PDF《密封舱常压热试验环境模拟技术》

? 密封舱常压热试验环境模拟技术 苏新明

1 ,王??晶1,2 ,郄殿福 1,2 ,纪欣言

1 ,谢吉慧

1 ,徐照武

1 ,许冬彦

3 ,李日华

1 (1.

?北京卫星环境工程研究所,北京??100094;

2.?北京卫星环境工程研究所???可靠性与环境工程技术重点实验室,北京??100094;

3.?中国航天标准化研究所,北京??100071) 摘要:文章探讨了可用于载人航天器的常压热试验环境模拟技术,包括空间站的在轨漏热分析、多 层常压隔热性能试验以及大型常压热试验验证系统试验能力分析,在此基础上完成了空间站某密封舱段的大 型常压热试验,并基于试验结果进行漏热对比分析,验证所用常压热试验环境模拟技术的效果能达到 预期. 关键词:空间站;

密封舱;

常压热试验;

环境模拟;

多层隔热组件;

露点 ???????中图分类号:V416.5 文献标志码:A 文章编号:1673-1379(2018)04-0388-06 DOI:?10.3969/j.issn.1673-1379.2018.04.014 Environmental simulation technology for ambient pressure thermal test of sealed cabin SU?Xinming

1 ,?WANG?Jing 1,2 ,?QIE?Dianfu 1,2 ,?JI?Xinyan

1 ,?XIE?Jihui

1 ,?XU?Zhaowu

1 ,?XU?Dongyan

3 ,?LI?Rihua

1 (1.?Beijing?Institute?of?Spacecraft?Environment?Engineering,?Beijing?100094,?China;

2.?Science?and?Technology?on?Reliability?and?Environmental?Engineering?Laboratory, Beijing?Institute?of?Spacecraft?Environment?Engineering,?Beijing?100094,?China;

3.?China?Astronautics?Standards?Institute,?Beijing?100071,?China) Abstract:?The?environmental?simulation?technology?for?the?ambient?pressure?thermal?test?of?the?manned spacecraft?is?tested?through?the?heat?leakage?analysis?of?the?space?station,?the?ambient?pressure?test?for?the?thermal insulation?behavior?of?the?multi-layer?insulator?(MLI),?and?the?test?capability?analysis?of?the?large-scale?ambient pressure?thermal?test?validation?system.?Based?on?the?results,?a?thermal?test?is?conducted?for?the?pressurized?cabin of?a?space?station.?The?effectiveness?of?the?environmental?simulation?technology?is?validated?by?the?heat?leakage comparison?based?on?the?test?results. Key words:?space?station;

?sealed?cabin;

?ambient?pressure?thermal?test;

?environmental?simulation;

?MLI;

?dew point ? 收稿日期:2018-04-06;

修回日期:2018-08-08 基金项目:国家质量技术基础项目 航天装备关键共性技术标准研究 (编号:2016YFF0202402) ? 引用格式:苏新明, 王晶, 郄殿福, 等. 密封舱常压热试验环境模拟技术[J]. 航天器环境工程, 2018, 35(4): 388-393 SU X M, WANG J, QIE D F, et al. Environmental simulation technology for ambient pressure thermal test of sealed cabin[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2018, 35(4): 388-393 Vol.?35,?No.?4 航??天??器??环??境??工??程第?35?卷第?4?期388 SPACECRAFT?ENVIRONMENT?ENGINEERING 2018?年?8?月http://www.seejournal.cn E-mail:[email protected] Tel:?(010)68116407,?68116408,?68116544

0 引言 载人空间站(如国际空间站、 和平号 空间 站)都是多舱段组合,支持长期载人及多向对接的 大型、永久性空间站.为保证载人空间站在轨运行 的稳定性及可靠性,需要在地面开展各类功能及性 能试验.由于空间站体积庞大、功耗高、考核项目 多、试验周期长、影响因素复杂、涉及的学科和分系 统众多,其地面热试验往往技术复杂、耗资巨大 [1] . 出于安全性和资金方面的考虑,国际上一般只针对 空间站单个舱段开展真空环境下的热试验,在常压 环境下开展空间站组合体的热试验 [2] .例如,国际 空间站在地面开展了常压热集成试验 [3-6] ,验证了组 合体状态下各舱段之间热接口的匹配性以及能流 输运关系.?在整星常压热试验方面,我国唐伯昶等 人[7] 对在地面条件下开展整星常压热试验的方法进 行了研究,提出了常压热试验隔间的分区温度控制 方法,并指出对于带有密封舱的载人航天器可以采 用常压热试验对以对流换热为主的密封舱内部进 行可靠性考核.我国空间站可以借鉴国内外的相关 研究经验,充分利用真空热试验和常压集成热试 验,对密封舱内的温度和环境控制能力进行全面 验证. 对于我国正在研制的空间站而言,其单个舱段 的高度均在 10?m 以上,在竖直状态下开展真空热 试验时,密封舱内部存在 烟囱效应 ,以致无法 准确模拟密封舱内部的气体换热情况;

而在常压热 试验时可以将舱段水平放置,避免了 烟囱效 应 ,从而可以对密封舱内气体换热以及空气流动 的情况进行充分的验证.因此对于载人空间站,开 展常压热试验是对真空热试验结果的进一步补充 和完善,有利于获得全面准确的试验数据,支撑空 间站的研制. 本文围绕大型载人航天器常压热试验环境模 拟技术,进行了空间站在轨漏热分析、空间站多层 隔热组件常压隔热性能分析、大型常压热试验验证 系统研制及试验能力分析,最后通过常压集成热试 验,对比分析了空间站某舱段在常压热试验中的漏 热模拟情况.

1 在轨漏热分析 开展常压热试验,应首先分析常压环境对试验 结果的影响,获得准确的热边界模拟方法.依据航 天器在轨热平衡原理 [8] ,通过分析,空间站密封舱在 轨热平衡关系为 式中:Qp 为乘员的代谢产热;

Qd 为平台设备热负 荷;

Qe 为实验载荷热负荷;

Qr 为辐射器排散热负 荷;

Qz 为空间站对载人飞船和货运飞船支持的热负 荷;

Ql 为密封舱漏热量. 式(1) 中只有密封舱漏热量与环境条件有关, 因此,如果在常压条件下能够准确模拟空间站的漏 热量,则可为空间站提供有效的在轨热边界.通过 进一步的仿真计算发现,低温工况时,漏热量可能 超过热耗的 20%,因此在常压试验时必须准确模拟 漏热量.在常压热试验中舱体漏热量取决于试验环 境温度,说明大型常压热试验系统的环境温度控制 能力是开展空间站密封舱常压热试验的基础.

2 多层隔热组件常压隔热性能测试 获得空间站多层隔热组件在常压下的隔热性 能,可以指导确定不同工况下的环境模拟温度,对 于常压热试验中漏热模拟的准确性有重要意义.为此,基于一维稳态导热模型 开展了空间站多层隔热组件的隔热性能试验测试. 式(2) 中:Q0 为稳态时通过多层的热量;

λe 为多层 当量导热系数;

A 为多层面积;

δ 为多层厚度;

Tout 为 多层冷端温度;

Tin 为多层热端温度;

R 为多层等效 热阻. 常压环境下多层隔热组件的隔热性能测试原 理如图

1 所示,试验中以铝合金为基板,采用加热 片加热的方式在常压热循环箱中完成测量. ? ? ? 图?1????多层隔热组件的隔热性能测试原理 Fig.?1????Principle?of?thermal?insulation?test?of?MLI ? 第?4?期 苏新明等:密封舱常压热试验环境模拟技术

389 共进行

6 个试验工况(见表 1)的测试.通过对 测量结果进行分析,得到不同工况下的多层当量导 热系数和等效热阻如图

2、图3所示.考虑到系统 误差,可以近似地认为:不同工况下得到的

15 单元 多层的当量导热系数和等效热阻一致,分别约为 0.02?W/(m・K) 和2.88?℃/W.即在常压条件下多层 的隔热性能基本稳定,受环境温度的影响较小 [9] . 基于该结果进一步确定了开展空间站密封舱常压 热试验时不同工况的环境模拟温度. ? ? ? 表?1????多层隔热性能试验工况 Table?1????Conditions?for?MLI?insulation?behavior?test ? 工况 箱内环境温度/℃ 模拟加热电流/A

1 -60 0.5,?0.8

2 -40 0.5,?0.6

3 -20 0.5,?0.3

4 0 0.5,?0.3

5 10 0.5,?0.3

6 20 0.5,?0.3 ? ? ? ? 图?2????不同工况下多层当量导热系数 Fig.?2????Equivalent?thermal?conductivities?of?MLI ? ? ? ? 图?3????不同工况下多层等效热阻 Fig.?3????Equivalent?thermal?resistances?of?MLI ?

3 大型常压热试验验证系统 3.1????系统研制 大型常压热试验验证系统(CY-1200 常压箱) 是我国首个具有液氮温区的大型常压热试验系统, 由箱体隔热系统、加热制冷系统、测控系统、电气控 制系统以及辅助系统等组成,在常压热试验中可为 空间站密封舱提供稳定的环境温度边界,并根据工 况的改变进行调整.在其研制过程中,突破了高低 温极限温度、大空间温度场控制、大跨度机械结构 宽温区交变防变形以及低温区运行湿度控制等关 键技术.该系统的实际指标如表

2 所示,加热方式 采用电加热,制冷方式采用液氮制冷.其低温模拟 极限、温度均匀性及稳定性等核心技术指标均领先 国内同类产品,可以满足大型载人航天器的常压热 试验需求.建成后的系统外观见图 4. ? ? ? 表?2????大型常压热试验验证系统指标 Table?2????Specifications ?of ?the ?large-scale ?ambient ?pressure thermal?test?validation?system ? 类别 系统指标 有效试验空间 21?m(L)*8?m(W)*7?m(H),沿 长度方向可分为 A、B 两舱 运行模式 1)A 舱独立运行 2)B 舱独立运行 3)A+B 舱运行 温度指标 范围:-160~120?℃ 偏差:优于±2?℃ 均匀度:优于 3?℃ 升/降温速率 升温:0~5?℃/min,连续可调 降温:0~7?℃/min,连续可调 湿度控制 采用高纯氮气除湿,具备-70?℃ 以下的露点温度测试能力 ? ? ? ? 图?4????大型常压热试验验证系统外观 Fig.?4????The ?appearance ?of ?the ?large-scale ?ambient ?pressure thermal?test?validation?system ? 3.2????仿真模型 在大型常压热试验验证系统建设完成后,为进 一步获得该系统的除湿及升/降温能力,分别建立 了CY-1200 常压箱单独和带有空间站某密封舱段 的仿真模型,如图

5 所示,采用流体力学仿真对系 统的热环境模拟能力进行分析. 模型的上部气体处理单元中间截面为风扇面, y 方向吹风形成纯氮气流动动力;

进口设置为质量

390 航??天??器??环??境??工??程第?35?卷 流量入口,出口设置为自然出口;

箱内气体使用氧气、 氮气、水蒸气多组分流,流体域使用 k-ε 湍流模型 [10] . ? ? ? 图?5????CY-1200 常压箱仿真模型 Fig.?5????Simulation?model?of?the?CY-1200?chamber ? 3.3????除湿能力 为考察大型常压热试验验证系统将环境露点 降至-70?℃ 的能力,首先需要确定-70?℃ 时对应的 水蒸气饱和蒸气压.较为精确的低温水蒸气饱和蒸 气压关联式主要有 Goff?Gratch [11] 和Bolton? [12] ,表3列出了按这

2 种关联式计算得到的-50~-80?℃ 对 应的水蒸气饱和蒸气压数据. ? ? ? 表?3????低温水蒸气饱和蒸气压 Table?3????Saturated?water?vapor?pressure?in?low?temperaure ? 温度/℃ 水蒸气饱和蒸气压/Pa Goff?Gratch Bolton -80 0.116?6 0.107?5 -70 0.513?1 0.489?8 -60 1.937?8 1.892?3 -50 6.422?2 6.356?8 ? 从表

3 可以看出,-70?℃ 时的水蒸气饱和蒸 气压分别为 0.513?1?Pa(Goff?Gratch)和0.489?8?Pa (Bolton),本文计算时取-70?℃ 时的水蒸气饱和蒸 气压为这

2 个数值的近似平均值 0.5?Pa,其常压下 对应的含湿量(水蒸气质量分数)为3.22*10 -6 ?,水蒸 气摩尔分数为 4.94*10 -6 ?.因此,当仿真计算得到常压箱 内环境中水蒸气的摩尔分数下降至 4.94*10 -6 ?mol/mol 时,即认为系统可将箱内环境的露点降至-70?℃. 大型常压热试验验证系统除湿能力的仿真计算条 件如表

4 所示. ? ? 表?4????大型常压热试验验证系统除湿能力仿真计算条件 Table?4????Conditions ?for ?dewatering ?simulation ?regarding ?the large-scale ?ambient ?pressure ?thermal ?test ?validation system ? 工况 有、无 密封舱 入口流量/ (m

3 ?h -1 ) 初始条件 目标 露点/℃

1 无3200 ??箱内温度 25?℃, 空气相对湿度 80%, 进入氮气温度 25?℃ -70

2 有?图6给出了

2 种工况下常压箱内的流场分布. 可以看出,工况

1 时进入的氮气在风扇的吹动下流 经了整舱的空间,而工况

2 中密封舱段位置处的气 流比较紊乱.图7给出了

2 种工况下常压箱内水蒸 气的摩尔分数随时间变化的曲线,工况

1 和工况

2 箱内环境露点降至-70?℃ 所需要的时间分别是 3.6?h 和2.8?h,说明在有密封舱段的情况下,箱内气体量 更少,更有利于系统除湿. ? ? ? 图?6??................