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）

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