱籠、紅外燈陣和薄膜加熱片等方法。

帶狀加熱籠實(shí)現(xiàn)超低外熱流模擬時需設(shè)置一個很低的遮擋率，但其在低遮擋率下難以實(shí)現(xiàn)高熱流密度的模擬，且高溫下加熱帶易變形，表面的高發(fā)射率涂層易揮發(fā)污染物。絲狀加熱籠多為貼壁式，可實(shí)現(xiàn)寬范圍的外熱流模擬，且鎧裝加熱絲無污染、結(jié)構(gòu)簡單、電氣安全，但無法根據(jù)產(chǎn)品表面的不同狀態(tài)進(jìn)行高精度分區(qū)控制。紅外燈陣也可實(shí)現(xiàn)寬范圍的外熱流模擬，但其加熱表面熱流分布的不均勻度在10%左右，且空間布置受限，占用電源通道多。薄膜加熱片可粘貼于產(chǎn)品表面直接加熱，但需對產(chǎn)品表面狀態(tài)進(jìn)行更改，且不適用于表面具有特殊狀態(tài)的產(chǎn)品。

為兼顧熱流密度的寬范圍、高精度、高穩(wěn)定性、高均勻性和產(chǎn)品特殊表面狀態(tài)的不同試驗(yàn)需求，滿足探月、行星探測等不同目的和型號的需求，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)寬范圍外熱流模擬的“隨形式”絲狀加熱裝置，根據(jù)產(chǎn)品的不同形狀和表面狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在滿足產(chǎn)品不同表面分區(qū)控制的精確熱流模擬。

1 寬范圍外熱流模擬絲狀加熱裝置設(shè)計(jì)思路

1.1 基本布局設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品各表面的面積和最大到達(dá)熱流密度，可計(jì)算得到加熱絲對產(chǎn)品表面的輻射加熱能力上限為

式中：為加熱絲的半徑；和為加熱絲中心到被加熱表面兩端的水平距離；為加熱絲中心到被加熱表面的垂直距離。

根據(jù)式(1)進(jìn)行絲狀加熱裝置的布局設(shè)計(jì)，包括加熱絲間距和加熱絲到被加熱表面的距離。最終確定加熱絲間距為40 mm，加熱絲到被加熱表面的距離為60 mm。

根據(jù)目前試驗(yàn)常用的850 W（150 V、5.6 A）程控直流電源的加熱能力，結(jié)合加熱絲的有效長度，可設(shè)計(jì)得到加熱絲的單位阻值為20 Ω/m；為使加熱絲與加熱裝置的框架連接，選用耐溫、絕緣的陶瓷夾塊進(jìn)行固定，合理控制夾塊的裝配間隙，可使加熱絲自由膨脹，如圖1 所示。

圖1 加熱絲安裝示意Fig. 1 Heating rod installation diagram

經(jīng)計(jì)算，加熱絲對熱沉的遮擋率可低至5%，滿足低熱流模擬需求；同時由于加熱絲的表面溫度最高可達(dá)700 ℃，能夠?qū)崿F(xiàn)高熱流模擬。

1.2 仿真分析

使用FloEFD 軟件進(jìn)行加熱絲熱輻射仿真分析，試驗(yàn)條件設(shè)置為真空、環(huán)境溫度8 ℃，熱沉表面為黑漆，發(fā)射率為0.9；穩(wěn)態(tài)工況，加熱絲的初始功率為125 W；加熱絲表面為光滑的不銹鋼，發(fā)射率為0.2；被加熱鋁蜂窩板發(fā)射率為0.5，鋁蜂窩板邊界為絕熱邊界。仿真經(jīng)過2872 次迭代后結(jié)果收斂，全局及局部溫度測點(diǎn)波動均小于0.1 ℃。仿真模型和結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 加熱絲熱輻射仿真模型Fig. 2 Thermal radiation model of heating rod

圖3 加熱絲熱輻射仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results of thermal radiation of heating rod

由圖3 可以看到，被加熱鋁蜂窩板表面溫度為38.60～38.99 ℃，表面最大溫差為0.39 ℃，溫度均勻性良好。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)絲狀加熱裝置仿真驗(yàn)證的參數(shù)和結(jié)果加工了一套絲狀加熱裝置樣件，通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其熱流穩(wěn)定性和均勻性，其中加熱絲的尺寸、密度、表面狀態(tài)、功率等參數(shù)，被加熱鋁蜂窩板的尺寸、表面狀態(tài)等參數(shù)以及空間環(huán)境試驗(yàn)條件均與仿真所用的保持一致。試驗(yàn)實(shí)測的被加熱鋁板溫度曲線如圖4 所示，圖中的13 個測溫點(diǎn)（1#～13#）是根據(jù)鋁板尺寸和加熱絲的分布情況布置的，主要監(jiān)測絲下、絲間溫度以及鋁板邊緣位置的溫度。

圖4 鋁板溫度測點(diǎn)曲線Fig. 4 Temperature curve at aluminum plate measurement points

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在真空、常溫的條件下，被加熱鋁蜂窩板表面溫度最終穩(wěn)定在36.1～38.5 ℃范圍內(nèi)，均勻性良好，與仿真結(jié)果基本吻合。

2 應(yīng)用案例

某試驗(yàn)產(chǎn)品需通過真空熱試驗(yàn)考核其熱控設(shè)計(jì)的正確性和工藝結(jié)構(gòu)的合理性，在試驗(yàn)中產(chǎn)品各個表面要求的到達(dá)熱流密度不同，最小約為25 W/m，最大約為400 W/m；且該產(chǎn)品尺寸緊湊，形狀不規(guī)則，表面分區(qū)復(fù)雜，表面狀態(tài)難以更改，傳統(tǒng)的加熱裝置難以在實(shí)現(xiàn)低熱流模擬的同時保證各個表面的溫度均勻性良好。因此，進(jìn)行該試驗(yàn)的外熱流模擬方案設(shè)計(jì)時，選用基于鎧裝加熱絲的絲狀加熱裝置進(jìn)行外熱流的模擬。

首先，根據(jù)產(chǎn)品各表面到達(dá)熱流密度的不同要求，將產(chǎn)品的被加熱表面分為11 個區(qū)域，參見圖5，其中到達(dá)熱流密度最大為393.6 W/m，在區(qū)域3 和3-1；最小為27.7 W/m，在區(qū)域7、7-1 和7-2。

圖5 產(chǎn)品被加熱表面區(qū)域劃分示意Fig. 5 Division of product heated surface area

其次，根據(jù)絲狀加熱裝置各加熱區(qū)域內(nèi)加熱絲的實(shí)際長度和阻值情況，將絲狀加熱裝置分為11 個加熱回路，與產(chǎn)品被加熱表面的11 個區(qū)域一一對應(yīng)，參見圖6。由外熱流控制軟件對各加熱區(qū)域單獨(dú)的程控直流電源分別進(jìn)行PID 控制，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品被加熱表面不同區(qū)域不同熱流密度的模擬。

圖6 絲狀加熱裝置區(qū)域劃分Fig. 6 Partition of the filament heating device

根據(jù)產(chǎn)品被加熱表面各區(qū)域的不同情況，在指定位置布置絕熱型熱流計(jì)，作為各區(qū)域PID 溫度控制的對象。在空間足夠的前提下，可將部分區(qū)域的熱流計(jì)設(shè)置為一主一備，在增強(qiáng)試驗(yàn)可靠性的同時，也對該套絲狀加熱裝置的熱流均勻性進(jìn)行考核。

圖7 為絲狀加熱裝置實(shí)物照片，其最終尺寸約為750 mm×900 mm×800 mm（寬×深×高）。

圖7 絲狀加熱裝置實(shí)物Fig. 7 The filament heating device

本次真空熱試驗(yàn)運(yùn)行時間共計(jì)7 天，試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)均滿足試驗(yàn)技術(shù)要求，在試驗(yàn)過程中設(shè)備真空度均優(yōu)于1.3×10Pa，熱沉四周及底部溫度均不高于100 K。

試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品表面的到達(dá)熱流密度根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況有所調(diào)整，熱流計(jì)溫度曲線如圖8 所示，最低溫度為-123.285 ℃，對應(yīng)熱流密度為28.60 W/m；最高溫度為1.445 ℃，對應(yīng)熱流密度為322.37 W/m，滿足試驗(yàn)技術(shù)要求。當(dāng)在外熱流控制軟件中對加熱絲給出電流變化指令后，加熱絲在2 s 內(nèi)發(fā)生響應(yīng)，對應(yīng)熱流計(jì)溫度在隨后的1 min 中變化顯著；且在各工況開始保持平衡狀態(tài)后，各熱流計(jì)溫度波動均在±0.698 ℃以內(nèi)，溫度控制精度均在±0.328 ℃以內(nèi)，滿足試驗(yàn)技術(shù)要求。

圖8 熱流計(jì)溫度曲線Fig. 8 Temperature curve of the heat flow meter

試驗(yàn)同時對該套絲狀加熱裝置的熱流均勻性進(jìn)行考核，在試驗(yàn)進(jìn)行到工作工況時，區(qū)域5 的PID控制目標(biāo)溫度設(shè)為-45.35 ℃，該區(qū)域內(nèi)布置的主/備2 個熱流計(jì)的溫度曲線如圖9 所示。可以看到全試驗(yàn)過程中的最大溫差為1.4 ℃，對應(yīng)熱流密度偏差為3.79 W/m，熱流的不均勻度為2.48%，滿足試驗(yàn)技術(shù)要求。

圖9 區(qū)域5 熱流計(jì)溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of the heat flow meter for area 5

試驗(yàn)結(jié)果顯示，產(chǎn)品被加熱表面各區(qū)域內(nèi)的熱流密度均滿足試驗(yàn)要求，且熱流控制穩(wěn)定，均勻性良好，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)思路和方案的正確性。

3 應(yīng)用探討

3.1 熱模擬準(zhǔn)確性

如圖5 所示，在本應(yīng)用案例中，產(chǎn)品的區(qū)域A和區(qū)域B 表面均布置了多層和加熱板等，未使用絲狀加熱裝置直接對該區(qū)域進(jìn)行加熱，根據(jù)角系數(shù)原理和試驗(yàn)結(jié)果顯示，該區(qū)域?qū)碜越z狀加熱裝置的熱干擾不敏感。

如需進(jìn)一步減少熱干擾，則可在不需被加熱的產(chǎn)品部位設(shè)計(jì)反射罩或隔熱屏等裝置。

3.2 加熱效率

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反推，當(dāng)區(qū)域5 的絲狀加熱裝置功率為17.88 W 時，產(chǎn)品表面熱流計(jì)的溫度為-83.34 ℃，對應(yīng)熱流密度為73.60 W/m，根據(jù)本分區(qū)面積可知，到達(dá)熱輻射功率為6.11 W，加熱效率為34.17%。

如需繼續(xù)提高加熱效率，則可在加熱絲背面增加絲罩等裝置，從而在更小的輸入電流下，使被加熱表面接收到更多的熱流。

3.3 試驗(yàn)安全性

在試驗(yàn)安全性方面，可在加熱絲表面設(shè)置耐高溫?zé)犭娕紒肀O(jiān)測加熱絲的表面溫度。由于加熱絲受外界干擾小，可根據(jù)摸底試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)得到電流與加熱絲表面溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際試驗(yàn)中通過合理設(shè)置加熱絲的限流值來避免加熱絲過熱等問題。

在污染控制方面，則可通過實(shí)施階段的潔凈度控制、擦洗以及成品階段的真空烘烤等手段進(jìn)一步提升潔凈度。

在電氣安全方面，鎧裝加熱絲絕緣效果好，正常使用中不存在漏電風(fēng)險。

3.4 控制便利性

絲狀加熱裝置具有一定的熱容，因此，可以通過繼電器之類的廉價器件實(shí)現(xiàn)“通/斷”控制，以進(jìn)一步降低控制難度，通過低成本大型電源集中供電實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化利用。

3.5 瞬態(tài)特征

絲狀加熱裝置熱容較大，與燈陣相比，瞬態(tài)特征不明顯，但可通過縮小加熱絲直徑或直接使用鎳鉻加熱絲的方式來降低熱容，改善其瞬態(tài)特性。

4 結(jié)束語

通過所設(shè)計(jì)的“隨形式”絲狀加熱裝置在真空熱試驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

1）基于現(xiàn)有鎧裝加熱絲技術(shù)的成熟性和可靠性，該套絲狀加熱裝置理論上可以在20～1500 W/m的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱流密度可調(diào)，滿足部分型號產(chǎn)品對寬范圍熱流密度模擬的特殊需求。

2）該套絲狀加熱裝置在真空和低溫的條件下，響應(yīng)速度在2 s 以內(nèi)，對產(chǎn)品各個目標(biāo)溫度的控制準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性良好，平衡溫度波動均小于±0.7 ℃，控溫精度優(yōu)于±0.35 ℃。

3）該套絲狀加熱裝置在試驗(yàn)平衡階段控溫時，產(chǎn)品各表面的熱流不均勻度優(yōu)于2.5%。

后續(xù)擬進(jìn)一步研究該加熱裝置絲與絲的間距，以及加熱絲與被加熱表面之間的距離對產(chǎn)品表面均勻性的影響，并在未粘貼OSR 片的表面多布置一些溫度測點(diǎn)（盡量包含邊緣點(diǎn)和中心點(diǎn)）以獲得更全面的均勻性測量結(jié)果。