杭滿福

（蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

衛(wèi)星及其航天器在進入空間軌道飛行階段后，長期處于真空和冷黑的空間環(huán)境中，同時接受空間外熱流與衛(wèi)星內(nèi)部熱流的共同影響。空間環(huán)境模擬設(shè)備是為了在地面模擬太空的“冷黑”、“高真空”和“外熱流”等環(huán)境而研制的一種大型多功能綜合設(shè)備，是衛(wèi)星及其航天器等在地面進行各種性能、可靠性和長壽命試驗的關(guān)鍵設(shè)備[1～7]。

大熱流內(nèi)仿形模擬器設(shè)計正是用于空間環(huán)境模擬試驗，用來模擬衛(wèi)星部件在空間環(huán)境下瞬間受到自身內(nèi)部產(chǎn)生的大熱流輻射效應(yīng)。由于模擬輻射熱流密度最大達到500 kW/m2，模擬輻射面積為1 m2，總加熱功率取1.1倍的富裕系數(shù)，其設(shè)計為555 kW，且整個模擬加熱器安裝于衛(wèi)星部件的局限錐形內(nèi)腔內(nèi)，故與通?？臻g外熱流模擬所采用的太陽模擬方法和紅外模擬方法相比較，具有模擬輻射熱流密度大，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測控難度高等特點。

2 大熱流內(nèi)仿形模擬器的組成

本模擬器的設(shè)計主要由內(nèi)仿形石墨加熱器、熱流計、電源及其控制系統(tǒng)組成。

2.1 石墨加熱器

內(nèi)仿形石墨加熱器采用石墨作為發(fā)熱體，其優(yōu)點是在真空下使用溫度范圍廣，加工容易，可根據(jù)衛(wèi)星部件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進行仿形設(shè)計。據(jù)有關(guān)資料顯示，在真空環(huán)境下，石墨在100 K至2 400 K的溫度范圍內(nèi)宜選用多晶材料。石墨具有一定的強度；且隨溫度的變化，電阻率變化很小；石墨的熱導(dǎo)性能也很好。所以選用石墨多晶材料作為本模擬器的發(fā)熱體是合適的。

為了提高模擬器對衛(wèi)星部件內(nèi)型面的熱流分布均勻度，將石墨加熱器輻射面積1 m2按上、中、下3個等面積平均分配，設(shè)計為三層不同規(guī)格尺寸的發(fā)熱體，由上往下依次為三層加熱器、二層加熱器、一層加熱器。石墨加熱器總功率設(shè)計為555 kW，每層加熱功率為185 kW，單相連接，三層加熱器設(shè)計取相同的表面負荷，用以控制輻射熱流的方向和均勻度。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)參見圖1。

圖1 加熱器結(jié)構(gòu)

三層加熱器對應(yīng)由三層石墨托盤通過陶瓷絕緣柱安裝固定。6根石墨電極位于整個加熱器的中心部位，呈六邊形分布，參見圖2。石墨托盤由6根石墨電極通過石墨螺母和陶瓷絕緣環(huán)絕緣支撐，可有效防止真空低溫下啟動加熱時，發(fā)熱體、石墨托盤及陶瓷件受強冷熱沖擊碎裂。整個加熱器組件安裝在由石墨隔熱層、金屬底板、瓷環(huán)組成的具有隔熱作用的隔熱平臺上。石墨電極通過隔熱平臺底部引出與外控制電路連接。

每層加熱器的設(shè)計符合試驗衛(wèi)星部件的內(nèi)部型面錐度，加工方法采用整體加工成形，參見圖3。

圖2 石墨電極位置結(jié)構(gòu)

圖3 單層加熱器結(jié)構(gòu)

2.2 熱流計

熱流計用來測量石墨加熱器表面輻射或接受試驗衛(wèi)星部件表面吸收的熱流密度。本模擬器的功率輸出根據(jù)熱流計實際測得的石墨加熱器表面輻射熱流密度進行控制。熱流計一般分為光電型和熱型兩類。光電型熱流計具有響應(yīng)快，輸出信號大的特點，但它的光譜響應(yīng)窄，而且響應(yīng)隨波長而變化。熱型熱流計響應(yīng)速度較慢，信號輸出小，但它在較寬的波長范圍內(nèi)具有較均勻的光譜響應(yīng)，有利于測量輻射熱流。本模擬器設(shè)計選用熱型熱流計。熱流計處于真空、低溫的環(huán)境中，因受到石墨加熱器的表面輻射熱累積，溫度較高時對熱流計自身不利，通常采取冷卻措施。

2.3 電源及其控制系統(tǒng)

模擬器功率控制系統(tǒng)采用3組單相控制方式，選用控制精度為0.1%的智能化熱流（溫度）控制儀表，采用可控硅移相觸發(fā)方式來實現(xiàn)電壓的無級調(diào)節(jié)，從而達到功率控制的目的。功率控制系統(tǒng)框圖參見圖4。

圖4 功率控制系統(tǒng)框圖

熱流（溫度）控制儀表具有任選的PID參數(shù)，自調(diào)諧功能。其輸出4～20 mA電流信號給觸發(fā)單元，觸發(fā)單元把電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，其輸出電壓信號控制勵磁回路的直流電壓電流，從而控制磁調(diào)的電壓電流，保證了模擬器的功率控制功能。輸出電壓的范圍比較寬，一般為額定輸入電壓的0%～98%，具有軟啟動、軟關(guān)斷、恒流、限流以及缺相保護、負載短路保護、過流保護、過熱保護等功能。

3 與其他空間外熱流模擬方法的比較

采用由石英燈組成的紅外加熱陣的紅外模擬方法和采用金屬電阻片組成的紅外加熱籠的紅外模擬方法，最早并成熟應(yīng)用于模擬空間外熱流環(huán)境。這2種方法的不足之處在于模擬輸出功率及熱流密度相對較小，若繼續(xù)增大輻射熱流密度，則模擬器的使用壽命大大縮短，且不能模擬動態(tài)熱環(huán)境和提供異型空間內(nèi)的熱流輻射模擬效應(yīng)。

另一類空間外熱流模擬方法是采用太陽模擬器，主要用來研究太陽輻射在衛(wèi)星上產(chǎn)生的光譜能量效應(yīng)和熱效應(yīng)。通常模擬熱流密度為一個太陽常數(shù)，約為1～2 kW/m2。太陽模擬器技術(shù)復(fù)雜，研制成本高，裝調(diào)、操作與維護均十分困難，運行費用昂貴，能耗高并具有一定的危險性。

4 結(jié)論

以石墨作為發(fā)熱體的大熱流內(nèi)仿形模擬器實現(xiàn)了在空間模擬環(huán)境下、局部空間內(nèi)的大熱流輻射效應(yīng)，相對較好地實現(xiàn)了衛(wèi)星及其航天器熱環(huán)境的瞬變熱流模擬，可以實現(xiàn)衛(wèi)星及其航天器異型空間的局部熱流模擬效應(yīng)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，相信該種類型的大熱流異型模擬器將在空間環(huán)境模擬試驗中發(fā)揮更重要的作用。

［1］閻守勝，陸果.低溫物理試驗的原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

［2］達道安.真空設(shè)計手冊（3版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［3］徐成海.真空工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］王天泉.電阻爐設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

［5］柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，1993.

［6］毛根旺，唐金蘭.航天器推進系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［7］達道安，談治信.中國航天器真空技術(shù)的進展[J].真空與低溫，2001，7（4）：187～193.