劉 春，林博穎，武 飛，鄒世杰，劉 哲

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器單機(jī)產(chǎn)品在研制過程中需要進(jìn)行熱真空試驗。熱真空試驗在真空容器中進(jìn)行，同時配備特定形式的升降溫裝置以實現(xiàn)高低溫環(huán)境模擬。目前低溫環(huán)境一般靠熱沉實現(xiàn)；加熱裝置可根據(jù)試驗需求采用紅外加熱籠、紅外燈或薄膜電加熱器[1-2]；試驗產(chǎn)品與熱沉及加熱裝置之間的換熱一般以輻射為主。

熱真空試驗通常會對試驗產(chǎn)品的升降溫速率提出明確要求[3]，并規(guī)定升降溫的循環(huán)次數(shù)。在每個循環(huán)的初始降溫階段，因加熱功率能夠通過控制程序調(diào)節(jié)，故可保證產(chǎn)品溫度按設(shè)定的速率進(jìn)行變化；當(dāng)加熱裝置功率逐步降至0 以后，由于輻射散熱的溫差變小，產(chǎn)品的降溫開始變緩，所以可能出現(xiàn)無法滿足降溫速率的情況。

有些單機(jī)產(chǎn)品需要在熱真空試驗的低溫保持階段進(jìn)行冷啟動或加電測試，期間會產(chǎn)生較大的附加熱量，導(dǎo)致試驗產(chǎn)品無法繼續(xù)在該溫度條件下保持溫度穩(wěn)定。如某型號探測器雷達(dá)單機(jī)組件的熱真空試驗要求高溫+65 ℃，低溫-55 ℃，升降溫速率≥1 ℃/min，循環(huán)次數(shù)3.5 次，并要求在首、尾高低溫保持階段進(jìn)行大功率測試時不超出溫度允差（高溫+4 ℃，低溫-4 ℃）。為此，本文對該類單機(jī)產(chǎn)品的熱真空試驗進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明其降溫速率和溫度穩(wěn)定性均不能滿足試驗技術(shù)指標(biāo)要求。

提出采用熱傳導(dǎo)方式增強(qiáng)降溫能力的解決方案，利用熱分析軟件進(jìn)行仿真驗證，設(shè)計和研制適用于該產(chǎn)品的調(diào)溫平臺，并完成試驗驗證，以探究適用于這類單機(jī)產(chǎn)品的通用試驗方法。

1 理論分析

1.1 極限降溫速率

熱真空試驗時，輻射換熱功率取決于產(chǎn)品表面溫度、表面特性、散熱面積和熱沉溫度。在不安裝加熱裝置情況下，一個表面積為A1、表面溫度為T1、發(fā)射率為ε1的試驗產(chǎn)品安裝在表面積為A0、表面溫度為T0、熱沉發(fā)射率為ε0的密閉容器中，可按照兩個漫灰表面組成的封閉腔進(jìn)行分析[4]，輻射換熱功率為

式中σ 為斯忒藩-玻耳茲曼常量。由于熱沉表面發(fā)射率ε0＞0.9，且參試產(chǎn)品表面積A1與熱沉表面積A0相比為小量，所以輻射換熱公式可簡化為

考慮熱真空環(huán)境中無加熱裝置、產(chǎn)品無內(nèi)熱源情況下的降溫過程，薄板僅通過單面輻射換熱時，單位時間內(nèi)散發(fā)的熱量等于產(chǎn)品熱容變化量，即為

式中：ρ 為薄板密度；δ 為薄板厚度；c 為比熱容；ΔTt為降溫速率。

聯(lián)立式(2)與式(3)，得到降溫速率的表達(dá)式：

本文所述的這類單機(jī)產(chǎn)品通常為規(guī)則的立方結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鋁合金，表面進(jìn)行發(fā)黑處理。單機(jī)內(nèi)部的各類模塊及元器件一般是安裝在底板上，側(cè)殼和頂蓋一般為薄板結(jié)構(gòu)。假設(shè)側(cè)殼厚度為3 mm，頂蓋厚度為4 mm，內(nèi)部模塊及元器件按等質(zhì)量的鋁合金折算成底板的附加高度，相當(dāng)于底板厚度為16 mm。分別代入式(4)，可計算出相應(yīng)的降溫速率，如表1 所示。

表1 不同厚度的鋁合金薄板極限降溫速率Table 1 The limit cooling rate of aluminum alloy sheets of different thicknesses

從表1 可看出，在[+65 ℃, -55 ℃]降溫區(qū)間內(nèi)，該產(chǎn)品的側(cè)殼降溫速率大于1 ℃/min，勉強(qiáng)滿足要求；頂蓋降至-35.5 ℃后降溫速率開始小于1 ℃/min；底板幾乎全程降溫速率小于1 ℃/min。

以上計算是假設(shè)產(chǎn)品不受遮擋的極限情況。實際試驗中產(chǎn)品會受試驗工裝遮擋的影響，因此降溫速率會比理論值更小。此外，由于頂蓋、側(cè)殼及底板是一個整體，相互之間的導(dǎo)熱會對降溫速率產(chǎn)生影響。

1.2 溫度平衡條件

熱真空試驗中當(dāng)產(chǎn)品溫度降低至低溫條件時，需及時調(diào)整加熱裝置功率，維持產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定。在環(huán)境溫度（熱沉溫度）不變的情況下，加熱裝置需要增加相應(yīng)的功率。溫度平衡時產(chǎn)品通過輻射散熱的功率等于加熱功率與產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)熱功率之和，即

將式(2)代入式(5)，得到溫度平衡時的加熱功率為

本文涉及的單機(jī)產(chǎn)品需要在低溫保持時進(jìn)行啟動，產(chǎn)生60 W 的發(fā)熱功率。經(jīng)計算，產(chǎn)品表面積A1=0.44 m2，低溫保持時T1= -55 ℃，代入式(6)，得到加熱裝置需增加的功率P= -10.96 W，與實際情況不符，即產(chǎn)品無法在該溫度繼續(xù)保持穩(wěn)定。

2 技術(shù)方案

根據(jù)前述分析計算，對于單機(jī)產(chǎn)品的熱真空試驗，無論是降溫速率不達(dá)標(biāo)，或是在低溫保持時產(chǎn)品因測試產(chǎn)生額外熱量而無法繼續(xù)維持溫度穩(wěn)定，均是因為采用輻射換熱的方式進(jìn)行降溫時試驗產(chǎn)品的散熱功率不足。而解決該問題的有效方法之一是以“熱傳導(dǎo)”的方式提升試驗降溫能力（對升溫能力也能夠有效提升）。此前已研究過增加導(dǎo)熱熱橋的形式，但試驗中需要根據(jù)產(chǎn)品溫度的變化斷開產(chǎn)品與熱橋的連接，而低溫下連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計是低溫?zé)針蛟O(shè)計的重點與難點之一[5]。本文提出一種新的解決方案，其技術(shù)核心是研制一個調(diào)溫平臺，試驗時產(chǎn)品安裝在調(diào)溫平臺上并緊密接觸，利用調(diào)溫平臺提高產(chǎn)品升/降溫速率。因此，調(diào)溫平臺需具備以下能力：

1）具備溫度快速調(diào)節(jié)功能；

2）溫度變化區(qū)域能夠覆蓋試驗需求溫度范圍，而且在該范圍內(nèi)滿足升降溫速率要求（通常要求≥1 ℃/min）；

3）具有較強(qiáng)的“溫度牽引能力”，即考慮調(diào)溫平臺自身有一定熱容，不能因安裝產(chǎn)品后整體熱容增大導(dǎo)致升降溫速率降低。

在此需要指出，該方法需要利用接觸面進(jìn)行傳熱，因此主要適用于具有平整安裝面的單機(jī)產(chǎn)品。

3 調(diào)溫平臺設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)溫平臺的設(shè)計采用類似插片式散熱器的結(jié)構(gòu)（見圖1）。平臺上表面為產(chǎn)品安裝面板，下方為等間距排布的導(dǎo)熱基塊（見圖2），導(dǎo)熱基塊與安裝面板通過螺釘緊固為一個整體。調(diào)溫平臺的冷源依靠導(dǎo)熱基塊下端與冷板的接觸傳熱提供。導(dǎo)熱基塊靠上位置兩側(cè)安裝電加熱器，上端面開凹槽安裝測溫傳感器，通過控制導(dǎo)熱基塊上端面的溫度來控制產(chǎn)品安裝面板的溫度變化。導(dǎo)熱基塊設(shè)計為類似倒梯形截面的長條結(jié)構(gòu)，目的是限制與冷板接觸部位的傳熱過大；而上端面盡量寬，保證與安裝面板有盡可能大的接觸面積，同時也有利于增大導(dǎo)熱基塊自身的熱容，減小產(chǎn)品安裝面板溫度變化對導(dǎo)熱基塊上端面溫度的沖擊。此外，采用這樣的截面形狀時，兩側(cè)電加熱器之間以及與底部冷邊界的距離不會太近，有助于降低導(dǎo)熱基塊內(nèi)部的溫度梯度。

圖1 調(diào)溫平臺整體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of temperature control platform

圖2 導(dǎo)熱基塊組件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the thermal conductive components

3.2 熱仿真驗證

3.2.1 熱仿真模型

對調(diào)溫平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真以驗證其功能是否滿足需求。如圖3 所示，導(dǎo)熱基塊在產(chǎn)品安裝面板下方均勻排布，可近似認(rèn)為每個導(dǎo)熱基塊的溫度分布相同；同時，考慮產(chǎn)品及安裝面板會對導(dǎo)熱基塊上端面溫度產(chǎn)生影響，故選取與導(dǎo)熱基塊等間距的分割區(qū)域進(jìn)行熱分析。

對圖3 所示的模型進(jìn)行合理假設(shè)：

1）導(dǎo)熱基塊沿長度方向無溫度變化，因此只分析橫截面的二維溫度分布；

2）安裝面板與產(chǎn)品底板在界面A、B 處水平方向溫度梯度為0，按絕熱處理；

3）產(chǎn)品底板界面C 被產(chǎn)品側(cè)殼、頂蓋包圍，不存在向熱沉輻射散熱的情況，按絕熱處理；

4）界面D、E 為電加熱器，工作時按第二類邊界條件處理，無功率輸出時按絕熱處理；

5）液氮冷板內(nèi)壁按第一類邊界條件處理，即恒溫-180 ℃；

6）導(dǎo)熱基塊之間的密閉空間內(nèi)存在相互輻射換熱，但因金屬表面發(fā)射率較低，而且相比熱傳導(dǎo)，輻射換熱功率為小量，可近似按絕熱處理。

為避免導(dǎo)熱基塊內(nèi)熱流過大，導(dǎo)熱基塊材質(zhì)選擇熱導(dǎo)率較低的不銹鋼[6]；而產(chǎn)品安裝面板需要較好的熱傳導(dǎo)性，故用銅板加工。此外，為減小產(chǎn)品底板與調(diào)溫平臺安裝面的接觸熱阻，安裝時涂抹導(dǎo)熱硅脂或加軟性材質(zhì)隔熱墊。根據(jù)工程經(jīng)驗，接觸面在加導(dǎo)熱填料的情況下，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在500～2000 W/(m2·K)之間，如果采用熱導(dǎo)率高的金屬箔為填料，然后施以足夠的壓力壓緊，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5000 W/(m2·K)[7]。

3.2.2 溫度均勻性驗證

使用Thermal Desktop 軟件進(jìn)行仿真。穩(wěn)態(tài)情況下，導(dǎo)熱基塊上端面平均溫度分別為-100 ℃、0 ℃、100 ℃時的電加熱器功率及溫度均勻性計算結(jié)果詳見表2。

表2 穩(wěn)態(tài)時電加熱器功率值與溫度均勻性Table 2 Temperature uniformity and corresponding power of the heater in steady state

圖4(a)、(b)、(c)分別為導(dǎo)熱基塊上端面平均溫度為-100 ℃、0 ℃、100 ℃時的截面溫度分布圖。可以看出，隨著加熱功率的增大，導(dǎo)熱基塊上端面的溫度不均勻性有逐漸變差的趨勢，但最差不超過0.8 ℃。因此，圖2 中測溫傳感器所測得的溫度能夠很好地代表導(dǎo)熱基塊上端面的平均溫度。

圖4 導(dǎo)熱基塊上端面平均溫度為-100、0、100 ℃時截面溫度云圖Fig.4 Temperature distributions on cross section of heat conductive device with average temperature of -100,0,and 100 ℃

3.2.3 升/降溫能力驗證

對導(dǎo)熱基塊的升溫能力進(jìn)行驗證：當(dāng)導(dǎo)熱基塊上端面溫度為-100 ℃時，更改電加熱器輸出功率，使其按照100 ℃平衡電流的1.23 倍（功率增至1.5 倍）進(jìn)行加熱，得到導(dǎo)熱基塊上端面溫升曲線，如圖5 所示。根據(jù)瞬態(tài)計算結(jié)果，當(dāng)溫度升至100 ℃時，溫度變化率為6 ℃/min。

圖5 導(dǎo)熱基塊定功率升溫時上端面溫度曲線Fig.5 Temperature distribution on top surface of the conductive device with regular power heating

對導(dǎo)熱基塊的極限降溫能力進(jìn)行驗證：當(dāng)導(dǎo)熱基塊上端面溫度為0 ℃時，電加熱器斷電，得到導(dǎo)熱基塊上端面溫降曲線，如圖6 所示。根據(jù)瞬態(tài)計算結(jié)果，當(dāng)溫度降至-100 ℃時，溫度變化率為-3.4 ℃/min。

圖6 導(dǎo)熱基塊斷電降溫時上端面溫度曲線Fig.6 Temperature distribution on top surface of conductive device with power-off cooling

驗證導(dǎo)熱基塊升、降溫能力時分別按特定功率與極限情況進(jìn)行計算。實際應(yīng)用中，利用基于PID 的多通道控溫程序，可以實時調(diào)節(jié)程控電源輸出功率，實現(xiàn)導(dǎo)熱基塊上端面溫度按照預(yù)先設(shè)定的速率進(jìn)行升/降溫。

3.2.4 試驗過程模擬

對于穩(wěn)態(tài)情況，基于前述的假設(shè)條件，產(chǎn)品底板的溫度能夠與導(dǎo)熱基塊上端面溫度保持一致；但對于瞬態(tài)情況，熱量的傳遞以及溫度的平衡需要一定時間。在使用調(diào)溫平臺進(jìn)行試驗時，若將產(chǎn)品溫度直接作為控制目標(biāo)，則會因為溫度響應(yīng)速率過慢而導(dǎo)致超調(diào)；同時，也不利于加熱分區(qū)的細(xì)分，以致安裝面板的溫度均勻性無法得到保證。因此，選擇導(dǎo)熱基塊上端面溫度為控制點進(jìn)行控溫。

為驗證產(chǎn)品底板溫度的跟隨效果，使用Thermal Desktop 軟件對溫度循環(huán)過程進(jìn)行動態(tài)仿真。當(dāng)導(dǎo)熱基塊上端面溫度按照預(yù)設(shè)的曲線（高溫+65 ℃，低溫-55 ℃，升/降溫速率1.5 ℃/min，高低溫停留時間2 h）進(jìn)行變化，計算得到產(chǎn)品底板平均溫度的變化曲線如圖7 所示。

圖7 產(chǎn)品溫度跟隨效果曲線Fig.7 Temperature follow-up of product with the conductive device

從圖7 可看出，產(chǎn)品底板溫度曲線與導(dǎo)熱基塊上端面溫度變化基本一致，但存時間延遲。延遲時長主要與接觸面的導(dǎo)熱填料有關(guān)。當(dāng)安裝面板與導(dǎo)熱基塊、以及安裝面與產(chǎn)品底板之間傳熱系數(shù)為500 W/(m2·K)時，升降溫期間的延遲時間為6 min，高低溫穩(wěn)定的延遲時間約30 min，即對應(yīng)圖7 所示的溫度曲線。導(dǎo)致高低溫穩(wěn)定延遲增加的原因是導(dǎo)熱基塊上端面到達(dá)目標(biāo)溫度穩(wěn)定后與產(chǎn)品底板之間的熱流量變小。實際控溫時，可采取保守方法，將控溫點溫度保持延長相應(yīng)的時間；也可采取人工干預(yù)的形式，即在升（降）溫操作時將導(dǎo)熱基塊上端面預(yù)設(shè)溫度提升（降低）一定幅度，待底板溫度接近目標(biāo)溫度時，逐步調(diào)整導(dǎo)熱基塊上端面溫度至預(yù)設(shè)值。

4 試驗實施及試驗結(jié)果

對于單機(jī)類產(chǎn)品，其內(nèi)部模塊及元器件一般是安裝在底板上，可以認(rèn)為產(chǎn)品的熱容以及測試發(fā)熱的部位主要集中在底部，因此選擇底板作為與調(diào)溫平臺進(jìn)行接觸傳熱的部位是非常合理的。對于產(chǎn)品的側(cè)殼與頂蓋，由于厚度較小，使用常規(guī)的紅外籠進(jìn)行加熱。圖8 為產(chǎn)品及試驗工裝的安裝示意圖。試驗時調(diào)溫平臺的導(dǎo)熱基塊均分為6 組，每組對應(yīng)1 個控制回路；紅外加熱籠的5 個加熱面各自為1 個控制回路，每個加熱面對應(yīng)1 個熱電偶測溫點。

圖8 正式試驗產(chǎn)品及工裝狀態(tài)Fig.8 State of DUT and fixture

試驗時以產(chǎn)品底板溫度T1、T2作為溫度判據(jù)，利用多通道控溫系統(tǒng)驅(qū)動直流電源對調(diào)溫平臺導(dǎo)熱基塊與產(chǎn)品側(cè)殼及頂蓋進(jìn)行控溫，升降溫速率設(shè)定為1.2 ℃/min。圖9 為試驗期間產(chǎn)品底板的溫度曲線，可見，高低溫指標(biāo)、升降溫速率均滿足試驗需求，其中在高低溫保持階段的溫度波動由產(chǎn)品加電測試引起，但均在4 ℃允差范圍內(nèi)。

圖9 正式試驗產(chǎn)品溫度曲線Fig.9 Temperature curve of the DUT in the test

5 結(jié)束語

增加熱傳導(dǎo)是增強(qiáng)熱真空試驗升降溫能力的有效方式。本文根據(jù)試驗需求與產(chǎn)品狀態(tài)研制了具有快速升降溫能力的調(diào)溫平臺。在進(jìn)行該平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，綜合考慮了控溫效果、升降溫能力、溫度均勻性等參數(shù)指標(biāo)，并利用熱分析軟件進(jìn)行了仿真驗證，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)模型。作為調(diào)溫平臺關(guān)鍵部位的導(dǎo)熱基塊，其結(jié)構(gòu)已基本定型，可根據(jù)不同試驗產(chǎn)品的尺寸對調(diào)溫平臺面積進(jìn)行擴(kuò)展。該平臺已在多個單機(jī)產(chǎn)品的熱真空試驗中得到應(yīng)用，效果顯著。