唐小偉

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的集成度越來越高，功能越來越復(fù)雜，隨之帶來的熱量耗散問題也就越來越嚴(yán)重。對(duì)于飛行器設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)裝置等對(duì)環(huán)境溫度極為敏感的精密機(jī)電一體化關(guān)鍵設(shè)備，環(huán)境溫度將直接影響其工作精度。慣導(dǎo)內(nèi)的陀螺在工作過程中，陀螺漂移的穩(wěn)定性與溫度之間存在很大關(guān)聯(lián)，慣性器件溫度的敏感性和平臺(tái)內(nèi)溫度場(chǎng)都將對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響。平臺(tái)溫度場(chǎng)不均勻?qū)⒂绊懫脚_(tái)支架的幾何尺寸，從而影響慣性系統(tǒng)的工作精度。陀螺儀中撓性支撐桿的彈性模量隨著溫度的變化將會(huì)引起陀螺漂移變化。總而言之，溫度的上升或者溫度的大幅度波動(dòng)都會(huì)引起陀螺漂移和平臺(tái)系統(tǒng)工作精度的變化[1]。為了減少溫度上升對(duì)慣性系統(tǒng)工作精度的影響，提高飛行器的命中精度，必須在飛行器封閉的設(shè)備艙內(nèi)進(jìn)行有效的環(huán)境溫度控制，以避免在飛行過程中不斷聚集的熱量引起環(huán)境溫度的過度升高。

2 開式節(jié)流制冷裝置的結(jié)構(gòu)及原理

開式節(jié)流制冷裝置是應(yīng)用于某飛行器前設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境溫度控制，它能夠?yàn)閼T導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備提供適宜的工作環(huán)境溫度。在飛行器發(fā)射前，部分電子設(shè)備已陸續(xù)開始工作。在飛行器發(fā)射時(shí)，前設(shè)備艙內(nèi)已經(jīng)聚集了一定的熱量。飛行器發(fā)射后，隨著飛行時(shí)間的增加，前設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境溫度會(huì)越來越高。如果在烈日等炎熱環(huán)境下貯存并準(zhǔn)備發(fā)射的飛行器，受環(huán)境溫度的影響，飛行器在發(fā)射時(shí)，前設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度已能達(dá)到相當(dāng)高的程度，因此有必要為飛行器前設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行環(huán)境溫度控制。

當(dāng)飛行器前設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到一定程度后，開式節(jié)流制冷裝置自動(dòng)開啟工作，將慣導(dǎo)周圍的工作環(huán)境冷卻，待溫度降低后開式節(jié)流制冷裝置停止制冷工作，完成一個(gè)降溫循環(huán)。隨后由于各種設(shè)備的繼續(xù)工作，熱量又不斷得以累積，慣導(dǎo)周圍的環(huán)境溫度又重新逐步升高，開式節(jié)流制冷裝置便開始下一個(gè)制冷循環(huán)。通過開式節(jié)流制冷裝置不斷的反復(fù)開關(guān)工作，使慣導(dǎo)在飛行器飛行全程中始終處于適宜的環(huán)境溫度之內(nèi)。

開式節(jié)流制冷裝置利用了開式節(jié)流制冷效應(yīng)進(jìn)行工作。存儲(chǔ)于制冷劑貯瓶內(nèi)的高壓液態(tài)制冷劑通過節(jié)流組件時(shí)，高壓液態(tài)制冷劑的流速與壓力顯著下降，液態(tài)制冷劑極易產(chǎn)生體積膨脹，隨后通過蒸發(fā)組件變?yōu)闅鈶B(tài)，完成相變過程，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。其工作原理如圖1所示，對(duì)于開式節(jié)流制冷系統(tǒng)，制冷劑從狀態(tài)1開始節(jié)流降壓至狀態(tài)2，隨后等溫等壓汽化至狀態(tài)3，并完全轉(zhuǎn)化為氣態(tài)工質(zhì)，3－4為等壓升溫過程，因此開式節(jié)流制冷效應(yīng)中冷量包括2－3過程中的液體汽化潛熱和3－4過程中氣態(tài)工質(zhì)等壓升溫吸熱兩部分[2]。同其他制冷方式相比，開式節(jié)流制冷的特點(diǎn)是沒有任何運(yùn)動(dòng)部件（無壓縮機(jī)），因此結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，對(duì)于短時(shí)間內(nèi)的制冷，開式節(jié)流制冷效應(yīng)是最佳方案。

圖1 制冷過程壓焓圖

用于飛行器前設(shè)備艙慣導(dǎo)環(huán)境溫度控制的開式節(jié)流制冷裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，高壓制冷劑長期貯存于貯瓶1中，工藝閥2用于制冷劑的加注，電磁閥3控制制冷劑流動(dòng)，溫控儀5用于電磁閥控制，溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)艙內(nèi)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度并給溫控儀提供溫度信號(hào)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到溫度設(shè)定上限時(shí)，溫控儀控制電磁閥開啟工作，高壓制冷劑由節(jié)流組件4節(jié)流膨脹后通過蒸發(fā)器6膨脹產(chǎn)生制冷效應(yīng)而使周圍環(huán)境溫度降低。當(dāng)艙內(nèi)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度低于溫度設(shè)定下限時(shí)，溫控儀關(guān)閉電磁閥，制冷劑停止流動(dòng)，制冷效應(yīng)消失。由于慣導(dǎo)及其他負(fù)載的繼續(xù)工作，周圍環(huán)境溫度很快隨之上升，當(dāng)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度再次升高到開啟溫度點(diǎn)時(shí)該裝置開始工作，如此循環(huán)，滿足慣導(dǎo)的溫控指標(biāo)要求。

圖2 開式節(jié)流制冷裝置方案及工作原理

3 開式節(jié)流制冷裝置性能分析

對(duì)于慣導(dǎo)等對(duì)環(huán)境溫度極為敏感的關(guān)鍵設(shè)備，其工作環(huán)境溫度必須穩(wěn)定，首先是溫度上限不能過高，其次是溫度波動(dòng)度不能太大。由于開式節(jié)流制冷方式制冷功率大，因此必須結(jié)合蒸發(fā)器與慣導(dǎo)的相對(duì)安裝位置確定合理的溫度上下限（即降溫區(qū)間），這樣既要保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不能過高，又要保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不能過低（溫度波動(dòng)度不能過大），合理的降溫區(qū)間直接影響制冷劑的消耗量與制冷效果。

熱性能試驗(yàn)是檢測(cè)與驗(yàn)證開式節(jié)流制冷裝置性能的主要環(huán)節(jié)，通過環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)密閉的模擬設(shè)備艙（內(nèi)裝有各種模擬熱負(fù)載）模擬實(shí)際工況下的熱性能試驗(yàn)。模擬設(shè)備艙應(yīng)盡可能真實(shí)的模擬實(shí)際工作中設(shè)備艙內(nèi)的復(fù)雜熱環(huán)境，它由各種模擬熱負(fù)載、熱沉、對(duì)流發(fā)生器、溫度監(jiān)測(cè)裝置等部分組成[3]。將開式節(jié)流制冷裝置放進(jìn)模擬設(shè)備艙內(nèi)，按時(shí)間先后順序開啟各種模擬熱負(fù)載進(jìn)行熱性能試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段：

1）升溫階段：調(diào)節(jié)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度，并按照飛行器實(shí)際加電順序先后開啟各種模擬熱負(fù)載。

2）保溫階段：由于熱容的存在，需要一定的保溫時(shí)間將試驗(yàn)中各個(gè)設(shè)備熱透。

3）性能試驗(yàn)階段：開式節(jié)流制冷裝置加電工作，模擬實(shí)際熱工況進(jìn)行降溫性能試驗(yàn)。

當(dāng)性能試驗(yàn)階段開始后，在各種模擬熱負(fù)載的作用下，模擬設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度迅速上升。當(dāng)溫度升高到溫控儀設(shè)定的溫度上限后，開式節(jié)流制冷裝置開始工作。由于電磁閥開啟時(shí)溫控儀需要提供較大的電流，因此從溫控儀的工作電流可以清晰反映出所對(duì)應(yīng)的每一次制冷循環(huán)（如圖3所示）。

圖3 溫控儀工作電流-時(shí)間圖

開式節(jié)流制冷裝置開啟工作后，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生明顯變化，艙內(nèi)各點(diǎn)基本都能反映出由于降溫所帶來的溫度變化，因此，開式節(jié)流制冷裝置制冷效果非常明顯。一般來講，與蒸發(fā)器距離越近，溫度變化越明顯，溫度變化區(qū)間越大，為了保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)，需要結(jié)合蒸發(fā)器與慣導(dǎo)安裝的相對(duì)位置確定合理的溫度上下限。

圖4 慣導(dǎo)附近溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)-時(shí)間圖

圖4為慣導(dǎo)附近溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線，該曲線可以反映出開式節(jié)流制冷裝置能夠有效的避免慣導(dǎo)環(huán)境溫度的持續(xù)升高。圖5為蒸發(fā)器附近的溫度變化曲線，雖然蒸發(fā)器附近的降溫幅度較大，但是由于艙內(nèi)熱環(huán)境的復(fù)雜性及相對(duì)安裝位置的影響，其作用于慣導(dǎo)周圍環(huán)境的能力還是有限的（防止慣導(dǎo)周圍溫度波動(dòng)度過大），這同時(shí)又決定了溫控儀控溫上下限的設(shè)定范圍，這樣才能夠保證慣導(dǎo)周圍的環(huán)境溫度在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)變化，不會(huì)產(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)。圖6為前設(shè)備艙內(nèi)距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處無對(duì)流區(qū)域環(huán)境溫度變化曲線，雖然距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處溫度有整體逐步上升的趨勢(shì)，但它仍然能夠反映出每一個(gè)降溫循環(huán)所帶來的影響。整體來說，開式節(jié)流制冷裝置能夠有效的保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不再持續(xù)升高，并將其控制在一個(gè)比較小的溫度變化范圍之內(nèi)。由于開式節(jié)流制冷裝置利用了工質(zhì)的開式節(jié)流相變制冷原理，不存在壓縮機(jī)，因此在制冷過程中不帶來任何熱效應(yīng)，它能夠有效的將艙內(nèi)慣導(dǎo)及其他設(shè)備的環(huán)境溫度控制在一定范圍之內(nèi)。

圖5 蒸發(fā)器附近溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)-時(shí)間圖

圖6 距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處無對(duì)流區(qū)域溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)-時(shí)間圖

4 結(jié)論

開式節(jié)流制冷裝置將開式節(jié)流制冷效應(yīng)成功的運(yùn)用于飛行器前設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備的環(huán)境溫度控制，在質(zhì)量大小及電源功率要求嚴(yán)格的情況下，能夠有效的解決關(guān)鍵設(shè)備短期內(nèi)的溫度控制問題。

[1]孫謙，謝玲.精密溫控對(duì)慣性導(dǎo)航平臺(tái)系統(tǒng)性能的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22：379～382.

[2]閆春杰，潘雁頻，霍英杰，等.R22液體蒸發(fā)冷卻裝置研制[J].真空與低溫，2007，13：193～195.

[3]陳正剛，潘雁頻，閆春杰，等.某飛行器開式節(jié)流制冷裝置試驗(yàn)分析[J].真空與低溫，2007，13：281～283.