低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)與絕熱性能研究＊

孟國亮，牛小亮，解 浩，秦娟娟，黃 波

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518；3.中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司，甘肅 慶陽 745000）

1 引言

深空探測(cè)中，低溫推進(jìn)劑因其比沖高、無污染而廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭，能有效減小探測(cè)器系統(tǒng)規(guī)模和載荷重量，節(jié)約成本。然而低溫推進(jìn)劑沸點(diǎn)低，在深空惡劣熱環(huán)境中容易受熱蒸發(fā)汽化，使低溫貯箱內(nèi)壓力過大而引起容器結(jié)構(gòu)損壞，當(dāng)壓力增大到一定值時(shí)需要排放掉汽化后的推進(jìn)劑，在微重力下運(yùn)行時(shí)，氣體排放會(huì)在降低推進(jìn)劑利用率的同時(shí)影響探測(cè)器的飛行姿態(tài)[1]。為減小推進(jìn)劑受熱蒸發(fā)汽化，實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑長期在軌儲(chǔ)存，需要降低外界環(huán)境對(duì)低溫貯箱的漏熱，而在低溫貯箱總漏熱中，通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量占到主要部分[2]。

為了減小低溫貯箱通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量，國內(nèi)外學(xué)者展開大量研究，其中雒慧云[3]在長壽命杜瓦支撐設(shè)計(jì)中，對(duì)杜瓦支撐系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化；朱建炳和潘雁頻[4]在星載輻射制冷器支撐帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了支撐帶的性能試驗(yàn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)；劉康[5]在纖維復(fù)合材料低溫強(qiáng)沖擊適用性研究中，進(jìn)行了特種低溫液體儲(chǔ)運(yùn)容器支撐結(jié)構(gòu)與材料的研究。美國NASA機(jī)構(gòu)提出的支撐帶、折疊管、被動(dòng)在軌非連接支撐桿等低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)，因其低漏熱、高強(qiáng)度及高抗振等性能，在深空探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。目前，國內(nèi)對(duì)這3種支撐結(jié)構(gòu)的研究很少，尤其是對(duì)優(yōu)化后的被動(dòng)在軌非連接支撐PODS-IV的研究幾乎為零。文章擬對(duì)支撐帶、折疊管和被動(dòng)在軌非連接支撐等3種支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，分析各種結(jié)構(gòu)的支撐性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過對(duì)PODS-IV傳熱路徑分析，計(jì)算不同工況下支撐結(jié)構(gòu)的熱阻與漏熱量，探究PODS-IV的絕熱性能，為進(jìn)一步優(yōu)化其支撐性能提供技術(shù)參考。

2 低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用原則

在探測(cè)器工作過程中，支撐結(jié)構(gòu)必須具有良好的支撐性能，影響低溫貯箱支撐性能的因素主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)材料。為保證支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求和漏熱要求，首先需要支撐結(jié)構(gòu)具有良好的設(shè)計(jì)，能滿足在常溫和低溫不同溫度之間支撐的性能要求，能夠承受發(fā)射時(shí)沖擊振動(dòng)載荷，保證在運(yùn)行過程中剛度和機(jī)械強(qiáng)度要求；其次支撐材料要具有較低的熱導(dǎo)率，在保證強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上將漏熱量減到最小。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

作為低溫貯箱支撐的關(guān)鍵部件之一，支撐結(jié)構(gòu)不僅要能滿足在深空探測(cè)器發(fā)射階段和在軌階段運(yùn)行時(shí)，惡劣環(huán)境對(duì)強(qiáng)度和抗震性能的要求，而且要能有效減小外界通過支撐結(jié)構(gòu)對(duì)貯箱的漏熱量。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循以下原則：

（1）足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗震性能：能承受工作過程中的沖擊振動(dòng)等載荷；

（2）良好的絕熱性能：能有效降低外界環(huán)境通過支撐結(jié)構(gòu)傳遞到低溫貯箱的漏熱；

（3）較輕的結(jié)構(gòu)重量：材料的選擇要輕量化，在滿足支撐性能要求的前提下，降低系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)重量；

（4）較高的可靠性：保證在工作過程中支撐結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能安全可靠。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)材料選擇用原則

材料選用時(shí)，常用λ/σ（導(dǎo)熱系數(shù)/強(qiáng)度）、λ/E（導(dǎo)熱系數(shù)/模量）、σ/ρ（強(qiáng)度/密度）和E/ρ（模量/密度）等參數(shù)表征材料的性能，λ/σ（導(dǎo)熱系數(shù)/強(qiáng)度）和λ/E（導(dǎo)熱系數(shù)/模量）越小，表示材料的熱傳導(dǎo)的漏熱量越小；σ/ρ（強(qiáng)度/密度）和E/ρ（模量/密度）越高表明，則表示材料重量越輕[7]。根據(jù)低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)的支撐屬性和設(shè)計(jì)要求，支撐材料在滿足剛度和機(jī)械強(qiáng)度要求的同時(shí)，盡可能選用λ/σ（導(dǎo)熱系數(shù)/強(qiáng)度）和λ/E（導(dǎo)熱系數(shù)/模量）較小的材料以降低低溫貯箱通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量；選用σ/ρ（強(qiáng)度/密度）和E/ρ（模量/密度）較大的材料以降低支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量；在設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，可針對(duì)常溫和低溫不同溫度區(qū)間進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，結(jié)合不同支撐元件選用不同材料，利用各種材料的不同屬性，最大程度地發(fā)揮材料在不同溫度區(qū)間內(nèi)的優(yōu)勢(shì)，降低漏熱量和支撐結(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的絕熱效果和可靠性。據(jù)此，對(duì)低溫貯箱支撐時(shí)，金屬材料可選用奧氏體不銹鋼、殷鋼等；非金屬可選用S玻璃纖維環(huán)氧樹脂、石墨纖維環(huán)氧樹脂等作為支撐結(jié)構(gòu)材料，材料屬性見表1[8]。

3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與應(yīng)用

針對(duì)低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度與漏熱等支撐性能要求，目前低溫系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的支撐結(jié)構(gòu)主要有支撐帶，折疊管和被動(dòng)在軌非連接支撐等，下面結(jié)合這3種支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 支撐帶

支撐帶通常是由纖維絲樹脂復(fù)合材料繞型芯軸按單向纏繞，兩端配合繞線軸組合而成，結(jié)構(gòu)呈跑道型，如圖1所示，纖維絲單向纏繞提高了其縱向強(qiáng)度與剛度。支撐帶整體結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)小，具有較高的絕熱性能和較強(qiáng)的抗振性能，在對(duì)低溫貯箱進(jìn)行支撐時(shí)只能承載拉伸載荷，主要用于核磁共振及航天等領(lǐng)域。在進(jìn)行支撐安裝時(shí)，為了平衡支撐帶在常溫和低溫結(jié)構(gòu)之間的受力，通常在低溫貯箱軸對(duì)稱位置以不同角度采用線軸或承載銷安裝6～8個(gè)支撐帶，保證每個(gè)支撐帶受力均勻，以免影響低溫貯箱支撐形態(tài)和因受力不均而引起失效。美國圣巴巴拉研究中心（SBBC）為資源衛(wèi)星主題熱像儀（TM）及荷蘭FOKKER公司為地球遙感衛(wèi)星（ESA）研制的兩級(jí)拋物面型輻射制冷器級(jí)間支撐均成功地應(yīng)用了張力型支撐帶。

圖1 支撐帶

3.2 折疊管

折疊管主要由3個(gè)小直徑同軸薄壁圓柱管與桿端配件組合而成，3個(gè)同軸薄壁圓柱管與桿端連接件之間用環(huán)氧樹脂黏結(jié)，如圖2所示，其中，左端為折疊管冷端部分，TC表示折疊管的冷端面；右端為折疊管熱端部分，TH表示折疊管的熱端面，管1材料選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，管2、管3采用S-玻璃環(huán)氧樹脂材料，左端楔形環(huán)采用殷鋼材料，其余配件選用奧氏體不銹鋼。在折疊管左端，鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)之間存在一定的間隙，管1、管2通過環(huán)氧樹脂與楔形殷鋼環(huán)粘結(jié)在一起，L3表示冷端面TC到管1、管2左端面之間的距離；在折疊管右端，管2、管3也通過環(huán)氧樹脂與連接配件粘結(jié)，管2、管3連接配件與管1連接配件之間設(shè)置一定的間隙。當(dāng)折疊管兩端受到壓力時(shí)，管2和管3被壓縮，發(fā)生彈性形變，此時(shí)折疊管左端鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)接觸，載荷通過楔形殷鋼環(huán)傳遞，3個(gè)同軸薄壁圓柱管同時(shí)起到支撐作用，增強(qiáng)了折疊管的支撐性能；當(dāng)兩端壓力消失后，管2、管3恢復(fù)原狀，鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)分離，折疊管的傳熱路徑延長為原來的3倍，降低了漏熱量，增強(qiáng)了折疊管的絕熱性能。兩端的球面軸承確保其只承受軸向載荷，不承受彎曲載荷。兩端受力狀態(tài)不同時(shí)，折疊管內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，從而增強(qiáng)了折疊管的支撐性能和絕熱性能。相比較于支撐帶，折疊管具有更大的支撐強(qiáng)度。

圖2 折疊管

3.3 被動(dòng)在軌非連接支撐

被動(dòng)在軌非連接支撐主要由左端冷端部分和右端熱端部分組成，如圖3所示。其中，發(fā)射管和在軌管選用S-玻璃環(huán)氧樹脂，接觸桿和冷端體等選用奧氏體不銹鋼。在PODS冷端，沿軸線方向接觸桿與接觸螺母和冷端體均有一定間隙，未發(fā)生接觸，處于分離狀態(tài)。在不同工作階段，隨PODS兩端受力狀態(tài)不同，接觸桿與接觸螺母和冷端體的接觸狀態(tài)也不同，從而使其具有被動(dòng)分離特征[9]。具體來說：在深空探測(cè)器發(fā)射階段，PODS兩端受到較大軸向力，在軌管發(fā)生彈性變形，接觸桿與接觸螺母或冷端體發(fā)生接觸，載荷傳遞路徑直接由冷端體傳遞到接觸桿，此時(shí)PODS結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的支撐性能；在軌階段，PODS兩端軸向力消失，在軌管恢復(fù)原狀，接觸桿與接觸螺母或冷端體再度分離，實(shí)現(xiàn)了PODS的被動(dòng)在軌分離特征，此時(shí)，傳熱經(jīng)過在軌管，延長了傳熱路徑，PODS結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的絕熱性能。通過被動(dòng)分離特征，實(shí)現(xiàn)了在探測(cè)器不同飛行階段，PODS具有不同的支撐性能與支撐特點(diǎn)。

圖3 被動(dòng)在軌非連接支撐

然而在軌階段，受氣冷屏收縮及絕熱層重量等因素影響，PODS發(fā)射管會(huì)受到側(cè)向力作用，導(dǎo)致接觸桿與接觸螺母或冷端體發(fā)生接觸，此時(shí)熱載荷直接由冷端體傳遞到接觸桿，傳熱路徑不經(jīng)過在軌管，造成熱短路。熱短路的發(fā)生縮短了傳熱路徑，降低了PODS的絕熱性能，增加了低溫貯箱的漏熱量。針對(duì)PODS在側(cè)向力作用下發(fā)生熱短路這一現(xiàn)象，通過研究員進(jìn)一步研發(fā)，提出了一種新的PODS-IV結(jié)構(gòu)[10]，如圖4所示，PODS-IV強(qiáng)化了支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)向力阻抗性能，一定受力范圍內(nèi)避免了熱短路的發(fā)生。

圖4 PODS-IV

PODS-IV結(jié)構(gòu)是在PODS冷端增加了一個(gè)纖維絲結(jié)構(gòu)[10]，如圖5所示，在接觸螺母外表面固定安裝一個(gè)繞線支撐環(huán)，接觸桿上安裝一個(gè)可滑動(dòng)的頸圈，用纖維絲將繞線支撐環(huán)與頸圈連接，其中纖維絲選用S-玻璃環(huán)氧樹脂，繞線支撐環(huán)和頸圈選用奧氏體不銹鋼。當(dāng)PODS-IV受到側(cè)向力作用時(shí)，纖維絲沿受力方向發(fā)生彈性變形，在一定受力范圍內(nèi)平衡掉了側(cè)向力，增強(qiáng)了支撐結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向力阻抗性能，從而避免了熱短路的發(fā)生，進(jìn)而增強(qiáng)了支撐結(jié)構(gòu)的絕熱性能。PODS-IV結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大大減小了低溫貯箱通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量。

圖5 PODS-IV纖維絲結(jié)構(gòu)

4 PODS-IV支撐結(jié)構(gòu)絕熱性能分析

為了進(jìn)一步探究纖維絲對(duì)PODS-IV的絕熱性能影響，文章擬參考文獻(xiàn)[8]中PODS-IV結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)傳熱路徑進(jìn)行分析，并對(duì)其熱阻與漏熱量進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)分別對(duì)發(fā)生熱短路時(shí)和未發(fā)生熱短路時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的漏熱進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果探究PODS-IV的支撐性能。

4.1 PODS-IV傳熱路徑分析

在軌運(yùn)行階段，當(dāng)?shù)蜏刭A箱受到惡劣的外界環(huán)境及溫差變化時(shí)，貯箱內(nèi)氣冷屏?xí)赑ODS-IV發(fā)射管上引起側(cè)向力，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，從而使接觸桿與冷端體發(fā)生接觸，此時(shí)傳熱路徑如圖6中（a）所示，熱載荷從熱端部分經(jīng)過發(fā)射管直接傳遞到了冷端部分，傳熱路徑不經(jīng)過在軌管，支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生熱短路，熱短路現(xiàn)象縮短了支撐結(jié)構(gòu)的傳熱路徑，增加了系統(tǒng)通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量。當(dāng)通過增加纖維絲結(jié)構(gòu)避免熱短路現(xiàn)象以后，PODS-IV主要傳熱路徑如圖6中（b）所示，熱載荷從熱端體經(jīng)過發(fā)射管傳遞到冷端體，再進(jìn)一步分解到在軌管和纖維絲上，隨后傳遞到冷端接觸桿，此時(shí)支撐結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生熱短路，傳熱路徑較長，總熱阻較大，能有效降低低溫貯箱通過支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量。

圖6 PODS-IV不同工況下的傳熱路徑

4.2 PODS-IV熱阻與漏熱量計(jì)算

為了分別探究在發(fā)生熱短路和未發(fā)生熱短路等不同工況下支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量，對(duì)傳熱路徑中熱阻及漏熱量進(jìn)行計(jì)算。其中發(fā)射管、在軌管及纖維絲選用S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂，其余零部件選用06Cr19Ni10不銹鋼，考慮到支撐結(jié)構(gòu)傳熱過程的幾何非線性和材料非線性等因素，針對(duì)主要熱阻元件發(fā)射管和在軌管，計(jì)算最惡劣的熱阻情況。根據(jù)下列公式分別計(jì)算發(fā)射管、在軌管及纖維絲等熱阻，以及通過支撐結(jié)構(gòu)在不同工況下的漏熱量Qs。其中，發(fā)射管和在軌管的熱阻可用式（1）計(jì)算：

式中：Lf為發(fā)射管管長，LO為在軌管管長，dO1為在軌管外徑，dO2為在軌管內(nèi)徑，df1為發(fā)射管外徑，df2為發(fā)射管內(nèi)徑。

表2給出了發(fā)射管和在軌管結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 主要熱阻元件設(shè)計(jì)參數(shù) （mm）

纖維絲總熱阻可用式（2）計(jì)算：

熱短路時(shí)支撐結(jié)構(gòu)主要熱阻為發(fā)射管熱阻Rf；未發(fā)生熱短路時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)主要熱阻為發(fā)射管熱阻Rf加在軌管熱阻RO與纖維絲熱阻RS的綜合熱阻，其增加熱阻部分ROS可用式（3）計(jì)算：

纖維絲共n=12根，半徑r=0.1 mm，纖維絲從繞線支撐環(huán)到頸圈長Ls=11 mm；S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.000 7 W/（mm·K）。通過設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)熱端溫度T1為300 K，冷端溫度T2為2 K，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量進(jìn)行計(jì)算。發(fā)生熱短路時(shí)的漏熱量可用式（4）計(jì)算：

未發(fā)生熱短路時(shí)的漏熱量可用式（5）計(jì)算：

通過計(jì)算可知，發(fā)射管的熱阻Rf=1.06×104K/W，在軌管熱阻為Ro=0.2478×104K/W，纖維絲總熱阻為Rs=3.0×106K/W。支撐結(jié)構(gòu)中發(fā)射管熱阻最大，起主要絕熱作用；在軌管熱阻次之，主要功能是在未發(fā)生熱短路時(shí)，其在發(fā)射管絕熱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量；纖維絲結(jié)構(gòu)熱阻最小，絕熱作用最弱，其主要功能是在發(fā)射管受到側(cè)向力時(shí)，起到側(cè)向力阻抗作用，避免熱短路的發(fā)生。在受到側(cè)向力情況下，支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生熱短路時(shí)的漏熱Qs1=0.028 1 W，未發(fā)生熱短路時(shí)的漏熱Qs2=0.022 9 W，纖維絲結(jié)構(gòu)使PODS-IV的絕熱性能提高了18.5%。

4.3 支撐結(jié)構(gòu)熱通量數(shù)值仿真計(jì)算

在側(cè)向力作用下，支撐結(jié)構(gòu)傳熱路徑與圖6所示的傳熱路徑保持一致，發(fā)生熱短路時(shí)，發(fā)射管的平均熱通量密度為-4.437×104W/mm2，熱量從冷端體傳遞到接觸桿，此時(shí)傳熱路徑不經(jīng)過纖維絲和在軌管，因此，在進(jìn)行熱通量計(jì)算時(shí)，將其結(jié)構(gòu)隱藏，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，此時(shí)發(fā)射管為主要熱阻元件，如圖7所示，支撐結(jié)構(gòu)平均熱通量密度為1.938 2×104W/mm2。未發(fā)生熱短路時(shí)，經(jīng)過發(fā)射管后的熱通量會(huì)進(jìn)一步分解到在軌管和纖維絲上，在軌管平均熱通量密度為-5.978 8×106W/mm2，纖維絲平均熱通量密度為-1.626 4×106W/mm2，仿真結(jié)果如圖8所示，此時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的平均熱通量為1.569 5×1044 W/mm2，計(jì)算可知，在纖維絲作用下，未發(fā)生熱短路時(shí)，PODSIV平均熱通量密度減少了0.368 7×104W/mm2，整體絕熱性能提高了19.02%，仿真分析結(jié)果比理論計(jì)算值18.5%略大，這是由于理論計(jì)算時(shí)，只計(jì)算了最惡劣情況下通過主要熱阻元件的熱通量，未考慮兩端支撐關(guān)節(jié)等其余元件的熱阻。據(jù)此可知纖維絲結(jié)構(gòu)顯著降低了支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量，有效提高了支撐結(jié)構(gòu)的絕熱性能。

5 結(jié)論

圖8 PODS-IV未發(fā)生熱短路時(shí)熱通量

針對(duì)低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度和低漏熱量等性能要求，闡述了目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于低溫貯箱的支撐結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)原則，介紹了支撐帶、折疊管以及被動(dòng)在軌非連接支撐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過分析PODS-IV在不同工況下的傳熱路徑，計(jì)算了主要絕熱元件的熱阻以及熱通量，并對(duì)不同工況下的熱通量密度進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果表明，纖維絲結(jié)構(gòu)有效提高了PODS-IV的整體絕熱性能19.02%，避免了熱短路的發(fā)生，增強(qiáng)了支撐結(jié)構(gòu)絕熱性能。