吳天澤 熊春曉 朱文杰 趙一搏 申雄剛

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 200240）

0 引言

隨著深空探索研究的不斷深入，空間軌道低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期儲(chǔ)存技術(shù)有望成為解決未來(lái)月球資源開發(fā)和火星深空探測(cè)所面臨的大載荷、長(zhǎng)距離問(wèn)題的有效技術(shù)途徑。目前，困擾該技術(shù)的核心問(wèn)題是貯箱外絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和成型?？臻g環(huán)境下，熱量傳遞的主要方式由熱傳導(dǎo)變換為熱輻射，有效減少貯箱表面對(duì)熱輻射的吸收，是空間環(huán)境下熱控制的主要目標(biāo)。

多層絕熱材料通常由低發(fā)射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔物交替疊合而組成［1］。反射屏一般為鋁箔、雙層鍍鋁的聚酯（PET）薄膜，反射屏之間通過(guò)采用以低熱導(dǎo)率的間隔層隔開，或者對(duì)反射層做褶皺、壓花加工，使得疊制時(shí)反射屏之間僅存在個(gè)別點(diǎn)接觸或者線接觸的方式，降低反射屏之間的熱傳導(dǎo)。間隔層有玻璃纖維布、滌綸絲網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等。這種組件利用屏面的層層反射，形成對(duì)輻射熱的高熱阻，因此在真空條件下具有極好的隔熱性能［2］。同時(shí)這種材料組件面密度較低，因此也成為空間環(huán)境下首選的絕熱材料。

依據(jù)傅里葉定律，CUNNINGTON 和江經(jīng)善將多層絕熱的原理進(jìn)行了分析總結(jié)［3-4］。在真空條件下，多層絕熱的綜合熱導(dǎo)率為輻射與傳導(dǎo)的總和?；诶碚撗芯?，郭舜等人［5］進(jìn)一步優(yōu)化得到了包含層密度和結(jié)構(gòu)系數(shù)的熱導(dǎo)率計(jì)算方法。根據(jù)郭舜等人的總結(jié)，隨著反射屏層數(shù)的增加，熱導(dǎo)率是一個(gè)逐漸減小并且是極限為0的函數(shù)關(guān)系式，多層隔熱的固體接觸傳熱量與層密度的m次方成正比。在單位厚度不變的情況下，反射屏層數(shù)的增加，會(huì)導(dǎo)致輻射熱導(dǎo)率的降低以及傳導(dǎo)熱導(dǎo)率的增加，當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí)，傳導(dǎo)熱導(dǎo)率將成為主要熱導(dǎo)率。

R.Hatakenaka 等人［6］在舊有粘接工藝的基礎(chǔ)上提出了無(wú)縫連接的概念，減小層間熱橋是這一工藝?yán)砟畹年P(guān)鍵?；谶@一理念，設(shè)計(jì)了采用膠釘槍打孔的固定方式。在實(shí)際使用過(guò)程中，該方案僅可以解決平面上多層組件的快速固定，對(duì)需要搭接的區(qū)域結(jié)構(gòu)則需要進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)，同時(shí)多層絕熱片材的橫向移動(dòng)比較劇烈。為了保證層密度與最小化橫向漏熱，整體搭接工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化。

目前對(duì)多層絕熱的研究主要集中在傳熱理論計(jì)算優(yōu)化以及小尺寸簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)包覆等方向上，對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)連接導(dǎo)致的橫向漏熱以及大尺寸組合包覆過(guò)程中工藝實(shí)現(xiàn)的可能性報(bào)道較少。同時(shí)由于空間環(huán)境的高真空、高輻射等苛刻條件，對(duì)多層絕熱材料的質(zhì)量控制與緊固方式有更高的要求［7］。因此，優(yōu)化多層絕熱材料包覆工藝，使用更少的絕熱組件、緊固件使多層絕熱材料在苛刻條件下保證性能穩(wěn)定，是目前深空探測(cè)領(lǐng)域迫切需要解決的重要難題。

本文主要介紹了利用膠釘槍與尼龍搭扣帶等工具開發(fā)的一套多層絕熱新型包覆工藝。該工藝可以對(duì)面密度進(jìn)行有效控制，具有鰲合搭接結(jié)構(gòu)，可將結(jié)構(gòu)漏熱范圍控制在最小區(qū)域。利用高真空測(cè)試平臺(tái)對(duì)其絕熱性能進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與工具

選用千葉牌膠釘槍（牌號(hào)A3802），膠釘規(guī)格為特制1 cm PET 膠釘，多層絕熱材料之間的縫紉線選用150 D 滌綸縫紉線，多層絕熱金屬屏選材為6 μm 厚鍍鋁薄膜，間隔層選材為富士達(dá)Z 型絕熱間隔紙，尼龍搭扣帶選用3M系列2 cm寬搭扣帶。

1.2 測(cè)試設(shè)備及方法

低溫測(cè)試貯箱：自制焊接低溫測(cè)試貯箱，工作壓力為2.0 MPa，兩倍安全系數(shù)，采用球柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)直徑500 mm、高度約1 100 mm、壁厚3～5 mm，幾何容積150 L、外表面積1.49 m2，工作溫度為液氮溫區(qū)77 ～305 K，質(zhì)量65 kg。

高真空測(cè)試平臺(tái)：測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。真空艙真空度不高于1 mPa，穿艙管路通徑Φ6 mm～Φ16 mm。配備PT100 熱敏電阻器，總計(jì)15 支。配備ALICAT 質(zhì)量流量計(jì)，自帶數(shù)字信號(hào)RS232，精度±0.8%。

平板法熱導(dǎo)率測(cè)試：平板法測(cè)試原理參照GJB328—87《絕熱材料低溫穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣品尺寸為Φ100 mm×10 mm。

圖1 高真空測(cè)試平臺(tái)Fig.1 High vacuum test platform

2 結(jié)果與討論

2.1 針腳控制

多層絕熱在組成方便的可拆卸、可以自由拼接的組件之前需做好鋪放和封邊的準(zhǔn)備。實(shí)際應(yīng)用中，通常將多層系統(tǒng)的各層用縫紉的方法，制成多層夾套，以保持多層系統(tǒng)的固定形狀。由于縫線之處，局部增加了各層間的密度，同時(shí)破壞了表面結(jié)構(gòu)，這都將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的漏熱量增加。根據(jù)STIMPSON［8］的經(jīng)驗(yàn)公式以及實(shí)際操作的便利性，應(yīng)用于大尺寸貯箱上1.8 m 以上幅寬厚度為1～3 cm 的多層絕熱組件，小于1 cm 的針腳在循環(huán)穿刺過(guò)程中容易造成鍍鋁薄膜的開裂，而大于10 cm 的針腳，縫紉線并不能有效固定層間間隔物，移動(dòng)或者折疊組件容易導(dǎo)致開線，因此縫制采用雙線制，首先采用7～10 cm 的長(zhǎng)距離針腳進(jìn)行層間緊固，保證使用過(guò)程中不開散，其后采用2～3 cm 的短距離針腳進(jìn)行封邊，防止間隔層與鍍鋁薄膜之間發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)。組件的縫制采用的緊固+封邊策略，縫制效果如圖2所示。

對(duì)于大多數(shù)包含兩個(gè)球底結(jié)構(gòu)的低溫貯箱，其實(shí)際包覆工作主要可分為三部分完成，分別為上下兩個(gè)變曲率半球的包覆工作，圓柱段包覆工作以及法蘭結(jié)構(gòu)的包覆工作。結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)域是多層絕熱組件的成型工藝難點(diǎn)，可以具體分為層密度與搭邊工藝控制。

圖2 針腳處理Fig.2 Stitch handling

2.2 層密度控制

將試樣每10 層分為一組，每組先按照針腳縫制規(guī)則縫制封邊后形成組件單元，將三個(gè)單元的多層絕熱組件用膠釘槍進(jìn)行整體固定，由于膠釘槍為1 cm 限位設(shè)定，即可形成層密度為30 層/cm 的多層絕熱組件。同理，將兩個(gè)單元的多層絕熱組件用膠釘槍進(jìn)行整體固定，即可形成20 層/cm 的多層絕熱組件。

為了防止單元與單元之間過(guò)度的貼合，用尼龍搭扣帶的毛面與勾面分別粘接相鄰兩層絕熱單元組件。拼接時(shí)，按照固定位置對(duì)接，形成尼龍搭扣帶夾層。

2.3 搭邊控制

在實(shí)際情況下，兩組平行搭接的片材，其搭接區(qū)域?qū)用芏炔豢杀苊鈺?huì)有所增加，同時(shí)搭接區(qū)域的面積大小將會(huì)影響側(cè)向漏熱，這將直接導(dǎo)致傳導(dǎo)熱導(dǎo)率的上升。但如果對(duì)搭邊區(qū)域進(jìn)行有效處理，層密度增加與側(cè)向漏熱將會(huì)盡量控制在最小區(qū)域。如圖3所示，所有搭接區(qū)域采用了鰲合型搭接方法，將兩個(gè)多層絕熱片材邊緣修剪成間隙間隔相等的矩形搭接單元。

圖3 開口設(shè)計(jì)、搭接結(jié)構(gòu)及搭接伸長(zhǎng)區(qū)Fig.3 The design of the chelating structure，the bonding structure and the branch of the chelating structure

為了達(dá)到螯合搭接的目的，搭接單元的寬度和長(zhǎng)度與單元間隙須相等，因此每個(gè)片材邊緣形成了搭接單元與搭接間隙依次交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)。搭接時(shí)，搭接單元可以直接插入另外一個(gè)片材的搭接間隙內(nèi)形成嵌入結(jié)構(gòu)，依次將每一個(gè)搭接單元插入相鄰搭接間隙。由于搭接間隙與搭接單元等寬且等高，搭接區(qū)域的面積直接減小為直接搭接的二分之一。鰲合結(jié)構(gòu)本身具有一定的側(cè)向摩擦力并且通過(guò)鋁膠帶封邊處理，可以同時(shí)做到表面狀態(tài)無(wú)縫拼接。

2.4 包覆工藝對(duì)比

為滿足覆蓋地面階段和空間環(huán)境下的多重防隔熱需求，低溫貯箱上的多層絕熱的使用方法目前主要是將預(yù)制件固定在泡沫結(jié)構(gòu)表面，形成防絕熱組件。在實(shí)際應(yīng)用中，多層絕熱材料需要在箱體上采用合適的緊固措施，并且方便組裝拼接。

現(xiàn)有多層絕熱的表面施工常用工藝主要有粘接、捆包和尼龍搭扣帶等方式［9-10］。為了驗(yàn)證各種連接工藝對(duì)熱導(dǎo)率的影響，按照每種工藝制備Φ100 mm絕熱樣件并測(cè)定其當(dāng)量熱導(dǎo)率，如圖4所示。

粘接試樣的制作方法為：將多層絕熱材料組件最下面一個(gè)單元的鍍鋁薄膜和間隔層利用低溫膠黏劑粘接至泡沫塑料表面。捆包試樣的制作方法為：首先將多層絕熱組件分割成可以互相重疊搭接的小片材，其后利用尼龍線將組件和泡沫塑料一起捆包起來(lái)，捆綁線分布均勻，用力適中。尼龍搭扣粘接試樣的制作方法為：先利用低溫膠將尼龍搭扣的毛面粘接在泡沫塑料表面，再將尼龍扣勾面縫制在多層絕熱組件表面，最后利用尼龍搭扣將二者連接起來(lái)。

對(duì)于常規(guī)包覆工藝來(lái)講，層密度為非受控狀態(tài)，且需要在搭接后二次縫制，對(duì)于異型曲面結(jié)構(gòu)非常難以操作。30 層/cm 的粘接固定工藝與捆扎多層絕熱組件，在曲面過(guò)渡區(qū)域與搭接區(qū)域其層密度變化為60 層/cm 以上，搭接面積無(wú)法直接測(cè)量。尼龍搭扣帶固定的多層絕熱組件受制于過(guò)渡角度，若搭接區(qū)域小于5 cm 或者兩相鄰搭接面為直角或銳角，多層絕熱組件將會(huì)堆積在拐角處無(wú)法有效搭接及二次縫制固定。同時(shí)常規(guī)包覆的絕熱結(jié)構(gòu)難以在拼接后調(diào)整狀態(tài)，這也限制了粘接、捆扎等工藝方法應(yīng)用于復(fù)雜型面的包覆操作中。

圖4 不同連接方式下的常規(guī)試樣樣件Fig.4 Conventional forming method for MLI blanket

在實(shí)際制備多層絕熱材料組件過(guò)程中結(jié)構(gòu)因素變化是引起側(cè)向漏熱增加的根本原因。因此為了更低的熱導(dǎo)率，結(jié)構(gòu)控制就十分關(guān)鍵，特別是層間固定方式以及搭接結(jié)構(gòu)的工藝方法需要更穩(wěn)固和高效。新型無(wú)縫連接工藝的層密度控制由于利用膠釘槍與尼龍搭扣帶兩種限位措施，其基本控制在15～20 層/cm。拼接過(guò)程中的主要難點(diǎn)在于螯合型開口的適配。

在圖3中，螯合結(jié)構(gòu)的搭接單元長(zhǎng)度不少于10 cm，對(duì)于角度變化較大的區(qū)域，開口數(shù)量對(duì)應(yīng)增加，直至滿足拼接效果要求。另外，膠釘槍如在邊緣位置打孔操作存在破壞絕熱結(jié)構(gòu)的可能，因此膠釘槍的打孔位置距離絕熱組件片材邊緣不小于15 cm，對(duì)于長(zhǎng)度小于30 cm 的絕熱組件片材無(wú)需膠釘槍固定。圖5為新型無(wú)縫包覆工藝過(guò)程中以及完成后的對(duì)比。

圖5 組裝中的多層絕熱組件組裝完成的多層絕熱組件Fig.5 Unassembled MLI blanket on the low-temp storage tank and the completed MLI blanket on the low-temp storage tank

2.5 當(dāng)量熱導(dǎo)率對(duì)比

采用新型連接工藝制備的多層絕熱組件利用高真空測(cè)試平臺(tái)，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡后，通過(guò)漏熱量評(píng)價(jià)多層絕熱材料的實(shí)際熱導(dǎo)率。其中選取貯箱典型位置上底球面、柱段中點(diǎn)、下底球面進(jìn)行溫度追蹤。溫度計(jì)算方式依據(jù)傅里葉定律［11］與MCINTOSH［12］對(duì)于多層絕熱熱導(dǎo)率計(jì)算的方法進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)量熱導(dǎo)率結(jié)果如表1所示。

表1 包覆絕熱驗(yàn)證貯箱不同典型位置當(dāng)量熱導(dǎo)率Tab.1 The equivalent thermal conductivity on the different positions of the storage tank

利用高真空測(cè)試平臺(tái)測(cè)定的典型位置當(dāng)量熱導(dǎo)率比單純使用泡沫塑料高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，但是并沒(méi)有達(dá)到10-4理論量級(jí)。這是由于低溫驗(yàn)證貯箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中有2條管路連接至低溫測(cè)試平臺(tái)，構(gòu)成液氮工質(zhì)加注泄出循環(huán)，且管路連接上沒(méi)有進(jìn)行同等情況的絕熱結(jié)構(gòu)包覆。根據(jù)溫度追蹤，這些管路使熱橋數(shù)量增加，因此沒(méi)有達(dá)到理想的絕熱效果。

預(yù)制件法制備的防絕熱組件的熱導(dǎo)率采用平板法進(jìn)行測(cè)試，冷邊界環(huán)境分別為液氮LN2工況77 K與LH2液氫工況20 K，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同組合方式的當(dāng)量熱導(dǎo)率Tab.2 The equivalent thermal conductivity of the different forming method

常規(guī)包覆工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，樣件使用多層絕熱材料復(fù)合后與多層絕熱自身的10-4量級(jí)同樣存有一定差距，這是由于熱板法測(cè)試過(guò)程中，試驗(yàn)裝置上下冷熱邊界板需要壓緊操作，增加了多層絕熱材料組件的層密度并且間隔層的接觸傳熱增大影響了測(cè)試結(jié)果。

對(duì)比新型包覆工藝與其他三種常規(guī)包覆工藝，其當(dāng)量熱導(dǎo)率相對(duì)較低且處于同一數(shù)量級(jí)。新型包覆工藝對(duì)層密度進(jìn)行了有效控制，對(duì)搭邊控制進(jìn)行了優(yōu)化，減少了搭接操作的橫向漏熱且在一定程度上增加了多層絕熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）利用膠釘槍與尼龍搭扣帶等工具開發(fā)了一套多層絕熱的新型包覆工藝。該工藝可以對(duì)面密度進(jìn)行有效控制，具有鰲合搭接結(jié)構(gòu)可將結(jié)構(gòu)漏熱范圍控制在最小區(qū)域。新型工藝方法可以為大尺寸結(jié)構(gòu)貯箱以及復(fù)雜型面多層絕熱包覆提供了高效解決方案。

（2）通過(guò)高真空測(cè)試平臺(tái)測(cè)定了使用新型包覆工藝的多層絕熱組件在液氮條件下的當(dāng)量熱導(dǎo)率并分析了其結(jié)構(gòu)漏熱特點(diǎn)。與常規(guī)包覆工藝進(jìn)行對(duì)比，該工藝方法有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性與相對(duì)更低的當(dāng)量熱導(dǎo)率。可為長(zhǎng)壽命航天器的熱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，有效解決低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量的控制問(wèn)題。