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        航天器組件可靠性試驗(yàn)溫度測(cè)控技術(shù)

        2012-11-28 02:23:18郭秀才于兆吉鄭會(huì)明楊力坡李樹鵬馬騰飛
        航天器環(huán)境工程 2012年1期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)箱變溫熱源

        郭秀才,于兆吉,鄭會(huì)明,楊力坡,李樹鵬,馬騰飛

        (北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京100094)

        0 引言

        進(jìn)行產(chǎn)品熱試驗(yàn)時(shí)通??刂频氖黔h(huán)境溫度,但是我國(guó)航天產(chǎn)品所依據(jù)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1027A—2005[1]和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求控制產(chǎn)品本身的溫度;而且,國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)箱生產(chǎn)廠家所制造的具有控制產(chǎn)品溫度功能的設(shè)備均為單路溫度控制,只能保證產(chǎn)品控溫點(diǎn)上的溫度滿足試驗(yàn)技術(shù)要求。

        在空間熱環(huán)境可靠性試驗(yàn)平臺(tái)包含的各種試驗(yàn)[2]特別是常壓熱試驗(yàn)中,試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場(chǎng)(尤其在變溫時(shí))并不均勻。此外,箱內(nèi)組件溫度控制點(diǎn)是在遠(yuǎn)離本身熱源的安裝腳上[3],該點(diǎn)溫度并不代表組件其他各部分的溫度。為了滿足組件變溫速率要求,環(huán)境溫度經(jīng)常高于組件幾十度[4],不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)造成組件局部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)試驗(yàn)技術(shù)要求所允許的溫度限制。這種局部溫度失控對(duì)某些電子、電工組件是極其危險(xiǎn)的,甚至?xí)斐山M件損壞。多個(gè)組件同箱同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),由于各自的質(zhì)量、幾何形狀和發(fā)熱量可能不同,在使用單路控溫方式進(jìn)行變溫時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如下情況:控大組件時(shí),小組件易超溫;控小組件時(shí),大組件易欠溫,且不知道超溫或欠溫的量值是否在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)組件在熱試驗(yàn)中出現(xiàn)故障后,對(duì)故障原因進(jìn)行分析時(shí)如不考慮上述因素,則不清楚故障是由組件本身所受的不均勻熱應(yīng)力所引起的,還是由局部溫度失控超過(guò)規(guī)定溫度限制所造成的。這就會(huì)使查找組件真正的故障原因變得困難,同時(shí)給保證航天器的可靠性和長(zhǎng)壽命埋下隱患。

        本文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究,旨在確保航天器組件在常壓溫試驗(yàn)中的安全和試驗(yàn)質(zhì)量。

        1 試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)均勻性試驗(yàn)研究

        選用容積約為1 000L的試驗(yàn)箱,利用UNIGRAPHICS軟件進(jìn)行物理建模,采用網(wǎng)格生成軟件 ANSYS ICEM CFD和溫度場(chǎng)計(jì)算分析軟件ANSYS CFX對(duì)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性進(jìn)行理論分析。在箱內(nèi)設(shè)置80個(gè)銅-康銅熱電偶測(cè)溫傳感器,對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量,并找出溫度差值最大的2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置。

        1.1 空載試驗(yàn)箱

        試驗(yàn)研究的溫度范圍設(shè)為-50~+80 ℃,這個(gè)溫度范圍覆蓋了大多數(shù)常壓熱循環(huán)試驗(yàn)的溫度上下限。

        通過(guò)對(duì)試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)均勻性的試驗(yàn)測(cè)量和分析,可以得出:

        1)恒溫階段溫度場(chǎng)瞬時(shí)最大溫差不超過(guò)2 ℃;

        2)變溫階段,隨著試驗(yàn)箱變溫速率的增大,溫度場(chǎng)的整體均勻性變差,溫差(Tmax?Tmin)最大達(dá)12 ℃;

        3)升溫階段溫度場(chǎng)中溫度值相差最大的位置為靠近箱門上半部和箱內(nèi)后壁上半部。

        1.2 帶負(fù)載試驗(yàn)箱

        將最大的模擬組件(300 mm×300 mm×300 mm)放在箱內(nèi),在距其50 mm以外的箱內(nèi),溫度場(chǎng)整體均勻性比沒(méi)有組件時(shí)的溫度場(chǎng)整體均勻性稍差,瞬時(shí)溫度最大差值約為2 ℃,可見負(fù)載對(duì)試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)均勻性的影響不大。

        2 試驗(yàn)箱中組件溫度試驗(yàn)研究

        溫度場(chǎng)均勻性在不同階段存在差異,因此組件本身的溫度也會(huì)在不同階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律。

        2.1 模擬組件及試驗(yàn)條件

        根據(jù)航天器組件的特點(diǎn),選取模擬組件邊長(zhǎng)分別為100 mm、200 mm和300 mm,外殼壁厚分別為1 mm、2 mm和3 mm,安裝腳為4個(gè),通電功率在幾十瓦內(nèi)可調(diào)。

        試驗(yàn)的溫度范圍選定為-50~+80 ℃,高低溫保持 1 h,變溫速率分別為 1 ℃/min、2 ℃/min、3 ℃/min和4 ℃/min。選定不同位置擺放組件,其在試驗(yàn)箱中的高度居中,并距箱內(nèi)壁>100 mm。

        每個(gè)模擬組件溫度測(cè)量點(diǎn)共10個(gè),4個(gè)布置在安裝腳處,其他6個(gè)分別設(shè)置在組件的6個(gè)面中心處。

        2.2 單組件溫度試驗(yàn)研究

        2.2.1 變溫速率的影響

        選取的模擬組件(邊長(zhǎng)300 mm、厚度1 mm)放置在試驗(yàn)箱中心位置,在不同的變溫速率下進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表1。

        表1 不同變溫速率下的組件溫度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of unit temperature test with different temperature transition rates

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,下面中心的溫度滯后多,對(duì)控制點(diǎn)的跟蹤性很差;變溫速率越大,試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)均勻性越差,組件溫度場(chǎng)均勻性也越差。試驗(yàn)中4 ℃/min升溫時(shí)組件溫度場(chǎng)均勻性最差。

        2.2.2 組件大小的影響

        1)組件越大,其安裝腳處和面中心的溫度場(chǎng)均勻性越差;

        2)所有階段均為上面和下面的中心溫差較大,邊長(zhǎng)300 mm的組件在升溫速率為4 ℃/min時(shí)達(dá)到25.16 ℃;不計(jì)下面溫度時(shí),上面和后面的中心溫差較大,邊長(zhǎng) 300 mm 的組件在升溫速率為 4 ℃/min時(shí)達(dá)到15.07 ℃。

        2.2.3 組件厚度的影響

        選取不同厚度的模擬組件(邊長(zhǎng)300 mm),試驗(yàn)變溫速率為4 ℃/min,將組件置于試驗(yàn)箱中心位置進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表2。

        表2 不同厚度組件的溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Thermal field test result for units of different thicknesses

        由表可知:

        1)組件越薄,其安裝腳處和面中心的溫度場(chǎng)均勻性越好;

        2)不同厚度組件,上面和下面的中心溫差較大,最大達(dá)28.53 ℃;不計(jì)下面時(shí),上面和后面的中心溫差較大,最大達(dá)19.40 ℃。

        2.2.4 組件擺放位置的影響

        選取邊長(zhǎng)300 mm、厚度1 mm的模擬組件,分別放在箱內(nèi)中間、前端、后端、左端和右端。變溫速率為 4 ℃/min時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果表明,安裝腳之間或面中心之間溫差與組件具體位置有關(guān),其中組件在前端時(shí)上面與下面中心最大溫差為34.10 ℃。

        2.2.5 加熱功率的影響

        選取邊長(zhǎng)300 mm、厚度1 mm的模擬組件,置于試驗(yàn)箱中間位置,加熱功率分別為10 W、40 W和100 W,試驗(yàn)變溫速率為4 ℃/min。不考慮距離加熱源最近的下面,試驗(yàn)結(jié)果是組件的加熱功率越大,其安裝腳處和面中心的溫度場(chǎng)均勻性越差。

        2.3 多組件溫度試驗(yàn)研究

        研究了大小相同2組件和大小不同2組件以及大小相同3組件和大小不同3組件同時(shí)置于一個(gè)試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)的情況。結(jié)果表明,將尺寸相同的組件前后放置時(shí),組件的溫度場(chǎng)均勻性最好。

        3 組件多路溫度測(cè)控技術(shù)

        試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)在變溫過(guò)程中的均勻性比較差,組件本身各部分的溫差也比較大,現(xiàn)有的單路控制方法已不能保證組件的安全和試驗(yàn)質(zhì)量,因此,必須研究新的控制方法,確定組件最佳溫度控制點(diǎn)和最佳控制模式。

        3.1 組件多路溫度測(cè)控系統(tǒng)

        經(jīng)過(guò)研究,采用多通道信號(hào)溫度測(cè)控系統(tǒng)。

        3.1.1 溫度測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

        1)輸入:6路輸入通道,采集溫度傳感器信號(hào);

        輸出:1路輸出通道,輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。2)系統(tǒng)精度:±1 ℃。

        3)手控模式:采用任意一個(gè)輸入通道值作為輸出值。

        4)自動(dòng)控制模式:可采用最快值控制、最慢值控制和中間值控制。

        最快值控制是指在升溫和高溫階段取輸入通道中所有測(cè)量值的最大值作為輸出值,降溫和低溫階段取輸入通道中所有測(cè)量值的最小值作為輸出值(MIL-STD-1540C[5]規(guī)定,在組件熱循環(huán)試驗(yàn)中,組件控制溫度由首先達(dá)到高或低驗(yàn)收或鑒定溫度限的組件決定);

        最慢值控制是指在升溫和高溫階段采用輸入通道中所有測(cè)量值的最小值作為輸出值,降溫和低溫階段取所有測(cè)量值的最大值作為輸出值;

        中間值控制是指采用輸入通道中所有測(cè)量值的中間值作為輸出值。

        5)實(shí)時(shí)顯示:在計(jì)算機(jī)上明確顯示各個(gè)通道的溫度測(cè)量值和輸出的溫度值等。

        3.1.2 溫度測(cè)控系統(tǒng)組成

        根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和控制需要,溫度測(cè)控系統(tǒng)分為如圖1所示的幾個(gè)功能模塊。

        圖1 溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig. 1 Design frame of the temperature measurement and the control system

        3.2 單組件多路溫度測(cè)控試驗(yàn)方法

        選取邊長(zhǎng)為300 mm的模擬組件進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)控制溫度為高溫 80 ℃,低溫 50 ℃,組件變溫速率為5 ℃/min。

        3.2.1 控制安裝腳溫度,組件無(wú)熱源

        選取4個(gè)控溫點(diǎn)固定在組件安裝腳上,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

        表3 單組件安裝腳溫度控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Temperature control test data at the fixed bolt position in single unit

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:用最慢值控制,降溫過(guò)程溫度整體偏差為負(fù),升溫過(guò)程溫度整體偏差為正;用最快值控制則相反,降溫過(guò)程溫度整體偏差為正,升溫過(guò)程溫度整體偏差為負(fù);用中間值控制,實(shí)際溫度接近設(shè)定值,升降溫過(guò)程溫度存在正負(fù)偏差。

        3.2.2 控制安裝腳溫度,組件帶熱源

        模擬組件加熱源功率為40 W,控制方式為中間值控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明組件是否有熱源對(duì)系統(tǒng)的控制偏差范圍影響不大。

        3.2.3 控制面中心溫度,組件無(wú)熱源

        在試驗(yàn)中,有時(shí)選產(chǎn)品的某一個(gè)面作為控制點(diǎn),因此采用模擬組件進(jìn)行6個(gè)面的控制試驗(yàn)。傳感器粘貼位置為:1通道位于下面中心,6通道位于上面中心,2、3、4、5通道分別位于后、左、前、右面中心,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

        表4 單組件側(cè)面中心控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Temperature control test data for single unit at the side center

        由于組件下面風(fēng)速最小,一般不作為控制點(diǎn),僅使用5個(gè)面來(lái)控制,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

        表5 單組件側(cè)面中心最慢值控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 The slowest temperature control test data of single unit at the side center

        對(duì)比表4與表5可以看出,使用5個(gè)面控制時(shí),變溫過(guò)程中第2~第6通道的溫度過(guò)沖程度大幅減小。因此,溫度控制點(diǎn)在面中心時(shí),組件下面溫度不應(yīng)當(dāng)被選定為控制溫度。

        3.2.4 控制面中心溫度,組件帶熱源

        模擬組件加熱源功率為40 W,控制方式為中間值控制,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

        表6 單組件側(cè)面中心中間值控制,組件帶熱源試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 The middle-value temperature control test data for single unit with heat source at the side center

        因?yàn)槟M組件的加熱源處于組件底部,第1通道的溫度在高低溫保持和降溫過(guò)程中都比其他通道的高很多,所以當(dāng)組件有內(nèi)熱源時(shí),不宜選擇靠近內(nèi)熱源的面為試驗(yàn)溫度控制面。

        3.3 多組件多路溫度測(cè)控試驗(yàn)方法

        3.3.1 大小不同模擬組件溫度測(cè)控

        采用2個(gè)大小不同的模擬組件進(jìn)行試驗(yàn),6個(gè)溫度傳感器的粘貼位置見圖2,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

        圖2 2個(gè)模擬組件溫度傳感器粘貼位置示意Fig. 2 The positions of temperature sensors for two sample units

        根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)控大組件時(shí),小組件容易超溫;控小組件時(shí),大組件易欠溫。因此,可根據(jù)組件溫度偏差要求進(jìn)行控制模式的選擇。

        3.3.2 大小相同模擬組件溫度測(cè)控

        采用3個(gè)大小相同的模擬組件進(jìn)行試驗(yàn),6個(gè)溫度傳感器的粘貼位置如圖3所示。

        圖3 3個(gè)模擬組件溫度傳感器粘貼位置示意Fig. 3 The positions of temperature sensors for three sample units

        試驗(yàn)表明:相同尺寸的多個(gè)組件同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),將傳感器貼在試驗(yàn)件外側(cè)安裝腳處,試驗(yàn)結(jié)果和單件控制時(shí)的結(jié)果基本一致。

        3.4 小結(jié)

        根據(jù)上述研究,可以得出如下結(jié)論:

        1)組件多路溫度測(cè)控系統(tǒng)的3種自動(dòng)控制模式能夠滿足試驗(yàn)要求,用最快值控制時(shí)組件所有控溫點(diǎn)都不超溫,用最慢值控制時(shí)組件所有控溫點(diǎn)都不欠溫,用中間值控制時(shí)整個(gè)組件的平均溫度值接近設(shè)定值。

        2)選用組件安裝腳溫度進(jìn)行控制時(shí),溫度差值較小。應(yīng)選取遠(yuǎn)離熱源的安裝腳并根據(jù)試驗(yàn)要求選擇控制模式。

        3)選用組件面中心溫度進(jìn)行控制時(shí),溫度差值較大。應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求選擇控制模式,注意避免選用底面和靠近熱源的面。

        4)多組件同箱試驗(yàn)時(shí),應(yīng)將溫度傳感器貼于試驗(yàn)件的外側(cè)并選擇相應(yīng)的控制模式。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文從試驗(yàn)箱溫度場(chǎng)均勻性、組件溫度場(chǎng)分布和組件多路溫度測(cè)控系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究,給出了試驗(yàn)箱溫度均勻性最好的區(qū)域及該區(qū)域的最大溫差。通過(guò)對(duì)組件安裝腳和面中心的溫度場(chǎng)測(cè)量研究,明確了試驗(yàn)箱變溫速率,組件大小、厚薄、位置和內(nèi)熱源等參數(shù)對(duì)組件溫度場(chǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)變溫速率越快、組件越大、組件越厚、組件發(fā)熱功率越大,組件溫度場(chǎng)均勻性越差。研究還得出了多組件同箱試驗(yàn)情況下對(duì)溫度場(chǎng)均勻性影響最小的放置方式。通過(guò)對(duì)多路溫度測(cè)控試驗(yàn)方法的研究,使得組件在試驗(yàn)箱中處于溫度可控的狀態(tài),徹底解決了組件在試驗(yàn)過(guò)程中特別是在變溫過(guò)程中單一控溫點(diǎn)無(wú)法解決的組件局部溫度失控問(wèn)題,確保了航天器組件在常壓熱試驗(yàn)中的安全,提高了試驗(yàn)質(zhì)量。

        (References)

        [1]GJB 1027A—2005 運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求[S],2005-12

        [2]馮偉泉. 航天器單機(jī)級(jí)環(huán)境可靠性試驗(yàn)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2005, 22(5): 249-252 Feng Weiquan. Spacecraft instrument environment reliability test[J]. Spacecraft Environment Engineering,2005, 22(5): 249-252

        [3]劉峰. 試論航天器可靠性試驗(yàn)[J]. 航天器環(huán)境工程,2002, 19(4): 1-5 Liu Feng. Discussion on spacecraft environmental reliability test[J]. Spacecraft Environment Engineering,2002, 19(4): 1-5

        [4]郭秀才, 馮偉泉, 鄭會(huì)明, 等. 衛(wèi)星電子組件高加速壽命試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011, 28(5):454-458 Guo Xiucai, Feng Weiquan, Zheng Huiming, et al.HALT technology for satellite electronic components[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(5): 454-458

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