寬范圍熱流密度絲狀加熱裝置的設計仿真與試驗研究

關 陽，季 琨，王 飛，王曉占，汪新舜，羅 威，劉昌鵬，唐偉峰

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

單機及部組件級的熱平衡試驗是驗證航天器熱設計和熱分析模型，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。

帶狀加熱籠實現超低外熱流模擬時需設置一個很低的遮擋率，但其在低遮擋率下難以實現高熱流密度的模擬，且高溫下加熱帶易變形，表面的高發射率涂層易揮發污染物。絲狀加熱籠多為貼壁式，可實現寬范圍的外熱流模擬，且鎧裝加熱絲無污染、結構簡單、電氣安全，但無法根據產品表面的不同狀態進行高精度分區控制。紅外燈陣也可實現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品表面直接加熱，但需對產品表面狀態進行更改，且不適用于表面具有特殊狀態的產品。

為兼顧熱流密度的寬范圍、高精度、高穩定性、高均勻性和產品特殊表面狀態的不同試驗需求，滿足探月、行星探測等不同目的和型號的需求，本文設計研發了一種可實現寬范圍外熱流模擬的“隨形式”絲狀加熱裝置，根據產品的不同形狀和表面狀態進行設計，旨在滿足產品不同表面分區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計思路

1.1 基本布局設計

根據產品各表面的面積和最大到達熱流密度，可計算得到加熱絲對產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。

根據式(1)進行絲狀加熱裝置的布局設計，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。

根據目前試驗常用的850 W（150 V、5.6 A）程控直流電源的加熱能力，結合加熱絲的有效長度，可設計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

經計算，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700 ℃，能夠實現高熱流模擬。

1.2 仿真分析

使用FloEFD 軟件進行加熱絲熱輻射仿真分析，試驗條件設置為真空、環境溫度8 ℃，熱沉表面為黑漆，發射率為0.9；穩態工況，加熱絲的初始功率為125 W；加熱絲表面為光滑的不銹鋼，發射率為0.2；被加熱鋁蜂窩板發射率為0.5，鋁蜂窩板邊界為絕熱邊界。仿真經過2872 次迭代后結果收斂，全局及局部溫度測點波動均小于0.1 ℃。仿真模型和結果如圖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 試驗驗證

根據絲狀加熱裝置仿真驗證的參數和結果加工了一套絲狀加熱裝置樣件，通過試驗進一步驗證其熱流穩定性和均勻性，其中加熱絲的尺寸、密度、表面狀態、功率等參數，被加熱鋁蜂窩板的尺寸、表面狀態等參數以及空間環境試驗條件均與仿真所用的保持一致。試驗實測的被加熱鋁板溫度曲線如圖4 所示，圖中的13 個測溫點（1#～13#）是根據鋁板尺寸和加熱絲的分布情況布置的，主要監測絲下、絲間溫度以及鋁板邊緣位置的溫度。

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

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

2 應用案例

某試驗產品需通過真空熱試驗考核其熱控設計的正確性和工藝結構的合理性，在試驗中產品各個表面要求的到達熱流密度不同，最小約為25 W/m，最大約為400 W/m；且該產品尺寸緊湊，形狀不規則，表面分區復雜，表面狀態難以更改，傳統的加熱裝置難以在實現低熱流模擬的同時保證各個表面的溫度均勻性良好。因此，進行該試驗的外熱流模擬方案設計時，選用基于鎧裝加熱絲的絲狀加熱裝置進行外熱流的模擬。

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

圖5 產品被加熱表面區域劃分示意Fig. 5 Division of product heated surface area

其次，根據絲狀加熱裝置各加熱區域內加熱絲的實際長度和阻值情況，將絲狀加熱裝置分為11 個加熱回路，與產品被加熱表面的11 個區域一一對應，參見圖6。由外熱流控制軟件對各加熱區域單獨的程控直流電源分別進行PID 控制，最終實現產品被加熱表面不同區域不同熱流密度的模擬。

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

根據產品被加熱表面各區域的不同情況，在指定位置布置絕熱型熱流計，作為各區域PID 溫度控制的對象。在空間足夠的前提下，可將部分區域的熱流計設置為一主一備，在增強試驗可靠性的同時，也對該套絲狀加熱裝置的熱流均勻性進行考核。

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

圖7 絲狀加熱裝置實物Fig. 7 The filament heating device

本次真空熱試驗運行時間共計7 天，試驗中的各項參數和指標均滿足試驗技術要求，在試驗過程中設備真空度均優于1.3×10Pa，熱沉四周及底部溫度均不高于100 K。

試驗過程中，產品表面的到達熱流密度根據試驗實際情況有所調整，熱流計溫度曲線如圖8 所示，最低溫度為-123.285 ℃，對應熱流密度為28.60 W/m；最高溫度為1.445 ℃，對應熱流密度為322.37 W/m，滿足試驗技術要求。當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 內發生響應，對應熱流計溫度在隨后的1 min 中變化顯著；且在各工況開始保持平衡狀態后，各熱流計溫度波動均在±0.698 ℃以內，溫度控制精度均在±0.328 ℃以內，滿足試驗技術要求。

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

試驗同時對該套絲狀加熱裝置的熱流均勻性進行考核，在試驗進行到工作工況時，區域5 的PID控制目標溫度設為-45.35 ℃，該區域內布置的主/備2 個熱流計的溫度曲線如圖9 所示?？梢钥吹饺囼炦^程中的最大溫差為1.4 ℃，對應熱流密度偏差為3.79 W/m，熱流的不均勻度為2.48%，滿足試驗技術要求。

圖9 區域5 熱流計溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of the heat flow meter for area 5

試驗結果顯示，產品被加熱表面各區域內的熱流密度均滿足試驗要求，且熱流控制穩定，均勻性良好，驗證了本文設計思路和方案的正確性。

3 應用探討

3.1 熱模擬準確性

如圖5 所示，在本應用案例中，產品的區域A和區域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域進行加熱，根據角系數原理和試驗結果顯示，該區域對來自絲狀加熱裝置的熱干擾不敏感。

如需進一步減少熱干擾，則可在不需被加熱的產品部位設計反射罩或隔熱屏等裝置。

3.2 加熱效率

根據試驗結果反推，當區域5 的絲狀加熱裝置功率為17.88 W 時，產品表面熱流計的溫度為-83.34 ℃，對應熱流密度為73.60 W/m，根據本分區面積可知，到達熱輻射功率為6.11 W，加熱效率為34.17%。

如需繼續提高加熱效率，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 試驗安全性

在試驗安全性方面，可在加熱絲表面設置耐高溫熱電偶來監測加熱絲的表面溫度。由于加熱絲受外界干擾小，可根據摸底試驗及工程經驗得到電流與加熱絲表面溫度之間的對應關系，在實際試驗中通過合理設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現“通/斷”控制，以進一步降低控制難度，通過低成本大型電源集中供電實現資源優化利用。

3.5 瞬態特征

絲狀加熱裝置熱容較大，與燈陣相比，瞬態特征不明顯，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，改善其瞬態特性。

4 結束語

通過所設計的“隨形式”絲狀加熱裝置在真空熱試驗中的實際應用，得到以下結論：

1）基于現有鎧裝加熱絲技術的成熟性和可靠性，該套絲狀加熱裝置理論上可以在20～1500 W/m的范圍內實現熱流密度可調，滿足部分型號產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，響應速度在2 s 以內，對產品各個目標溫度的控制準確性及穩定性良好，平衡溫度波動均小于±0.7 ℃，控溫精度優于±0.35 ℃。

3）該套絲狀加熱裝置在試驗平衡階段控溫時，產品各表面的熱流不均勻度優于2.5%。

后續擬進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（盡量包含邊緣點和中心點）以獲得更全面的均勻性測量結果。