肖田田 劉輝明 周振君 黃榮進(jìn) 李來(lái)風(fēng) 周 遠(yuǎn)

(1 中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(理化技術(shù)研究所)北京 100190)

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京 100076)

1 引言

真空多層絕熱(Multilayer Insulation,MLI) 于1951 年由瑞典的Peterson 首次研制成功[1]。傳統(tǒng)的真空多層絕熱材料(MLI)由低發(fā)射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔物交替組合而成。MLI 是目前世界上公認(rèn)的在高真空下具有最低熱導(dǎo)率的高真空絕熱材料,被稱之為“超級(jí)絕熱”。應(yīng)用于大型運(yùn)載火箭貯箱絕熱的噴涂隔熱泡沫工藝已經(jīng)很成熟。許多學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)隔熱泡沫在不同溫度范圍的有效熱導(dǎo)率進(jìn)行研究,都強(qiáng)調(diào)了泡沫中殘余氣體的重要性[2-3]。美國(guó)NASA 的Hedayat A 等人首次提出變密度多層絕熱材料(VDMLI)的概念[4],B.Wang 等人[5]對(duì)不同結(jié)構(gòu)的變密度多層絕熱材料的熱性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,利用層與層模型對(duì)VDMLI 進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)一套蒸發(fā)量熱系統(tǒng)測(cè)試VDMLI 在77—353 K 溫度范圍內(nèi)的溫度分布和表觀熱導(dǎo)率,結(jié)果表明,優(yōu)化后的VDMLI 比傳統(tǒng)的均勻MLI 的絕熱性能提高45.5%。

聚氨酯泡沫和多層絕熱材料相結(jié)合的復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)有效解決了飛行器地面停放、發(fā)射上升、在軌運(yùn)行階段低溫推進(jìn)劑貯箱絕熱問(wèn)題,具有絕熱效果好、質(zhì)量輕等特點(diǎn),是未來(lái)地面及空間低溫推進(jìn)劑貯箱絕熱形式主要發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)馬歇爾航天飛行中心的Hastings 等搭建了容積為18 m3的多功能液氫測(cè)試平臺(tái)(Multipurpose hydrogen test bed,MHTB)[6],測(cè)試了3.53 cm 厚的聚氨酯泡沫和45 層變密度多層絕熱材料組合結(jié)構(gòu)的熱性能,在軌保持模擬結(jié)果表明,當(dāng)熱邊界溫度在164—305 K 范圍內(nèi)變化時(shí),復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱流密度在0.085—0.31 W/m2范圍變化。Y.H.Huang 等人[7]采用傳統(tǒng)的層與層模型預(yù)測(cè)聚氨酯泡沫和變密度多層絕熱材料復(fù)合結(jié)構(gòu)(FMLI)的熱性能,并設(shè)計(jì)搭建了一套蒸發(fā)量熱系統(tǒng)對(duì)FMLI 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,并得到結(jié)論:在真空度為10-3Pa,冷邊界溫度為77 K,熱邊界溫度為293 K 時(shí),通過(guò)FMLI 的熱流密度為0.23 W/m2。

針對(duì)絕熱系統(tǒng)熱性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置主要分為兩類:低溫液體蒸發(fā)量熱測(cè)試裝置和基于制冷機(jī)的干式量熱計(jì)裝置。低溫液體蒸發(fā)量熱測(cè)試裝置是在固定的環(huán)境條件(邊界溫度(低溫液體飽和溫度)、冷真空壓力等)下測(cè)試試樣的熱性能的一套裝置,雖然它的冷邊界溫度固定不可調(diào)節(jié),但它仍是目前絕熱系統(tǒng)熱性能測(cè)試最常用的裝置之一。典型的圓筒形蒸發(fā)量熱器是美國(guó)NASA 制造的Cryostat-100[8],Cryostat-100 的測(cè)試腔體內(nèi)充滿液氮,上下各有一個(gè)保護(hù)容器,加熱系統(tǒng)控制熱邊界溫度,以實(shí)現(xiàn)78—293 K(350 K)溫區(qū)的材料性能測(cè)試?；谥评錂C(jī)的干式量熱計(jì)裝置是利用制冷機(jī)控制冷邊界溫度,量熱桿連接制冷機(jī)和測(cè)試腔體,對(duì)量熱桿進(jìn)行標(biāo)定得到待測(cè)試樣的漏熱量。D.Celik 等設(shè)計(jì)搭建的同心圓筒形量熱器利用兩個(gè)單級(jí)G-M 制冷機(jī)控制邊界溫度,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可靠性[9]。

為了對(duì)不同的隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試,本研究設(shè)計(jì)搭建一套基于制冷機(jī)的同心圓筒形干式量熱計(jì)裝置,利用一臺(tái)兩級(jí)的G-M 制冷機(jī)控制不同的邊界溫度,通過(guò)量熱桿上的溫差和標(biāo)定數(shù)據(jù)得到隔熱結(jié)構(gòu)在固定環(huán)境下的熱流密度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了隔熱泡沫/氣凝膠與MLI 的復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)以及VDMLI 等3組不同隔熱結(jié)構(gòu)的熱性能,并研究了變邊界溫度對(duì)隔熱結(jié)構(gòu)熱性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

本研究設(shè)計(jì)搭建一套基于制冷機(jī)的同心圓筒形干式量熱計(jì)裝置,其測(cè)試原理是通過(guò)對(duì)一根連接制冷機(jī)和測(cè)試腔體的量熱桿進(jìn)行標(biāo)定,在量熱桿上下兩端布置兩個(gè)溫度計(jì),通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度計(jì)溫差,以及量熱桿的傳熱參數(shù),利用傅里葉導(dǎo)熱定律,即可求得通過(guò)測(cè)試腔體隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱量Q。裝置包含干式量熱計(jì)單元,真空泵單元,溫度控制與監(jiān)測(cè)單元,數(shù)據(jù)采集單元[9],圖1 為裝置具體示意圖。

圖1 同心圓筒形干式量熱器裝置示意圖1.二級(jí)冷頭;2.量熱桿;3.冷屏支撐板;4.冷屏;5.待測(cè)隔熱結(jié)構(gòu);6.上保護(hù)銅板;7.下保護(hù)銅板;8.導(dǎo)熱棒;9.熱屏;10.真空腔;11.溫度計(jì)。Fig.1 Schematic of concentric cylindrical dry calorimeter

干式量熱計(jì)單元包含G-M 制冷機(jī),一根連接制冷機(jī)冷頭和冷屏的量熱桿,冷屏和熱屏。G-M 制冷機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境,采用控溫儀可實(shí)現(xiàn)不同的冷邊界溫度;冷屏由鋁制作而成,外徑204 mm,高500 mm,厚度為2 mm,冷屏中部有一支撐板;量熱桿連接制冷機(jī)二級(jí)冷頭和冷屏中部支撐板,起到連接與量熱作用,量熱桿是隔熱結(jié)構(gòu)熱性能測(cè)試的關(guān)鍵部件,需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定,量熱桿的材質(zhì)及尺寸由預(yù)估漏熱量決定;熱屏由銅制作而成,外徑384 mm,高700 mm,厚度為2 mm,通過(guò)控溫儀調(diào)節(jié)不同的熱邊界溫度。待測(cè)隔熱結(jié)構(gòu)包覆在冷屏側(cè)面上,冷屏上下端安裝熱保護(hù)銅板并包裹多層材料減少軸向漏熱影響,即熱流全部從冷屏側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)至量熱桿。

真空泵單元由機(jī)械泵和分子泵組成,維持裝置真空腔內(nèi)的壓力低于10-3Pa;溫度控制與監(jiān)測(cè)單元包括溫度計(jì)和控溫儀,PT100 鉑電阻溫度計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)冷屏、熱屏以及隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度情況,并由Keithley 2000 數(shù)字萬(wàn)用表和Lakeshore 218 溫度監(jiān)視儀進(jìn)行溫度信號(hào)采集,不同的冷熱邊界溫度由Lakeshore 332控溫儀和實(shí)驗(yàn)室自制NX 控溫儀調(diào)節(jié)控制;儀器采集的所有溫度和功率數(shù)據(jù)由LabVIEW 程序讀取并儲(chǔ)存。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置誤差分析

本研究搭建的基于制冷機(jī)的同心圓筒形干式量熱計(jì)裝置的不確定度來(lái)源于尺寸幾何測(cè)量、加熱功率測(cè)量、溫度測(cè)量、熱量損失影響等幾個(gè)方面,裝置的不確定度總結(jié)于表1 中。

表1 裝置不確定度Table 1 Uncertainties of device

由表1 可知,本裝置的合成不確定度為1.097 3%,略小于Y.H.Huang 等人[7]設(shè)計(jì)的低溫液體蒸發(fā)量熱系統(tǒng)的1.2%。不確定度主要來(lái)源于溫度測(cè)量和熱量損失影響,為了降低裝置的不確定度,應(yīng)該做好熱防護(hù)措施減少熱量損失,以及應(yīng)在系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 材料

本研究一共測(cè)試了3 組隔熱結(jié)構(gòu)的熱性能,1#結(jié)構(gòu)為20 mm 厚隔熱泡沫與30 層MLI 的復(fù)合結(jié)構(gòu),隔熱泡沫在室溫下的熱導(dǎo)率為0.02 W/(m·K),面密度低于800 g/m2,MLI 的反射層為6 μm 厚的雙面鍍鋁薄膜,間隔層為滌綸網(wǎng)。2#結(jié)構(gòu)為3 單元?dú)饽z組與65 層MLI 的復(fù)合結(jié)構(gòu),3 單元?dú)饽z組各自包括3 mm厚氣凝膠,聚酰亞胺以及0.025 mm 厚鋁箔,MLI 的反射層為鋁箔,間隔層為玻纖布。3#結(jié)構(gòu)為變密度多層絕熱材料,反射層為鋁箔,間隔層為玻纖紙,低密度區(qū)反射層與間隔層的比例為1:3,10 層反射層;中密度區(qū)反射層與間隔層的比例為1:2,10 層反射層;高密度區(qū)反射層與間隔層的比例為1:1,54 層反射層。圖2 為3 組結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2 3 組隔熱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of three groups of thermal insulation structure

4 結(jié)果與討論

4.1 不同量熱桿的標(biāo)定測(cè)試

量熱桿標(biāo)定原理如圖3 所示[9],量熱桿一端連接制冷機(jī)二級(jí)冷頭,另一端粘貼加熱器,并在量熱桿上3 個(gè)不同的位置分別粘貼溫度計(jì),對(duì)量熱桿施加不同的加熱功率,得到溫度計(jì)溫差以及量熱桿的傳熱參數(shù),安裝絕熱輻射屏減少熱量損失。

圖3 量熱桿標(biāo)定示意圖1.量熱桿;2.溫度計(jì);3.加熱器;4.絕熱輻射屏;5.二級(jí)冷頭。Fig.3 Schematic of calorimeter rod calibration

本研究分別對(duì)銅制量熱桿(直徑15 mm,長(zhǎng)210 mm)和鋁制量熱桿(直徑30 mm,長(zhǎng)210 mm)進(jìn)行在20 K,40 K,60 K,77 K 和100 K 溫度下的標(biāo)定,得到不同溫區(qū)下量熱桿加熱功率Q和量熱桿上溫差ΔT的關(guān)系式,以及量熱桿在不同溫度下的熱導(dǎo)率,如圖4 所示。

圖4 量熱桿標(biāo)定結(jié)果Fig.4 Results of calorimeter rod calibration

圖4a 為銅制量熱桿加熱功率Q與溫差ΔT的擬合曲線,圖4b 為銅制量熱桿實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱導(dǎo)率與NIST標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中RRR=100 的銅的熱導(dǎo)率的對(duì)比圖。從圖4b 中可以看出,銅制量熱桿實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱導(dǎo)率與NIST 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的熱導(dǎo)率吻合較好,在20—100 K 溫區(qū)內(nèi),銅的熱導(dǎo)率隨溫度升高而減小,根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律在相同的加熱功率Q下,熱導(dǎo)率λ減小,則量熱桿溫差ΔT增大,圖4a 很好地反映這一點(diǎn),理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖4c 為鋁制量熱桿加熱功率Q與溫差ΔT的擬合曲線,圖4d 為鋁制量熱桿實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱導(dǎo)率與文獻(xiàn)[10]中Al3003-F 的熱導(dǎo)率的對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)用鋁制量熱桿的熱導(dǎo)率與Al3003-F 的熱導(dǎo)率吻合較好。從圖4c 中可以看出,TC=60 K,TC=77 K,TC=100 K 3 條曲線基本重合。分析原因,在20—100 K溫區(qū)內(nèi),鋁的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大,但量熱桿溫度從60 K升高到100 K 時(shí),量熱桿的熱導(dǎo)率僅增大10 W/(m·K),增幅很小,同樣根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律,量熱桿溫差ΔT變化幅度也很小,反應(yīng)在圖4c中則3 條曲線基本重合。

對(duì)比銅制量熱桿和鋁制量熱桿,因?yàn)橄嗤瑴囟认落X比銅的熱導(dǎo)率要小,所以,在相同的邊界溫度和加熱功率下,鋁制量熱桿的溫差比銅制量熱桿的溫差大。銅制量熱桿上的最小溫差只有0.27 K,而鋁制量熱桿上的最小溫差為1.13 K,考慮到實(shí)驗(yàn)使用的PT100 鉑電阻溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.1 K,為了減小測(cè)溫誤差,實(shí)驗(yàn)選用鋁制量熱桿進(jìn)行隔熱結(jié)構(gòu)熱性能測(cè)試。

4.2 3 組隔熱結(jié)構(gòu)熱性能測(cè)試

圖5 為相同實(shí)驗(yàn)及邊界溫度條件下,實(shí)驗(yàn)所測(cè)的3 組隔熱結(jié)構(gòu)的熱流密度對(duì)比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為:系統(tǒng)真空度優(yōu)于10-3Pa,冷邊界溫度TC=20 K,熱邊界溫度TH=300 K。測(cè)試分析得3 組結(jié)構(gòu)的熱流密度分別為:1#結(jié)構(gòu)3.123 W/m2,2#結(jié)構(gòu)2.194 W/m2,3#結(jié)構(gòu)2.266 W/m2。

圖5 3 組隔熱結(jié)構(gòu)熱流密度對(duì)比圖Fig.5 Comparison of heat flux of three groups of thermal insulation structure

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,2#結(jié)構(gòu)和3#結(jié)構(gòu)的熱流密度相差不大,絕熱效果相當(dāng),而1#材料的絕熱效果較差。表明在高真空環(huán)境下,氣凝膠或隔熱泡沫對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的絕熱性能影響不大,MLI 或者VDMLI 起主要絕熱作用,1#結(jié)構(gòu)絕熱效果較差的原因可能是多層材料較少。

4.3 變邊界溫度對(duì)結(jié)構(gòu)熱性能影響

系統(tǒng)真空度優(yōu)于10-3Pa,首先在熱邊界溫度TH=300 K 一定時(shí),改變冷邊界溫度TC分別為20 K,40 K,60 K,77 K,100 K,分析冷邊界溫度改變時(shí)對(duì)1#結(jié)構(gòu)熱性能的影響。然后在冷邊界溫度TC=20 K 一定時(shí),改變熱邊界溫度TH分別為300 K 和350 K,分析熱邊界溫度改變時(shí)對(duì)1#結(jié)構(gòu)熱性能的影響。用鋁制量熱桿實(shí)驗(yàn)測(cè)得1#結(jié)構(gòu)的熱流密度如表2 所示。

表2 1#結(jié)構(gòu)變邊界溫度測(cè)試熱流密度結(jié)果Table 2 Heat flux results of variable boundary temperature test of 1# structure

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,熱邊界溫度一定,冷邊界溫度由20 K 增大到100 K 時(shí),通過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)的熱流密度略有減小;冷邊界溫度一定,熱邊界溫度由300 K增大到350 K 時(shí),通過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)的熱流密度急劇增大。也就是說(shuō),熱邊界溫度變化引起的熱流密度的變化幅度比冷邊界溫度變化引起的熱流密度的變化幅度大。分析原因,在高真空環(huán)境下,氣體導(dǎo)熱可以忽略不計(jì),固體導(dǎo)熱和輻射傳熱起主要作用。在冷邊界區(qū)域固體導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用,測(cè)試的復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)在冷邊界區(qū)域隔熱泡沫起主要隔熱作用,冷邊界溫度增大導(dǎo)致泡沫熱導(dǎo)率增大,泡沫兩側(cè)溫差減小,但熱流密度變化不大,而在熱邊界區(qū)域輻射傳熱起主導(dǎo)作用,根據(jù)輻射傳熱4 次方定律,熱邊界隨溫度升高呈4 次方規(guī)律增大,熱流密度急劇增大。

5 結(jié)論

隔熱泡沫與MLI/VDMLI 的復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)是低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌貯存的有效被動(dòng)熱防護(hù)手段之一。本研究設(shè)計(jì)搭建一套同心圓筒形干式量熱器對(duì)3 組不同的隔熱結(jié)構(gòu)的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。得出以下結(jié)論:

(1)基于制冷機(jī)的同心圓筒形干式量熱器避免了使用低溫制冷劑實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和測(cè)量誤差,邊界溫度可調(diào),量熱桿是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的關(guān)鍵部件,需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定分析,本研究選擇直徑為30 mm,長(zhǎng)度為210 mm 的鋁制量熱桿進(jìn)行隔熱結(jié)構(gòu)熱性能測(cè)試。

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的3 組隔熱結(jié)構(gòu)的熱性能對(duì)比表明,在高真空環(huán)境下,氣凝膠或隔熱泡沫對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的絕熱性能影響不大,MLI 或者VDMLI 起主要絕熱作用。

(3)對(duì)1#結(jié)構(gòu)變邊界溫度測(cè)試結(jié)果表明,熱邊界溫度一定,冷邊界溫度由20 K 增大到100 K 時(shí),通過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)的熱流密度略有減小;冷邊界溫度一定,熱邊界溫度由300 K 增大到350 K 時(shí),通過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)的熱流密度急劇增大。