热真空试验系统温度均匀度试验研究

陈立涛，张 伟（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）

热真空试验系统温度均匀度试验研究

陈立涛，张 伟
（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）

热真空试验是航天器研制过程中非常重要的一项试验，作为满足热真空试验必不可少的工具，好的热真空试验系统可以保证试验件在不失真的情况下试验，使试验受控，而热真空试验系统温度均匀度不好，会造成过试验或欠试验的产生。文中以某型热真空试验设备为例，通过试验研究分析其温度均匀度，可以提高热真空试验的精度。

热真空试验；过试验；温度均匀度

引言

在航天器的研制和服役过程中，必须进行各种类型的空间环境模拟试验，以充分暴露产品的潜在缺陷，检验航天器的设计和制造质量。作为空间环境试验中的重要组成部分，热真空试验对航天器研制起着举足轻重的作用。

热真空试验系统是满足热真空试验必不可少的工具，好的热真空试验系统可以保证样品在不失真的情况下试验，使试验受控，达到试验的目的。作为热真空试验系统的重要指标之一，温度均匀度的好坏对评价热真空试验系统的好坏有着十分重要的意义[1-12]。

1 热真空试验系统

航天器发射入轨后会遇到复杂的空间环境，如真空、冷黑、太阳辐射、粒子辐照和原子氧等，对于航天器而言，这些空间环境会产生相应的空间环境效应，如压力差效应、真空放电效应、材料蒸发升华、热辐射效应（空间真空环境下气体传导和对流可忽略，传热以辐射为主导）、真空出气效应和金属冷焊等。空间环境会对航天器产生极其重要的影响，其中以太阳辐射、冷黑环境及真空环境的影响最严重，他们影响航天器的热性能、电性能和力学性能，对航天器正常工作构成重大的威胁。为了检验航天器在空间环境中的工作性能，在地面使用专用设备对外层空间的太阳辐射、冷黑环境及真空环境进行模拟，暴露航天器设计和质量缺陷，即为热真空试验[1]。

热真空试验是在规定的压力与鉴定级或验收级热真空试验的温度条件下，暴露产品的设计与工艺问题，评定其工作性能，验证其功能的试验。热真空试验分为鉴定级热真空试验和验收级热真空试验。鉴定级热真空试验的目的是证明航天器在规定的压力和鉴定级温度条件下是否满足设计要求；验收级热真空试验的目的是在规定的压力和验收级温度条件下暴露材料、工艺和制造方面的缺陷。作为空间环境试验的重要组成部分，热真空试验对航天器的研制起着举足轻重的作用，各国研制航天器的大量实践证明，这种试验非常有效，热真空试验已成为必做的试验项目之一[1]。

热真空试验系统是按照热真空的试验要求提供高真空、高温和低温的恒温与交变，以及被试件特殊要求等条件的专项试验设备[2]。热真空试验主要模拟两个参数，即高真空环境和热环境。热真空试验系统主要组成部分有：真空容器、抽气系统、热沉，升降温系统和温度采集与控制系统及其他特殊需求的机构。其中真空容器是试验空间所在，常由碳钢或者不锈钢制成；抽气系统是由粗抽、分子泵和低温泵组成，用来获取需要的高真空环境；热沉一般采用紫铜管板式内表面涂表面吸收率不小于0.9的黑漆，制冷采用液氮制冷或者机械制冷，以此来模拟外层空间冷黑环境，加热采用红外灯阵或者加热笼的方式；温度控制是热真空试验中很重要的一环，一般采用“自适应”控制理论和方法。文中以KM1型热真空试验系统为例，对热真空试验系统的重要指标—温度均匀度进行了试验研究。

2 温度均匀度试验研究

该热真空试验系统为KM1型，真空室有效尺寸Φ 1200 mm×1500 mm（直段），热沉有效尺寸Φ 1000 mm×1500 mm，制冷采用液氮制冷，加采用加热笼，加热笼有效尺寸为500 mm×500 mm×800 mm，该KM1热真空试验系统极限真空度为4×10-5Pa，热沉温度≤100K，温度范围-150℃～+120℃，控温精度±1℃（在-40℃～+70℃范围内），±2℃（在-40℃～+70℃范围外，-150℃～+120℃范围内）升温速率≥1.5℃/min，降温速率≥1.0℃/min。

试验时真空度要求优于6.65×10-3Pa，以该试验系统内的长方形试件安放平台作为试验样件，温度控制点C位于该试件中心，在试件四个角布置4个监测传感器1、2、3和4，如图1所示。

将传感器布置好后，按照热真空试验系统操作规程进行开机试验，在抽真空满足试验要求后进行温度试验，温度控制点开始于环境温度升到规定的温度并稳定，分别选择+70℃和120℃两个个温度点，每个温度点停留时间为3小时，热真空试验温度曲线如图2所示。

选取每个+70℃和120℃两个温度点在保温临结束20分钟内分别采集的20组温度值，与控制点的温度对比如图3和图4所示。

由图3和图4试验结果可知，温度监测点1和2处温度以及监测点3和4处采集的温度值和控制点的温度有明显的差别，在距离液氮管路近的试件两角布置的温度监测点1和2比控制点温度低，而另外两个温度监测点3和4温度明显比控制点温度高。

图1 传感器分布图

图2 热真空温度曲线

图3 70℃控制点与监测点温度对比

图4 +120℃控制点与监测点温度对比

试件上各点温度不均匀的产生，是因为在真空环境下热传递只有一种方式，即辐射，而不是常压下的热传递三种方式传导、对流和辐射，在高真空（优于1×10-3Pa）时，真空容器内空气几乎为零，热传导和对流可以忽略，试验件温度的获取完全靠辐射的方式。对于本型KM1热真空试验系统，热沉是管路通液氮表面涂吸收率0.9以上黑漆，以此来模拟外层空间中的冷黑环境效应，加热笼作为外热源用来模拟太阳辐射,试验件温度的获取是靠冷黑背景的热沉辐射（液氮制冷）以及加热笼的加热辐射决定的，试件上各点温度不均匀的产生是与各点和热沉及加热笼的相对位置综合相关的。

真空容器内试件上各点温度的不均匀产生的另一个因素是热真空试验系统中热沉温度不均匀，热沉的温度均匀性主要由热沉的结构和热沉内循环的工质来决定，热沉上开孔面积的大小和开孔（观察窗、法兰盘）的多少也对热沉的温度均匀性产生影响。热沉温度的不均匀性可以通过调整试件在热沉中空间位置来消除这种影响[12]。

目前而言，热真空试验最常见的控温策略是单点控制，即采用一个温度点作为控制，单个控温点布置在试验件上，这种单点控温的控温方式，试件上各点温度是不均匀的，特别是对于尺寸较大的试验件而言，会导致试件上不同位置点的温度差别很大，很可能会造成过试验或者欠试验的产生，通过进行温度均匀度研究，选择合适的温度控制点，对热真空试验的温度控制有很大的指导意义。

3 结束语

由上述试验可以得知，对于此次试验的热真空试验系统，试件上各个点的温度分布有明显差异，在距离液氮管路近的试件两角布置的温度监测点1和2比控制点温度低，而另外两个温度监测点3和4温度明显比控制点温度高。试件上各点温度的不均匀是由于各温度点与热沉和加热笼的相对位置远近及热沉温度不均匀造成的。

理论上讲，随着试件尺寸的增大，试件上各点的温度均匀度的差异会更大，特别是对于大尺寸的试验件而言，在此时进行热真空试验时候，更要考虑试件温度均匀度差异，避免过试验和欠试验的产生，这也正需要我们进一步的研究。通过研究试件温度均匀度分布，选择合适的温度控制点，可以更好的使试件各个部位温度可控，避免某些部位温度过试验或者欠试验的产生，从而保障热真空试验的成功进行。

［1］黄本诚， 马有礼.航天器空间环境试验技术［M］.北京： 国防工业出版社， 2002.

［2］刘强.对热真空环境模拟试验设备设计中有关问题的讨论［J］.真空与低温， 2006，12（4）： 238-245.

［3］刘锋.热真空试验中的热控方法［J］.航天器环境工程， 2003， 20（3）：1-6.

［4］王铸.某航天小卫星的真空热试验［J］.航天器环境工程， 2005，22（2）： 97-99.

［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，2009.

［6］郭赣.真空热试验的温度测量系统［J］.航天器环境工程， 2009，26（1）： 33-36.

［7］闫格， 杨建斌， 刘强等.热真空环模试验中温度参数的探讨［J］.真空与低温， 2011， 17（1）： 32-36.

［8］张景川， 谢吉慧， 王奕荣等.航天器真空热试验测控系统应用现状及发展趋势［J］.航天器环境工程， 2012， 29（3）： 263-267.

［9］孙兴华， 苏新明， 陶涛.真空热试验热电偶测温参考点分析改进［J］.航天器环境工程， 2012， 29（5）： 522-526.

［10］刘中华， 李树杰， 刘国强.热真空试验设备中的控温方式研究［J］.电子产品可靠性与环境试验， 2012， 30（4）： 1-5.

［11］黄光萍.热真空设备中与温度相关的试验技术探讨［J］.环境技术，2012， 2（1）： 21-26.

［12］刘敏， 刘波涛， 贾阳， 万强.热沉温度均匀性分析［C］.2003年度低温技术学术交流会论文集， 2005： 43-50.

陈立涛，男，中国电子科技集团公司第三十八研究所，工程师，博士，主要从事环境及可靠性试验的研究工作。

Experimental Research of Temperature Uniformity for Thermal Vacuum Test System

CHEN Li-tao， ZHANG Wei
（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088）

Thermal vacuum test plays an important role in spacecraft development process.As an indispensable tool for thermal vacuum test， good thermal vacuum test system not only can guarantee a thermal vacuum test without distortion， but also can make the thermal vacuum test be under control.However， over or under test will be caused if the temperature uniformity of a thermal vacuum system is not well.An experiment of a thermal vacuum system is investigated in this paper， in which the temperature uniformity is tested.And the distribution of the temperature uniformity is shown by the analysis of the experiment result， which can improve the accuracy of the thermal vacuum test.

thermal vacuum test； over test； temperature uniformity

TB75

A

1004-7204（2016）03-0021-03