陳立濤，張 偉（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)溫度均勻度試驗(yàn)研究

陳立濤，張 偉
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

熱真空試驗(yàn)是航天器研制過程中非常重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，作為滿足熱真空試驗(yàn)必不可少的工具，好的熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)可以保證試驗(yàn)件在不失真的情況下試驗(yàn)，使試驗(yàn)受控，而熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)溫度均勻度不好，會(huì)造成過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)的產(chǎn)生。文中以某型熱真空試驗(yàn)設(shè)備為例，通過試驗(yàn)研究分析其溫度均勻度，可以提高熱真空試驗(yàn)的精度。

熱真空試驗(yàn)；過試驗(yàn)；溫度均勻度

引言

在航天器的研制和服役過程中，必須進(jìn)行各種類型的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，以充分暴露產(chǎn)品的潛在缺陷，檢驗(yàn)航天器的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。作為空間環(huán)境試驗(yàn)中的重要組成部分，熱真空試驗(yàn)對航天器研制起著舉足輕重的作用。

熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)是滿足熱真空試驗(yàn)必不可少的工具，好的熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)可以保證樣品在不失真的情況下試驗(yàn)，使試驗(yàn)受控，達(dá)到試驗(yàn)的目的。作為熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，溫度均勻度的好壞對評價(jià)熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)的好壞有著十分重要的意義[1-12]。

1 熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)

航天器發(fā)射入軌后會(huì)遇到復(fù)雜的空間環(huán)境，如真空、冷黑、太陽輻射、粒子輻照和原子氧等，對于航天器而言，這些空間環(huán)境會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的空間環(huán)境效應(yīng)，如壓力差效應(yīng)、真空放電效應(yīng)、材料蒸發(fā)升華、熱輻射效應(yīng)（空間真空環(huán)境下氣體傳導(dǎo)和對流可忽略，傳熱以輻射為主導(dǎo)）、真空出氣效應(yīng)和金屬冷焊等?？臻g環(huán)境會(huì)對航天器產(chǎn)生極其重要的影響，其中以太陽輻射、冷黑環(huán)境及真空環(huán)境的影響最嚴(yán)重，他們影響航天器的熱性能、電性能和力學(xué)性能，對航天器正常工作構(gòu)成重大的威脅。為了檢驗(yàn)航天器在空間環(huán)境中的工作性能，在地面使用專用設(shè)備對外層空間的太陽輻射、冷黑環(huán)境及真空環(huán)境進(jìn)行模擬，暴露航天器設(shè)計(jì)和質(zhì)量缺陷，即為熱真空試驗(yàn)[1]。

熱真空試驗(yàn)是在規(guī)定的壓力與鑒定級或驗(yàn)收級熱真空試驗(yàn)的溫度條件下，暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與工藝問題，評定其工作性能，驗(yàn)證其功能的試驗(yàn)。熱真空試驗(yàn)分為鑒定級熱真空試驗(yàn)和驗(yàn)收級熱真空試驗(yàn)。鑒定級熱真空試驗(yàn)的目的是證明航天器在規(guī)定的壓力和鑒定級溫度條件下是否滿足設(shè)計(jì)要求；驗(yàn)收級熱真空試驗(yàn)的目的是在規(guī)定的壓力和驗(yàn)收級溫度條件下暴露材料、工藝和制造方面的缺陷。作為空間環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分，熱真空試驗(yàn)對航天器的研制起著舉足輕重的作用，各國研制航天器的大量實(shí)踐證明，這種試驗(yàn)非常有效，熱真空試驗(yàn)已成為必做的試驗(yàn)項(xiàng)目之一[1]。

熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)是按照熱真空的試驗(yàn)要求提供高真空、高溫和低溫的恒溫與交變，以及被試件特殊要求等條件的專項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)備[2]。熱真空試驗(yàn)主要模擬兩個(gè)參數(shù)，即高真空環(huán)境和熱環(huán)境。熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)主要組成部分有：真空容器、抽氣系統(tǒng)、熱沉，升降溫系統(tǒng)和溫度采集與控制系統(tǒng)及其他特殊需求的機(jī)構(gòu)。其中真空容器是試驗(yàn)空間所在，常由碳鋼或者不銹鋼制成；抽氣系統(tǒng)是由粗抽、分子泵和低溫泵組成，用來獲取需要的高真空環(huán)境；熱沉一般采用紫銅管板式內(nèi)表面涂表面吸收率不小于0.9的黑漆，制冷采用液氮制冷或者機(jī)械制冷，以此來模擬外層空間冷黑環(huán)境，加熱采用紅外燈陣或者加熱籠的方式；溫度控制是熱真空試驗(yàn)中很重要的一環(huán)，一般采用“自適應(yīng)”控制理論和方法。文中以KM1型熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)為例，對熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)的重要指標(biāo)—溫度均勻度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 溫度均勻度試驗(yàn)研究

該熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)為KM1型，真空室有效尺寸Φ 1200 mm×1500 mm（直段），熱沉有效尺寸Φ 1000 mm×1500 mm，制冷采用液氮制冷，加采用加熱籠，加熱籠有效尺寸為500 mm×500 mm×800 mm，該KM1熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)極限真空度為4×10-5Pa，熱沉溫度≤100K，溫度范圍-150℃～+120℃，控溫精度±1℃（在-40℃～+70℃范圍內(nèi)），±2℃（在-40℃～+70℃范圍外，-150℃～+120℃范圍內(nèi)）升溫速率≥1.5℃/min，降溫速率≥1.0℃/min。

試驗(yàn)時(shí)真空度要求優(yōu)于6.65×10-3Pa，以該試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的長方形試件安放平臺作為試驗(yàn)樣件，溫度控制點(diǎn)C位于該試件中心，在試件四個(gè)角布置4個(gè)監(jiān)測傳感器1、2、3和4，如圖1所示。

將傳感器布置好后，按照熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)操作規(guī)程進(jìn)行開機(jī)試驗(yàn)，在抽真空滿足試驗(yàn)要求后進(jìn)行溫度試驗(yàn)，溫度控制點(diǎn)開始于環(huán)境溫度升到規(guī)定的溫度并穩(wěn)定，分別選擇+70℃和120℃兩個(gè)個(gè)溫度點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)停留時(shí)間為3小時(shí)，熱真空試驗(yàn)溫度曲線如圖2所示。

選取每個(gè)+70℃和120℃兩個(gè)溫度點(diǎn)在保溫臨結(jié)束20分鐘內(nèi)分別采集的20組溫度值，與控制點(diǎn)的溫度對比如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度監(jiān)測點(diǎn)1和2處溫度以及監(jiān)測點(diǎn)3和4處采集的溫度值和控制點(diǎn)的溫度有明顯的差別，在距離液氮管路近的試件兩角布置的溫度監(jiān)測點(diǎn)1和2比控制點(diǎn)溫度低，而另外兩個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)3和4溫度明顯比控制點(diǎn)溫度高。

圖1 傳感器分布圖

圖2 熱真空溫度曲線

圖3 70℃控制點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)溫度對比

圖4 +120℃控制點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)溫度對比

試件上各點(diǎn)溫度不均勻的產(chǎn)生，是因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境下熱傳遞只有一種方式，即輻射，而不是常壓下的熱傳遞三種方式傳導(dǎo)、對流和輻射，在高真空（優(yōu)于1×10-3Pa）時(shí)，真空容器內(nèi)空氣幾乎為零，熱傳導(dǎo)和對流可以忽略，試驗(yàn)件溫度的獲取完全靠輻射的方式。對于本型KM1熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)，熱沉是管路通液氮表面涂吸收率0.9以上黑漆，以此來模擬外層空間中的冷黑環(huán)境效應(yīng)，加熱籠作為外熱源用來模擬太陽輻射,試驗(yàn)件溫度的獲取是靠冷黑背景的熱沉輻射（液氮制冷）以及加熱籠的加熱輻射決定的，試件上各點(diǎn)溫度不均勻的產(chǎn)生是與各點(diǎn)和熱沉及加熱籠的相對位置綜合相關(guān)的。

真空容器內(nèi)試件上各點(diǎn)溫度的不均勻產(chǎn)生的另一個(gè)因素是熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)中熱沉溫度不均勻，熱沉的溫度均勻性主要由熱沉的結(jié)構(gòu)和熱沉內(nèi)循環(huán)的工質(zhì)來決定，熱沉上開孔面積的大小和開孔（觀察窗、法蘭盤）的多少也對熱沉的溫度均勻性產(chǎn)生影響。熱沉溫度的不均勻性可以通過調(diào)整試件在熱沉中空間位置來消除這種影響[12]。

目前而言，熱真空試驗(yàn)最常見的控溫策略是單點(diǎn)控制，即采用一個(gè)溫度點(diǎn)作為控制，單個(gè)控溫點(diǎn)布置在試驗(yàn)件上，這種單點(diǎn)控溫的控溫方式，試件上各點(diǎn)溫度是不均勻的，特別是對于尺寸較大的試驗(yàn)件而言，會(huì)導(dǎo)致試件上不同位置點(diǎn)的溫度差別很大，很可能會(huì)造成過試驗(yàn)或者欠試驗(yàn)的產(chǎn)生，通過進(jìn)行溫度均勻度研究，選擇合適的溫度控制點(diǎn)，對熱真空試驗(yàn)的溫度控制有很大的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

由上述試驗(yàn)可以得知，對于此次試驗(yàn)的熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)，試件上各個(gè)點(diǎn)的溫度分布有明顯差異，在距離液氮管路近的試件兩角布置的溫度監(jiān)測點(diǎn)1和2比控制點(diǎn)溫度低，而另外兩個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)3和4溫度明顯比控制點(diǎn)溫度高。試件上各點(diǎn)溫度的不均勻是由于各溫度點(diǎn)與熱沉和加熱籠的相對位置遠(yuǎn)近及熱沉溫度不均勻造成的。

理論上講，隨著試件尺寸的增大，試件上各點(diǎn)的溫度均勻度的差異會(huì)更大，特別是對于大尺寸的試驗(yàn)件而言，在此時(shí)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)候，更要考慮試件溫度均勻度差異，避免過試驗(yàn)和欠試驗(yàn)的產(chǎn)生，這也正需要我們進(jìn)一步的研究。通過研究試件溫度均勻度分布，選擇合適的溫度控制點(diǎn)，可以更好的使試件各個(gè)部位溫度可控，避免某些部位溫度過試驗(yàn)或者欠試驗(yàn)的產(chǎn)生，從而保障熱真空試驗(yàn)的成功進(jìn)行。

［1］黃本誠， 馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京： 國防工業(yè)出版社， 2002.

［2］劉強(qiáng).對熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)中有關(guān)問題的討論［J］.真空與低溫， 2006，12（4）： 238-245.

［3］劉鋒.熱真空試驗(yàn)中的熱控方法［J］.航天器環(huán)境工程， 2003， 20（3）：1-6.

［4］王鑄.某航天小衛(wèi)星的真空熱試驗(yàn)［J］.航天器環(huán)境工程， 2005，22（2）： 97-99.

［5］柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗(yàn)［M］.北京： 中國宇航出版社，2009.

［6］郭贛.真空熱試驗(yàn)的溫度測量系統(tǒng)［J］.航天器環(huán)境工程， 2009，26（1）： 33-36.

［7］閆格， 楊建斌， 劉強(qiáng)等.熱真空環(huán)模試驗(yàn)中溫度參數(shù)的探討［J］.真空與低溫， 2011， 17（1）： 32-36.

［8］張景川， 謝吉慧， 王奕榮等.航天器真空熱試驗(yàn)測控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.航天器環(huán)境工程， 2012， 29（3）： 263-267.

［9］孫興華， 蘇新明， 陶濤.真空熱試驗(yàn)熱電偶測溫參考點(diǎn)分析改進(jìn)［J］.航天器環(huán)境工程， 2012， 29（5）： 522-526.

［10］劉中華， 李樹杰， 劉國強(qiáng).熱真空試驗(yàn)設(shè)備中的控溫方式研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)， 2012， 30（4）： 1-5.

［11］黃光萍.熱真空設(shè)備中與溫度相關(guān)的試驗(yàn)技術(shù)探討［J］.環(huán)境技術(shù)，2012， 2（1）： 21-26.

［12］劉敏， 劉波濤， 賈陽， 萬強(qiáng).熱沉溫度均勻性分析［C］.2003年度低溫技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集， 2005： 43-50.

陳立濤，男，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，工程師，博士，主要從事環(huán)境及可靠性試驗(yàn)的研究工作。

Experimental Research of Temperature Uniformity for Thermal Vacuum Test System

CHEN Li-tao， ZHANG Wei
（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088）

Thermal vacuum test plays an important role in spacecraft development process.As an indispensable tool for thermal vacuum test， good thermal vacuum test system not only can guarantee a thermal vacuum test without distortion， but also can make the thermal vacuum test be under control.However， over or under test will be caused if the temperature uniformity of a thermal vacuum system is not well.An experiment of a thermal vacuum system is investigated in this paper， in which the temperature uniformity is tested.And the distribution of the temperature uniformity is shown by the analysis of the experiment result， which can improve the accuracy of the thermal vacuum test.

thermal vacuum test； over test； temperature uniformity

TB75

A

1004-7204（2016）03-0021-03