王 飛，關(guān) 陽，路同山，劉海靜，張世一，靳兆峰，李卓慧，李燦倫

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

為了評(píng)估并驗(yàn)證航天器熱控系統(tǒng)性能，需要通過熱平衡和熱真空試驗(yàn)進(jìn)行檢測，熱真空試驗(yàn)中通常采用熱流模擬試驗(yàn)裝置模擬太陽輻射、地球反照和地球紅外輻射所帶來的熱流。根據(jù)空間外熱流模擬裝置自身特點(diǎn)，外熱流模擬裝置可分為輻射型和傳導(dǎo)型兩類，屬于輻射型的有太陽模擬器、燈陣、紅外籠、紅外加熱棒和紅外輻射板等[1]。常規(guī)的紅外加熱籠為電阻型的紅外輻射源，每個(gè)加熱面等間距布置帶狀電阻片，面向試驗(yàn)件的表面噴涂耐高溫黑漆，以提高表面熱輻射。由于加熱帶表面噴涂黑漆，高溫試驗(yàn)易揮發(fā)污染物，不適用敏感光學(xué)元件，因此加熱帶自身溫度一般不高于423 K。另外，由于熱真空試驗(yàn)需同時(shí)滿足高低溫的試驗(yàn)要求，如果加熱帶的覆蓋系數(shù)過小，則高溫不能滿足要求；覆蓋系數(shù)過大，降溫速率較慢或低溫不能滿足試驗(yàn)要求[2-3]，因此加熱帶紅外籠難以兼顧高低溫及降溫速率要求。本文設(shè)計(jì)的鎧裝加熱電阻絲結(jié)構(gòu)新型紅外加熱籠，并通過仿真對(duì)測試試件的溫度均勻性以及降溫速率進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況，研制了一套紅外加熱籠，并通過試驗(yàn)對(duì)紅外籠的性能進(jìn)行了測試分析。

1 新型紅外籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外籠采用鎧裝電阻絲，為提高熱效率，參考燈陣燈罩在加熱絲背面設(shè)計(jì)了不銹鋼反射屏，反射屏與加熱絲采用陶瓷隔熱組件連接。紅外籠反射屏、框架表面均做拋光處理。紅外籠設(shè)計(jì)為半圓筒結(jié)構(gòu)，如圖1所示，紅外籠內(nèi)有效直徑為1.8 m，長度為1.85 m，分為前端部、后端部以及筒體3個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)可根據(jù)控溫要求分別加熱。設(shè)計(jì)紅外籠加熱絲覆蓋間距分為110 mm、140 mm兩種，加熱絲反射屏寬度均為20 mm。1#紅外籠采用110 mm間距布置，覆蓋系數(shù)為0.18；2#紅外籠采用140 mm間距布置，覆蓋系數(shù)為0.14；3#紅外籠前端部及后端部加熱區(qū)采用140 mm間距布置，其覆蓋系數(shù)為0.14，筒體采用110 mm間距，筒體加熱區(qū)覆蓋系數(shù)為0.18。1#、2#紅外籠為等間距布置，筒體加熱區(qū)采用多根相同長度的加熱絲并聯(lián)布置；在前端部及后端部，采用不同長度的加熱絲并聯(lián)布置。3#紅外籠加熱絲采用非等間距布置，所有加熱絲長度規(guī)格一致。

圖1 紅外加熱籠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the infrared heating cage

2 紅外加熱籠設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及條件

試驗(yàn)設(shè)備為KM2熱真空試驗(yàn)設(shè)備，熱沉采用機(jī)械壓縮制冷系統(tǒng)冷卻，熱沉表面溫度193 K，熱沉內(nèi)表面噴涂黑漆，黑漆表面發(fā)射率0.9。如圖2所示，試驗(yàn)試件為星用單機(jī)模擬件，試件表面噴涂黑漆，試件尺寸400 mm×400 mm×300 mm。試件通過四個(gè)支腿放置在底部平臺(tái)上，試件與支腿間采用聚四氟乙烯隔熱，試件位于籠體的中心。

圖2 紅外加熱籠試件安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of test piece in the infrared heating cage

高慶華等[4]對(duì)紅外加熱籠的換熱模型進(jìn)行了簡化，建立航天器器表、紅外籠和熱沉之間的輻射換熱模型，該換熱模型未考慮紅外籠各加熱區(qū)對(duì)試件的交互影響，只針對(duì)試件單個(gè)表面建立了加熱籠、試件表面、熱沉的簡化換熱模型。本文紅外籠為半圓筒結(jié)構(gòu)，紅外籠前端部及后端部加熱區(qū)與筒體加熱區(qū)存在較大的交叉影響區(qū)域，另外換熱模型中試驗(yàn)試件、加熱絲、反射屏、底部框架、熱沉之間的輻射換熱關(guān)系較為復(fù)雜，采用理論分析計(jì)算難度較大。本文采用輻射仿真模型對(duì)紅外籠性能進(jìn)行模擬，輻射模型選用離散模型，熱源為加熱絲，熱沉冷背景溫度設(shè)定為193 K。試驗(yàn)試件、籠體、熱沉等表面均為漫灰體表面。穩(wěn)態(tài)模擬工況下設(shè)定紅外籠加熱功率分別為9 kW、6 kW、3 kW、1 kW和0.5 kW，模擬不同加熱功率下試件的溫度及均勻性。以瞬態(tài)模擬工況模擬試件降溫工況，降溫工況以6 kW穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為初始邊界條件，降溫階段不施加任何熱載荷。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

以1#紅外籠模擬結(jié)果為例說明，圖3為不同加熱功率下的加熱絲和鏡面板中軸面剖視溫度云圖。隨著紅外籠功率升高，紅外籠體自身的等溫性越差；加熱絲和鏡面板呈現(xiàn)筒體溫度明顯高于前端部、后端部的特性，且紅外籠功率越高，溫差越大。筒體、前端部和后端部各個(gè)加熱區(qū)域也存在較大溫差，紅外籠功率越高，各加熱區(qū)自身溫差越大。

圖3 1#紅外籠在不同加熱功率下的加熱絲和鏡面板中軸面剖視溫度云圖Fig.3 Axial temperature nephogram of 1#infrared cage heating wire and mirror panel under different heating power

圖4為1#紅外籠試件溫度云圖，加熱功率越高，試件自身溫度均勻性越差，試件整體溫度均勻性優(yōu)于±2.5 K。由于試件底部未布置紅外籠，試件溫度呈現(xiàn)頂部溫度高、底部溫度低的特性。在紅外籠前端部、后端部與筒體的交界位置存在疊加效應(yīng)，試件頂部區(qū)域受前端部、筒體和后端部加熱區(qū)的影響較大，導(dǎo)致試件頂部溫度偏高，試件溫度呈現(xiàn)不均勻特性。另外，由于底部平臺(tái)與試件間存在輻射漏熱，同時(shí)試件底部支撐與試件采用聚四氟乙烯隔熱，存在少量接觸導(dǎo)熱，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度均勻性變差。

圖4 1#紅外籠試件溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of 1#infrared cage specimen

1#、2#、3#紅外籠的試件溫度、試件入射熱流等數(shù)據(jù)詳見表1～3，1#、2#、3#紅外籠的試件平均溫度及平均入射熱流如圖5、圖6所示。

表1 1#試件溫度及熱流數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature and heat flow data of the test specimen 1#

表2 2#試件溫度及熱流數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature and heat flow data of the test specimen 2#

表3 3#試件溫度及熱流數(shù)據(jù)Tab.3 Temperature and heat flow data of the test specimen 3#

圖5 1#、2#、3#紅外籠試件平均溫度曲線Fig.5 Average temperature curve of 1#，2#and 3#infrared cage specimens

圖6 1#、2#、3#紅外籠試件平均入射熱流曲線Fig.6 Average incident heat flux curve of 1#，2#and 3#infrared cage specimens

由圖5、圖6可以看出，相同熱功率下，1#紅外籠加熱絲布置密度最高，加熱絲溫度最低，試件平均溫度明顯要高于其他紅外籠的試件表面平均溫度；2#紅外籠加熱絲布置密度最為稀疏，加熱絲溫度最高，試件平均溫度最低，試件溫度均勻性最優(yōu)；3#紅外籠溫度均勻性最差。相同加熱功率下，1#紅外籠試件表面入射熱流平均值最大，試件平均溫度最高；2#紅外籠試件表面入射熱流平均值最小，平均溫度最低，同時(shí)2#紅外籠試件的入射熱流更加均勻，因此其溫度均勻性最好；3#紅外籠的試件入射熱流均勻性較差，溫度均勻性最差。

由表4、表5可知，1#紅外籠各加熱區(qū)面熱流密度基本相等，2#紅外籠筒體面熱流密度略低于前端部及后端部面熱流密度，3#紅外籠筒體面熱流密度略高于前端部及后端部面熱流密度。在相同的加熱功率下，2#紅外籠筒體面熱流密度小于前端部及后端部面熱流密度，其溫度均勻性最好，3#紅外籠筒體面熱流密度大于前端部及后端部面熱流密度，其溫度均勻性最差。紅外籠覆蓋系數(shù)過小會(huì)增加熱流密度的不均勻性[5]。半圓筒結(jié)構(gòu)紅外籠覆蓋系數(shù)的增大并未改善試件控溫均勻性，主要是由于設(shè)計(jì)的紅外籠尺寸遠(yuǎn)大于試件尺寸，形狀匹配性差，相對(duì)于前端部及后端部紅外籠，筒體紅外籠對(duì)于試件的輻射角系數(shù)較大，加劇了試件熱流的不均勻性。為減小筒體段對(duì)于試件的輻射熱流的不均勻性，可通過降低筒體面熱流、增大前端部及后端部面熱流進(jìn)行改善。

表4 筒體加熱區(qū)功率密度對(duì)比Tab.4 Thermal power density comparison of the cylinder heating area

表5 前端部及后端部加熱區(qū)功率密度對(duì)比Tab.5 Thermal power density comparison of the front end and the rear end heating area

2.2.2 瞬態(tài)計(jì)算分析

分別對(duì)三種紅外籠的試件降溫速率進(jìn)行瞬態(tài)仿真模擬，如圖7所示。2#紅外籠的試件降溫稍快，1#、3#紅外籠試件降溫速率相差不大。試件從333 K降溫至238 K，1#紅外籠降溫速率約為0.711 K/min，2#紅外籠降溫速率約為0.735 K/min，3#紅外籠降溫速率約為0.706 K/min。可知紅外籠覆蓋系數(shù)越大降溫速率越慢，覆蓋系數(shù)的取值應(yīng)在滿足控溫均勻性及控溫精度的情況下，同時(shí)滿足升降溫速率的要求。

圖7 試件降溫速率比較曲線Fig.7 Comparison curve of the test specimen’s cooling rate

3 試驗(yàn)測試及分析

3.1 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析

由于3#紅外籠采用相同規(guī)格長度的加熱絲，加工周期短，經(jīng)濟(jì)成本低，紅外籠仿真試件溫度數(shù)據(jù)滿足熱真空試驗(yàn)控溫要求，因此根據(jù)3#紅外籠的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)研制一套熱真空試驗(yàn)紅外籠。依據(jù)相關(guān)熱真空試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，組件的熱交換方式以傳導(dǎo)為主時(shí)，傳感器安裝在組件底板；組件的熱交換方式以輻射為主時(shí)，傳感器安裝在其外殼有代表性的位置，但不能位于熱源處[6]。試件控溫以輻射為主，在試驗(yàn)單機(jī)試件表面固定5個(gè)測溫點(diǎn)，如圖8所示。試驗(yàn)控溫系統(tǒng)采用PID控溫，試驗(yàn)時(shí)容器壓力小于4×10-5Pa，熱沉溫度193 K。

圖8 紅外籠及試件測試狀態(tài)圖Fig.8 Test status of the infrared cage and the test specimen

以5個(gè)測溫點(diǎn)（TC01～TC05）的平均溫度作為控溫點(diǎn)溫度，選取333 K、238 K、343 K、223 K、353 K、263 K、323 K共7個(gè)溫度作為控溫目標(biāo)溫度，每個(gè)目標(biāo)溫度保溫時(shí)間約為2 h。5個(gè)測溫點(diǎn)控溫平均值變化如圖9所示，測溫點(diǎn)平均值的控溫精度±0.3 K。5個(gè)測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)如圖10所示。不考慮轉(zhuǎn)溫階段溫度波動(dòng)，試件在333 K、343 K、353 K、323 K高溫區(qū)控溫時(shí)，保溫階段的溫度均勻性優(yōu)于5 K；試件在238 K、223 K、263 K低溫區(qū)控溫時(shí)，保溫階段溫度均勻性優(yōu)于3 K。

圖9 控溫試件的5個(gè)測溫點(diǎn)的平均溫度變化曲線Fig.9 Average temperature change curve of temperature control specimen’s 5 temperature measuring points

圖10 5個(gè)測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Temperature data of 5 temperature measuring points

為進(jìn)一步提高試件控溫均勻性，紅外籠加熱區(qū)設(shè)計(jì)分為前部、后部、筒體左區(qū)、筒體頂部和筒體右區(qū)5個(gè)加熱區(qū)，對(duì)試件5個(gè)表面進(jìn)行分區(qū)控溫。以試件5個(gè)表面的TC01～TC05測溫點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)加熱區(qū)的控溫點(diǎn)，分別選取333 K、238 K、343 K、223 K、353 K作為控溫溫度點(diǎn)，試件溫度與設(shè)定溫度變化如圖11所示。試驗(yàn)試件各分區(qū)控溫精度在±0.3 K以內(nèi)。不考慮升降溫過程，在333 K、343 K、353 K高溫工況和238 K、223 K低溫工況下，試件保溫階段溫度均勻性優(yōu)于2 K。分區(qū)控溫升降溫速率與單區(qū)控溫的升降溫速率基本一致。紅外籠適當(dāng)分區(qū)在保證試件升降溫速率的同時(shí)，明顯提高試件的控溫均勻性。

圖11 控溫試件的5個(gè)測溫點(diǎn)及設(shè)定溫度的變化曲線Fig.11 Temperature change curve of 5 temperature measuring points and set temperature of temperature control specimen

3.2 測試及仿真數(shù)據(jù)總結(jié)分析

由試驗(yàn)測試結(jié)果可知，在單區(qū)控溫工況下，試件的高溫溫區(qū)控溫均勻性優(yōu)于5 K，低溫溫區(qū)控溫均勻性優(yōu)于3 K。根據(jù)3#紅外籠仿真模擬數(shù)據(jù)，不考慮試件底面溫度，試件在高溫及低溫工況下的溫度均勻性均優(yōu)于試驗(yàn)測試結(jié)果，尤其是在低溫工況下試件溫度均勻性優(yōu)于2 K。這是由于試驗(yàn)測試用熱沉采用制冷機(jī)制冷，因制冷機(jī)制冷能力所限，部分熱沉溫度測點(diǎn)在加熱作用下出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，在熱沉溫度均勻性變差的情況下，影響了實(shí)際試件控溫的效果。

根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果分析，試件進(jìn)行降溫工況時(shí)，試件溫度由373 K降溫至238 K，試件的降溫速率約為0.65 K/min。根據(jù)3#紅外籠仿真模擬數(shù)據(jù)，在同樣降溫區(qū)間，試件降溫速率約為0.706 K/min。仿真模擬的試件降溫速率比實(shí)際測試結(jié)果要快一些，主要原因?yàn)樵嚰?shí)際控溫采用PID的控溫策略，無法實(shí)現(xiàn)全降溫區(qū)間的無干擾降溫，提前減速的控制方式必然影響試件的降溫速率。

根據(jù)實(shí)際測試經(jīng)驗(yàn)，熱沉采用機(jī)械制冷方式，熱沉溫度193 K，加熱帶面覆蓋系數(shù)為0.4的傳統(tǒng)半圓筒結(jié)構(gòu)紅外籠或方形紅外籠，在相同溫區(qū)試件降溫速率均低于0.5 K/min。在滿足相同高溫控溫工況要求的情況下，相對(duì)于加熱帶紅外籠，加熱絲紅外籠的遮擋率更小，降溫速率更快。

4 結(jié)論

本文通過仿真計(jì)算及試驗(yàn)對(duì)一種新型半圓筒結(jié)構(gòu)加熱絲紅外籠的溫控性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，總結(jié)如下：

（1）半圓筒紅外籠前端部、后端部與筒體加熱區(qū)域存在疊加效應(yīng)，加劇了試件熱流不均勻性，使試件呈現(xiàn)頂部溫度高、底部溫度低的特性；

（2）紅外籠加熱功率越高，試件入射熱流不均勻性越大，試件溫度均勻性越差；

（3）適當(dāng)提高紅外籠前端部及后端部加熱區(qū)面熱流密度，降低筒體加熱區(qū)面熱流密度，有利于改善試件溫度均勻性；

（4）試件分區(qū)控溫，能夠在保證升降溫速率的要求下，提高試件的溫度均勻性；

（5）相對(duì)于傳統(tǒng)加熱帶紅外籠，在滿足同樣控溫試驗(yàn)要求的情況下，加熱絲紅外籠覆蓋系數(shù)更小，降溫速率更快。

研制的新型紅外籠能夠滿足單機(jī)部組件熱真空試驗(yàn)控溫要求，現(xiàn)已順利完成多次熱真空循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)控溫效果良好。設(shè)計(jì)該類型紅外籠時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合試件溫度均勻性及升降溫速率要求，合理設(shè)置紅外籠加熱絲覆蓋系數(shù)及各加熱區(qū)熱流密度。此外，也可通過紅外籠分區(qū)以調(diào)節(jié)不同加熱區(qū)的熱流密度，改善試件控溫均勻性。