基于航天工程環境試驗設備的調溫熱沉技術

魏龍濤，楊建斌，閆 格

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 73000）

0 引言

在太空中，由于高真空、強烈太陽輻照、高冷黑等環境因素所引發的航天器或設備故障數占總故障數的70%左右。航天器的開發和發射成本巨大，一旦發射失敗，不僅會造成嚴重的經濟損失，也會帶來巨大的政治影響，甚至影響發射國的國際地位。為保證航天器的在軌運行穩定性與可靠性，航天器發射之前在地面上要進行一系列的空間環境模擬試驗。熱真空試驗設備就是為試驗提供與太空環境相似溫度環境的設備。

熱真空試驗設備通常包括真空容器、真空系統、熱沉系統、試驗系統、測試系統、運動系統和輔助系統等。熱真空試驗設備中可以模擬出太空中高低溫交變環境的設備稱為熱沉。調溫熱沉是指可以通過控制通入熱沉中循環工質的流量和溫度來調節其自身溫度的熱沉。調溫熱沉系統一般由循環工質、循環管路、加熱系統、制冷系統、循環風機、數據采集、顯示控制系統等組成。調溫熱沉具有能夠獲得任意溫度、對試件無遮擋、使用方便、經濟性好的優點。

在熱真空試驗中，由于試驗目的的不同，對熱沉的溫度要求也往往不同，如空間電子產品的試驗溫度區間一般要求為-40℃～+60℃，這時熱沉要求的溫度范圍為-70℃～+90℃；對于要求更為嚴格的航天器整機或零部件，熱沉要求的溫度范圍在-150℃～+150℃。在設計熱真空試驗設備時，設計者會根據試驗溫度范圍的不同而采取不同的熱沉循環流程來實現所需要的溫度范圍，因為循環流程的不同，熱真空試驗設備的性能也各有差異，且不同的循環流程在試驗過程中的操作難易程度也各不相同[1-3]。本文簡要介紹了目前國內熱真空試驗設備中不同的熱沉調溫流程。

1 調溫熱沉分類

調溫熱沉可根據所選循環工質的不同分為兩類：第一類是選擇耐高低溫的導熱液作為循環工質通入熱沉中進行溫度調控，稱為導熱液調溫熱沉；第二類是以氮氣作為循環工質通入熱沉，稱為氣氮調溫熱沉[4]。

導熱液調溫流程通常選擇酒精和寬溫區導熱油作為循環工質，采用復疊式制冷或其他機械式制冷方式制冷，使用電加熱器加熱導熱液，并通過控制通入熱沉的導熱液的流量和溫度調節熱沉的溫度。導熱液調溫熱沉具有系統構造簡單、熱穩定性高、熱沉表面溫度均勻性好、升降溫速率易控、運行維護費用低的優點，但導熱液調溫熱沉的調溫范圍較小。使用酒精作為循環工質時，熱沉溫度可在-80℃～+20℃范圍內調節，在低溫區時，熱沉溫度容易控制，而升溫階段易出現熱沉溫度過高、溫度均勻性差的問題。由高溫向低溫過渡時，降溫速率很慢，會出現少量酒精氣化、甚至可能燃燒的現象。使用寬溫區導熱油作為循環工質時，可實現對熱沉在-80℃～+150℃溫度區間內的調控，溫度均勻性好、降溫速率易控、環保節能，但一旦泄露管路不易清潔。

氣氮調溫流程通常利用液氮作為冷源對氮氣冷卻，采用電加熱器對氮氣進行加熱達到高溫要求，采用氣氮—液氮結合方式的調溫流程，可實現熱沉在-173℃～+200℃范圍內的調溫。對這種寬溫區的溫度調節，如果使用傳統的液氮與紅外加熱來調控，即開式系統，對兩個極點的溫度控制比較容易實現，但對于兩極點間任意溫度的控制就有一定難度，且試驗過程中液氮消耗量較大，試驗成本高，若采用閉式循環的冷熱氮氣系統則對區間內任意溫度的控制就比較容易實現。

2 國內調溫熱沉應用現狀

2.1 導熱液熱沉調溫流程

VM800型熱真空試驗設備[5]采用導熱油和酒精結合的調溫流程如圖1所示，調溫范圍為-65℃～+150℃，在-55℃～+125℃溫度區間內，空載時的升降溫速率≥2℃/min。

圖1 VM800型熱真空試驗設備流程圖Fig.1 The flow process of VM800 thermal vacuum test equipment

采用水冷卻導熱油換熱以及蒸氣壓縮復疊式制冷冷卻酒精的方式以獲取低溫，升溫時酒精是通過與電加熱器加熱的干燥空氣進行換熱后通入熱沉，導熱油則是直接通過電加熱器加熱，然后通入熱沉。降溫循環流程的原理為：當需要從高溫轉到低溫時，從熱沉中流出的高溫導熱油經過水冷換熱器被冷卻水冷卻，溫度下降，當導熱油溫度下降到某一溫度點時，關閉冷卻水、導熱油泵以及導熱油供給閥門，停止熱油循環；隨后，打開酒精供給閥門、酒精循環泵，將經過預冷的酒精通入熱沉開始酒精循環，熱沉溫度繼續下降，直到設定溫度。升溫循環時，從熱沉流出的低溫酒精與換熱器中的高溫空氣換熱，溫度不斷升高，當酒精溫度升高到某一溫度點時，停止空氣加熱、關閉酒精循環泵以及酒精供給閥門，停止酒精循環；啟動導熱油泵，打開導熱油供給閥門，將熱的導熱油通入到熱沉，開始熱油循環，直到設定溫度。如此往復，可以實現高溫與低溫的不斷轉換。此流程將冷卻水、酒精、導熱油、熱風等綜合應用到同一流程中，在彌補單一導熱液調控溫度范圍小的缺點的同時，可以有效降低試驗成本，但在由高溫向低溫轉換時，會出現少量酒精氣化的現象。

丁文靜等[6]設計發明了一種導熱液熱真空試驗設備流程，如圖2所示，能夠在-70℃～+150℃溫度內快速地制冷和加熱，該系統主要包括熱沉系統、制冷系統、加熱與溫控系統、載冷劑、循環泵等。

圖2 載冷劑熱沉調溫流程圖Fig.2 Coolant heat sink temperature regulation process

此流程升降溫原理為：低溫循環時，載冷劑經過載冷劑冷卻器被冷卻，經過冷卻的載冷劑通過管道分成兩路，分別進入用于主輔熱沉的載冷劑加熱器與溫度控制器，達到控溫精度的兩路載冷劑分別進入主熱沉與副熱沉以對其冷卻降溫，之后兩路載冷劑匯合進入提供動力的循環泵，再進入載冷劑冷卻器，完成一個閉式循環；高溫循環時，載冷劑冷卻器不工作，載冷劑在加熱器中被加熱，依次流經主輔熱沉、循環泵、載冷劑冷卻器，再回到載冷劑加熱器，完成閉式循環。此流程中，通過控制載冷劑流量與冷卻器及加熱器溫度，控制載冷劑溫度，從而對熱沉溫度進行調節，加熱制冷系統采用水冷型的壓縮機制冷，通過高效換熱器，提供所需的制冷與加熱功率。在循環過程中，由于溫度變化會引起管路壓力變化，因此設置載冷劑緩沖容器，可以有效的減緩這種由于溫度變化所引起的管路壓力不穩定。

付春雨等[7]介紹了一種用寬溫區導熱油作載冷劑的調溫熱沉流程，如圖3所示，可用于在-80℃～+150℃溫度內的熱沉調溫。系統主要由載冷劑儲槽、電加熱器、復疊式制冷機、循環泵、溫度測控系統等組成。高溫循環時，導熱油經過電加熱器加熱后通入熱沉，利用導熱油的對流和熱傳導對熱沉的溫度進行調控；低溫循環時，導熱油經復疊式制冷機預冷后通入熱沉，完成對熱沉的降溫。流程中，循環泵為導熱油的循環提供動力，可以通過進入熱沉的導熱油的流量和溫度實現對熱沉的精確控溫。

圖3 寬溫區導熱油調溫熱沉流程圖Fig.3 Wild temperature zone heat transfer oil temperature regulation heat sink process

2.2 回熱式氣體混合循環制冷加熱調溫流程

柏樹等[8]設計發明了一種回熱式氣體混合循環制冷加熱調溫流程，如圖4所示，該流程可實現對熱沉在-173℃～+200℃溫度范圍內的精確控溫。此流程采用氮氣或者干燥空氣作為循環工質對熱沉進行加熱或冷卻。高溫循環時，利用電加熱器加熱循環氣體，然后通入熱沉，流出熱沉的低壓高溫氣體與來自循環風機的常溫氣體換熱，溫度降至常溫，隨后進入循環風機增壓，再流經水冷換熱器中與冷卻水換熱，壓縮熱被冷卻水帶走，利用二通道回熱器對流出熱沉的高溫氣體的熱量進行回收，循環氣體溫度又升至與流出熱沉時相近的溫度，最后再經過電加熱器加熱進入熱沉。低溫循環時，流出熱沉的低壓低溫氣體進入二通道回熱器與從循環風機中來的增壓低溫氣體進行換熱，溫度升至常溫，然后流經循環風機增壓，增壓氣體進入水冷換熱器，壓縮熱被冷卻水帶走，循環氣體隨后進入二通道回熱器，對流出熱沉的冷量進行回收，循環氣體溫度又降至與流出熱沉時相近的溫度，最后進入液氮混合器，同時將液氮噴入液氮混合器，降低循環氣體溫度，再通入熱沉，對熱沉進行降溫。由于需不斷的向管路中注入液氮控制氣體溫度，管路壓力會不斷升高，因此，當壓力高于設定值時，通過氣體排空閥將多余的氣體排出，以維持管路壓力恒定。此流程通過使用二通道回熱器，對流出熱沉的冷量或著熱量進行回收，減少能量損耗，同時可使得循環風機在常溫下工作，增加循環風機的可靠性和穩定性。此流程已成功應用于多臺空間環模設備，如我國首臺大型方形高真空高精度光學遙感器空間試驗設備。在該設備中，氣氮調溫范圍為-60℃～+100℃，溫度均勻性≤5℃。

圖4 回熱式氣體混合循環制冷加熱調溫流程圖Fig.4 Regenerative gas mixing cycle temperature regulation process

2.3 開式沸騰熱沉調溫流程

何鴻輝等[9]介紹了用于某熱真空試驗設備的開式沸騰熱沉調溫系統，如圖5所示，該流程可使熱沉溫度在-120℃～+120℃區間內可調。

圖5 開式沸騰熱沉調溫流程圖Fig.5 Open boiling heat sink temperature regulation process

熱真空試驗設備的副熱沉穩定度約為±5℃，單點溫度穩定度在±3℃之間。其調溫流程如圖5所示，通過液氮儲罐提供流量可調的液氮和維持工質流動的壓力。液氮從液氮罐中流出，經過氣化器汽化后，流進儲氣罐，再依次流經流量控制閥、電加熱器、熱沉，最后由室外管路放空。此流程也可直接將液氮通入熱沉中，利用液氮的潛熱對熱沉降溫，此時熱沉最低溫可保持在-173℃左右。這種流程結構簡單、造價低廉、易操作，多用于小型環模設備中。對于大型設備，由于管路過長，開式沸騰調溫流程很難保證熱沉的溫度均勻性，且液氮消耗量較大。

3 結論

不同的流程具有不同的優缺點。使用導熱液流程的調溫熱沉具有熱沉溫度均勻性高、可快速升降溫、結構簡單的特點，但調溫范圍較小。使用酒精作為導熱液時，由于酒精的沸點低，易氣化，不能進行高溫調節。使用導熱油時，管路一旦泄露不利于清潔。導熱液流程適合用于中小型熱真空試驗設備。使用氣液氮流程的調溫熱沉，可實現的調溫范圍較寬，但流程相對較復雜，大型熱真空試驗設備中多采用此流程。在設計熱沉時，設計者需根據所要進行的試驗溫度區間以及設備尺寸大小，合理的選擇相應的流程。