航天器真空熱試驗(yàn)的負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 然，丁文靜，茹曉勤，李培印

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

航天器真空熱試驗(yàn)的負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 然，丁文靜，茹曉勤，李培印

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

航天器外部組件（如太陽(yáng)電池陣）進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)，其表面溫度需降至-170℃，一般的空間環(huán)境模擬器配備的液氮及熱沉系統(tǒng)很難將試驗(yàn)件冷卻至-170℃，為進(jìn)一步降低試驗(yàn)溫度，研制一種負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)。系統(tǒng)由過(guò)冷器、加熱系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和管路連接系統(tǒng)組成，利用液氮在真空環(huán)境中具有更低飽和溫度的特性以獲得比常規(guī)液氮系統(tǒng)更低的液氮溫度。設(shè)計(jì)了負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)，搭建了工程樣機(jī)，并且進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，過(guò)冷器出口溫度低于-200℃，針對(duì)-170℃溫區(qū)的試驗(yàn)，可縮短試驗(yàn)周期40%。

真空熱試驗(yàn)；空間環(huán)境模擬器；負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

真空熱試驗(yàn)是航天器空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中的重要試驗(yàn)之一，可以使航天器在真空環(huán)境和熱環(huán)境中暴露航天器的材料和工藝缺陷，排除早期失效，從而大幅提高航天器在軌運(yùn)行的可靠性[1]。在軌期間長(zhǎng)期暴露于航天器外部的組件（如太陽(yáng)電池陣），處于溫度劇烈變化的太空環(huán)境中，真空熱試驗(yàn)非常重要。不同于衛(wèi)星其他部件的熱真空試驗(yàn)，太陽(yáng)電池陣鑒定真空熱試驗(yàn)中最低溫度一般要達(dá)到-170℃，且在75～-160℃區(qū)間的降溫時(shí)間要求不大于185 min[2]。

航天器的真空熱試驗(yàn)一般在空間環(huán)境模擬器中進(jìn)行，通常采用常壓過(guò)冷系統(tǒng)對(duì)熱沉進(jìn)行冷卻，使熱沉溫度維持在-173℃，模擬太空中的冷黑環(huán)境[3-6]。在這種情況下，試驗(yàn)件依靠與熱沉進(jìn)行輻射換熱，很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降至-160℃，為達(dá)到低溫限溫度（-170℃）也需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，不但增加了試驗(yàn)周期，而且使試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)也大幅增加。熱沉中的液氮溫度決定了熱沉和試驗(yàn)件所能達(dá)到的極限溫度，因此，進(jìn)一步降低液氮溫度是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

液氮的飽和溫度隨液氮壓力的降低而降低，利用這一性質(zhì)，可通過(guò)降低過(guò)冷器中飽和液氮的壓力獲得更低的溫度，用于冷卻過(guò)冷器內(nèi)換熱器的高壓液氮。

1 系統(tǒng)方案

負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）過(guò)冷器出口溫度低于-200℃；（2）系統(tǒng)熱負(fù)荷50 kW。負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)由過(guò)冷器、加熱系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及相應(yīng)的管路等組成，通過(guò)控制過(guò)冷器內(nèi)容器的壓力可得到更低的液氮溫度，系統(tǒng)原理如圖1所示。

負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)的工作流程為：壓力控制系統(tǒng)將過(guò)冷器內(nèi)容器的壓力抽至負(fù)壓，過(guò)冷器容器內(nèi)的飽和液氮溫度隨壓力的下降而下降，通過(guò)過(guò)冷器內(nèi)板翅式換熱器的熱交換，換熱器內(nèi)流動(dòng)的高壓液氮溫度降至更低的溫度。負(fù)壓下的飽和液氮因吸熱不斷氣化，產(chǎn)生的低溫氮?dú)饨?jīng)兩級(jí)電加熱器加熱至常溫，壓力控制系統(tǒng)將加熱至常溫的氣體排出系統(tǒng)。壓力控制蝶閥的開(kāi)關(guān)將維持過(guò)冷器內(nèi)容器壓力的穩(wěn)定，緩沖氣罐將對(duì)系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。

圖1 負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of negative pressure subcooling system

設(shè)計(jì)負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)時(shí)，首先確定過(guò)冷器內(nèi)部溫度，根據(jù)出口溫度確定過(guò)冷器內(nèi)部壓力，并根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算真空泵抽氣速率，最后匹配加熱功率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置主要設(shè)備，形成負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)。

根據(jù)氮的熱物理性質(zhì)，三相點(diǎn)的溫度為-210℃，壓力為0.0125 MPa，當(dāng)溫度低于-210℃時(shí)，液氮會(huì)凝固成固體，所以過(guò)冷液氮制冷最低理論極限溫度是-210℃[6]。為防止液氮進(jìn)入三相點(diǎn)溫度從而凝固，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效率降低，應(yīng)控制液氮溫度在-208℃以上。已知液氮在0.02 MPa壓力下，飽和溫度約為-207.4℃，此時(shí)過(guò)冷器出口密閉循環(huán)液氮溫度可維持低于-200℃。在系統(tǒng)熱負(fù)荷內(nèi)，熱沉溫度可維持低于-190℃，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件-170℃溫區(qū)的真空熱試驗(yàn)。

根據(jù)不同的試驗(yàn)需求，可通過(guò)壓力控制系統(tǒng)控制過(guò)冷器內(nèi)部壓力，用于達(dá)到不同的熱沉溫度需求。通常負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)具備兩種工作模式：

（1）常規(guī)試驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)過(guò)冷器放空口，關(guān)閉負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)中的低溫調(diào)節(jié)閥，此時(shí)壓力控制系統(tǒng)不需要工作，過(guò)冷器作為常壓過(guò)冷器參與液氮循環(huán)，將從熱沉出口流出的液氮降低至-188℃左右；

（2）進(jìn)行太陽(yáng)電池陣或其他對(duì)溫度由特殊要求的試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟低溫調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉放空口，啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)，對(duì)過(guò)冷器內(nèi)部進(jìn)行抽真空操作，同時(shí)依次啟動(dòng)I、II級(jí)電加熱器，保證真空泵抽走的氮?dú)馓幱诔?。通過(guò)控制過(guò)冷器內(nèi)部壓力，調(diào)節(jié)過(guò)冷器出口液氮溫度，從而控制熱沉溫度在試驗(yàn)溫度要求范圍內(nèi)。

2 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

2.1 壓力控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)主要用于帶走過(guò)冷器因吸熱而產(chǎn)生的氣態(tài)氮?dú)?。壓力控制系統(tǒng)包括機(jī)械泵、緩沖罐、測(cè)量系統(tǒng)和控制柜，如圖2所示。

機(jī)械泵主要用于將過(guò)冷器本體抽真空至目標(biāo)壓力，緩沖罐作為機(jī)械泵抽氣的緩沖罐，測(cè)量與控制系統(tǒng)主要用于控制系統(tǒng)壓力。其中機(jī)械泵抽速的匹配是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

圖2 壓力控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure control system

機(jī)械泵抽速由系統(tǒng)的氣體負(fù)荷決定，主要有兩部分組成：

（1）系統(tǒng)熱負(fù)荷引起的氣體負(fù)荷

環(huán)境模擬設(shè)備本身需要帶走試驗(yàn)件產(chǎn)生的熱量，該熱量需要通過(guò)過(guò)冷器內(nèi)的液氮?dú)饣瘽摕釒ё?。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷50 kW（按已有環(huán)境模擬設(shè)備低溫工況下的熱負(fù)荷選?。?，過(guò)冷器內(nèi)容器液氮由此部分熱負(fù)荷帶來(lái)的氣化量見(jiàn)式（1）[7]。

式中：qm1為液氮消耗量，kg/s；Q為熱負(fù)荷，kW；γ為液氮汽化潛熱，kJ/kg。經(jīng)計(jì)算，qm1=0.236 kg/s。

（2）過(guò)冷器補(bǔ)液附加熱氣體負(fù)荷

過(guò)冷器內(nèi)容器內(nèi)由于液氮不斷吸熱氣化，需根據(jù)試驗(yàn)液氮耗量對(duì)過(guò)冷器內(nèi)容器進(jìn)行液氮補(bǔ)充，以維持內(nèi)容器液氮量的穩(wěn)定。負(fù)壓狀態(tài)下，過(guò)冷器內(nèi)容器中液氮壓力0.02 MPa，過(guò)冷器補(bǔ)液壓力為儲(chǔ)槽液氮壓力，一般取0.25 MPa，不同壓力下，液氮的物性參數(shù)如表1所示。

表1 不同壓力下LN2的飽和溫度Table1 Saturated Temperature of LN2at different pressure

當(dāng)壓力為0.25 MPa的飽和液氮流入過(guò)冷器內(nèi)容器時(shí)，過(guò)冷器內(nèi)負(fù)壓液氮會(huì)吸熱氣化，稱為過(guò)冷器補(bǔ)液時(shí)產(chǎn)生的附加熱負(fù)荷，計(jì)算如式（2）[8]：

式中：Qa為補(bǔ)液產(chǎn)生的附加熱負(fù)荷，kW；qm1為過(guò)冷器補(bǔ)液量，與液氮消耗量相同，kg/s；Cp為液氮定壓比熱，取平均值2.01 kJ/kg·K；ΔT為液氮溫度變化量，19.7℃。經(jīng)計(jì)算，Qa=9.32 kW。由此熱負(fù)荷帶來(lái)的液氮汽化量按計(jì)算，qm2=0.044 kg/s。由計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)液氮?dú)饣繛閝m=qm1+qm2=0.28 kg/s。氮?dú)庠?.02 MPa下（-207.4～20℃）的平均密度為0.636 kg/m3，所以過(guò)冷器所產(chǎn)生的氮?dú)鉃?40 L/s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，所需穩(wěn)定條件下的壓力控制系統(tǒng)的抽速不小于440 L/s，依靠閥門的PID調(diào)節(jié)，將過(guò)冷器內(nèi)容器真空度維持在0.02±0.002 MPa之間。所選取的蝶閥控制系統(tǒng)的控制精度達(dá)到真空規(guī)最大測(cè)量范圍的0.1%，選取在0.02 MPa時(shí)精度較高的電容薄膜真空規(guī)，可達(dá)到的控制精度為100 Pa，能夠滿足±2 000 Pa控制要求。過(guò)冷器真空抽氣范圍從大氣到0.02 MPa，管道氣流的流導(dǎo)對(duì)抽速的影響不大，但選取的真空泵的抽速應(yīng)在0.02 MPa時(shí)能達(dá)到440 L/s，因此根據(jù)真空泵的抽氣曲線，選取2臺(tái)萊寶公司的SV300型真空泵和2臺(tái)SV630BF型真空泵并聯(lián)抽氣，其技術(shù)參數(shù)分別為：

（1）機(jī)械泵名義抽速：SV300型≥280 m3/h；SV630BF型≥640 m3/h；

（2）機(jī)械泵在20 000 Pa時(shí)的抽速：SV300型≥240 m3/h；SV630BF型≥600 m3/h。

2.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要作用是將過(guò)冷器放空口抽出來(lái)的冷氮?dú)饧訜嶂潦覝兀ＷC壓力控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的安全。加熱系統(tǒng)采用兩級(jí)電加熱器串聯(lián)加熱，可保證稀薄的氮?dú)獗痪鶆虻募訜帷?/p>

由于負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)，飽和液氮揮發(fā)出來(lái)的氮?dú)庖蔡幱谪?fù)壓狀態(tài)，因此氮?dú)獾拿芏容^小，與加熱器的換熱功率大幅度下降。如果采用普通電加熱器對(duì)稀薄的氣體進(jìn)行加熱，則會(huì)產(chǎn)生電加熱器爐芯溫度過(guò)高，但被加熱氮?dú)鉁囟葏s不能升高至目標(biāo)溫度的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象，加熱系統(tǒng)采用兩級(jí)電加熱器串聯(lián)加熱的方式。

I級(jí)電加熱器可將氮?dú)鉁囟扔?207.4℃加熱至-50℃，II級(jí)電加熱器將氮?dú)鉁囟燃訜嶂?0℃。電加熱器的有效功率可由式（3）計(jì)算：

式中：Q為電加熱器有效功率，kW；T1為氮?dú)獬隹谄骄鶞囟?，K；T2為氮?dú)膺M(jìn)口溫度，K；Cp為氮?dú)獾亩▔罕葻?，kJ/kg·K；qm為氮?dú)赓|(zhì)量，0.28 kg/s。經(jīng)計(jì)算，QI=46 kW，QII=17.5 kW。

考慮電加熱器加熱效率、熱損失等因素，選擇I級(jí)電加熱器功率50 kW，II級(jí)電加熱器功率20 kW。

2.3 過(guò)冷器

過(guò)冷器由內(nèi)外容器組成，內(nèi)容器包含板翅式換熱器，換熱器內(nèi)有兩種流體，一種流體為從熱沉排出的高壓液氮；另一種是過(guò)冷器內(nèi)容器內(nèi)的負(fù)壓飽和液氮，兩種流體經(jīng)過(guò)充分的熱量交換，將從熱沉排出的液氮冷卻為具有一定過(guò)冷度的液氮，重新流回?zé)岢痢?/p>

相對(duì)于常規(guī)的常壓過(guò)冷器，負(fù)壓過(guò)冷器內(nèi)容器增加了負(fù)壓的承壓要求，因此應(yīng)對(duì)過(guò)冷器的內(nèi)容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算，以確認(rèn)其是否滿足負(fù)壓的要求。

設(shè)備筒體為圓筒形，承受外壓，按照短圓筒穩(wěn)定條件，其壁厚由式（4）[9]進(jìn)行計(jì)算。

式中：E為材料的彈性模量，206×103MPa；C為壁厚附加量，0 mm；Di為筒體內(nèi)徑，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，0.1 MPa；L為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，mm。經(jīng)計(jì)算，Sn=4.62 mm＜5 mm，根據(jù)計(jì)算可知筒體厚度取5 mm可以滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用已有KM3級(jí)環(huán)境模擬設(shè)備搭載建設(shè)負(fù)壓液氮過(guò)冷系統(tǒng)樣機(jī)，將負(fù)壓液氮過(guò)冷系統(tǒng)連接在已有的KM3液氮系統(tǒng)管路上，形成液氮系統(tǒng)的單相密閉循環(huán)。該系統(tǒng)的工作原理是整個(gè)系統(tǒng)管路及熱沉經(jīng)過(guò)充分的預(yù)冷并充滿液氮后，啟動(dòng)液氮泵，液氮泵將過(guò)冷狀態(tài)下的液氮以一定的壓力和流量輸送到模擬室內(nèi)的熱沉，將熱沉吸收的熱量帶走，然后返回過(guò)冷器，與過(guò)冷器內(nèi)負(fù)壓下的液氮進(jìn)行熱交換，重新達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)。

對(duì)負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)進(jìn)行了單機(jī)測(cè)試，調(diào)試數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)Table2 Commissioning date of negative pressure subcooling system

最終系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，負(fù)壓過(guò)冷器內(nèi)部壓力穩(wěn)定在49.5 kPa，過(guò)冷器出口溫度最終達(dá)到-203.1℃，熱沉平均溫度為-198.0℃，熱沉溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 熱沉溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 The temperature of thermal shroud varies with time

由于氮?dú)庠诔檎婵者^(guò)程中流經(jīng)的設(shè)備較多，管線較長(zhǎng)，系統(tǒng)流阻較大，導(dǎo)致穩(wěn)壓罐與過(guò)冷器內(nèi)容器中的壓力較大，并隨著壓力的降低，壓差也大。最終導(dǎo)致過(guò)冷器內(nèi)容器穩(wěn)定壓力未能達(dá)到0.02 MPa。但負(fù)壓液氮過(guò)冷器主要目的在于降低過(guò)冷器出口液氮溫度，過(guò)冷器出口溫度已達(dá)到-203.1℃，優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求。隨后對(duì)負(fù)壓過(guò)冷器系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試試驗(yàn)件為“國(guó)旗”，測(cè)試試驗(yàn)件溫度為-170～+170℃，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)件測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test result of specimen

試驗(yàn)結(jié)果表明，啟動(dòng)負(fù)壓過(guò)冷器之前，試件降至-150℃之后，降溫速率大幅減小，經(jīng)過(guò)24 h后，試件達(dá)到-160℃，但依然無(wú)法達(dá)到目標(biāo)溫度。之后啟動(dòng)了負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)，試件表面溫度順利達(dá)到-170℃。在下一個(gè)高低溫循環(huán)中，在+75～-160℃溫度范圍內(nèi)，試件降溫時(shí)間縮短了55%，整個(gè)高低溫循環(huán)時(shí)間縮短了40%，大幅度縮短了試驗(yàn)周期。

4 結(jié)論

負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)利用了液氮在負(fù)壓環(huán)境下飽和溫度降低的特性，通過(guò)對(duì)過(guò)冷器內(nèi)容器進(jìn)行抽真空，可有效的降低熱沉溫度。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到的效果為：

（1）實(shí)現(xiàn)了過(guò)冷器出口溫度降至-203℃，熱沉平均溫度降至-198℃；

（2）拓寬了航天器真空熱試驗(yàn)的試驗(yàn)溫區(qū)，順利完成了-170～+170℃溫區(qū)的試驗(yàn)；

（3）在+75～-160℃溫度范圍內(nèi)，試件降溫時(shí)間縮短了55%，整個(gè)高低溫循環(huán)時(shí)間縮短了40%，大幅度縮短了試驗(yàn)周期。

負(fù)壓過(guò)冷系統(tǒng)的研制成功，對(duì)于提高航天器熱真空試驗(yàn)水平、增強(qiáng)空間環(huán)境模擬器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、拓展試驗(yàn)領(lǐng)域等方面起到重要的作用。

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NEGATIVE PRESSURE SUBCOOLING SYSTEM DESIGN FOR SPACECRAFT THERMAL VACUUM TEST

LIU Ran，DING Wen-jing，RU Xiao-qin，LI Pei-yin
（Beijing Institute of Space Environment Engineering，Beijing 100094）

The spacecraft external components（such as solar array）surface temperature is needed to be reduced to-170℃during thermal vacuum test.The specimen is hard to be cooled to-170℃ by the liquid nitrogen and thermal shroud system of conventional space environment simulator.A negative pressure subcooling system was developed to further reduce the test temperature.The system consists of subcooler，heating system，pressure control system and piping system，utilizes liquid nitrogen to have a lower saturation temperature at negative pressure to obtain a lower liquid nitrogen temperature than conventional liquid nitrogen systems.Negative pressure subcooling system was designed in this paper，and an engineering prototype was built and tested.The result of thermal tests shows that the outlet temperature of subcooler can reach lower than-200℃and the period of thermal tests with the lowest temperature of-170℃can be minimized to 40%.

thermal vacuum test；space environment simulator；negative pressure subcooling system；design

V416.8

A

1006-7086（2017）05-0292-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.008

2017-07-25

劉然（1984-），女，北京人，碩士，主要從事空間環(huán)境模擬技術(shù)。E-mail：liuran_cast511@126.com。