空间环境模拟设备大热流内仿形模拟器设计

杭满福

（兰州真空设备有限责任公司，甘肃 兰州 730050）

1 引言

卫星及其航天器在进入空间轨道飞行阶段后，长期处于真空和冷黑的空间环境中，同时接受空间外热流与卫星内部热流的共同影响。空间环境模拟设备是为了在地面模拟太空的“冷黑”、“高真空”和“外热流”等环境而研制的一种大型多功能综合设备，是卫星及其航天器等在地面进行各种性能、可靠性和长寿命试验的关键设备[1～7]。

大热流内仿形模拟器设计正是用于空间环境模拟试验，用来模拟卫星部件在空间环境下瞬间受到自身内部产生的大热流辐射效应。由于模拟辐射热流密度最大达到500 kW/m2，模拟辐射面积为1 m2，总加热功率取1.1倍的富裕系数，其设计为555 kW，且整个模拟加热器安装于卫星部件的局限锥形内腔内，故与通常空间外热流模拟所采用的太阳模拟方法和红外模拟方法相比较，具有模拟辐射热流密度大，设计结构复杂，测控难度高等特点。

2 大热流内仿形模拟器的组成

本模拟器的设计主要由内仿形石墨加热器、热流计、电源及其控制系统组成。

2.1 石墨加热器

内仿形石墨加热器采用石墨作为发热体，其优点是在真空下使用温度范围广，加工容易，可根据卫星部件的内腔结构进行仿形设计。据有关资料显示，在真空环境下，石墨在100 K至2 400 K的温度范围内宜选用多晶材料。石墨具有一定的强度；且随温度的变化，电阻率变化很小；石墨的热导性能也很好。所以选用石墨多晶材料作为本模拟器的发热体是合适的。

为了提高模拟器对卫星部件内型面的热流分布均匀度，将石墨加热器辐射面积1 m2按上、中、下3个等面积平均分配，设计为三层不同规格尺寸的发热体，由上往下依次为三层加热器、二层加热器、一层加热器。石墨加热器总功率设计为555 kW，每层加热功率为185 kW，单相连接，三层加热器设计取相同的表面负荷，用以控制辐射热流的方向和均匀度。具体设计结构参见图1。

图1 加热器结构

三层加热器对应由三层石墨托盘通过陶瓷绝缘柱安装固定。6根石墨电极位于整个加热器的中心部位，呈六边形分布，参见图2。石墨托盘由6根石墨电极通过石墨螺母和陶瓷绝缘环绝缘支撑，可有效防止真空低温下启动加热时，发热体、石墨托盘及陶瓷件受强冷热冲击碎裂。整个加热器组件安装在由石墨隔热层、金属底板、瓷环组成的具有隔热作用的隔热平台上。石墨电极通过隔热平台底部引出与外控制电路连接。

每层加热器的设计符合试验卫星部件的内部型面锥度，加工方法采用整体加工成形，参见图3。

图2 石墨电极位置结构

图3 单层加热器结构

2.2 热流计

热流计用来测量石墨加热器表面辐射或接受试验卫星部件表面吸收的热流密度。本模拟器的功率输出根据热流计实际测得的石墨加热器表面辐射热流密度进行控制。热流计一般分为光电型和热型两类。光电型热流计具有响应快，输出信号大的特点，但它的光谱响应窄，而且响应随波长而变化。热型热流计响应速度较慢，信号输出小，但它在较宽的波长范围内具有较均匀的光谱响应，有利于测量辐射热流。本模拟器设计选用热型热流计。热流计处于真空、低温的环境中，因受到石墨加热器的表面辐射热累积，温度较高时对热流计自身不利，通常采取冷却措施。

2.3 电源及其控制系统

模拟器功率控制系统采用3组单相控制方式，选用控制精度为0.1%的智能化热流（温度）控制仪表，采用可控硅移相触发方式来实现电压的无级调节，从而达到功率控制的目的。功率控制系统框图参见图4。

图4 功率控制系统框图

热流（温度）控制仪表具有任选的PID参数，自调谐功能。其输出4～20 mA电流信号给触发单元，触发单元把电流信号变为电压信号，其输出电压信号控制励磁回路的直流电压电流，从而控制磁调的电压电流，保证了模拟器的功率控制功能。输出电压的范围比较宽，一般为额定输入电压的0%～98%，具有软启动、软关断、恒流、限流以及缺相保护、负载短路保护、过流保护、过热保护等功能。

3 与其他空间外热流模拟方法的比较

采用由石英灯组成的红外加热阵的红外模拟方法和采用金属电阻片组成的红外加热笼的红外模拟方法，最早并成熟应用于模拟空间外热流环境。这2种方法的不足之处在于模拟输出功率及热流密度相对较小，若继续增大辐射热流密度，则模拟器的使用寿命大大缩短，且不能模拟动态热环境和提供异型空间内的热流辐射模拟效应。

另一类空间外热流模拟方法是采用太阳模拟器，主要用来研究太阳辐射在卫星上产生的光谱能量效应和热效应。通常模拟热流密度为一个太阳常数，约为1～2 kW/m2。太阳模拟器技术复杂，研制成本高，装调、操作与维护均十分困难，运行费用昂贵，能耗高并具有一定的危险性。

4 结论

以石墨作为发热体的大热流内仿形模拟器实现了在空间模拟环境下、局部空间内的大热流辐射效应，相对较好地实现了卫星及其航天器热环境的瞬变热流模拟，可以实现卫星及其航天器异型空间的局部热流模拟效应。随着航天技术的不断发展，航天应用领域的不断拓展，相信该种类型的大热流异型模拟器将在空间环境模拟试验中发挥更重要的作用。

［1］阎守胜，陆果.低温物理试验的原理与方法[M].北京：科学出版社，1985.

［2］达道安.真空设计手册（3版）[M].北京：国防工业出版社，2004.

［3］徐成海.真空工程技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

［4］王天泉.电阻炉设计[M].北京：航空工业出版社，2000.

［5］柯受全.卫星环境工程和模拟试验[M].北京：中国宇航出版社，1993.

［6］毛根旺，唐金兰.航天器推进系统及其应用[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

［7］达道安，谈治信.中国航天器真空技术的进展[J].真空与低温，2001，7（4）：187～193.