低气压温控设备的舱内环境温度影响因素分析

何超，李高，丁文静，李昂，顾磊



低气压温控设备的舱内环境温度影响因素分析

何超，李高，丁文静，李昂，顾磊

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

低气压温控设备用于模拟临近空间低气压和高低温环境，低气压环境的温度场控制是低气压温控设备的关键指标，也是设计难点。文章首先通过Fluent软件对无风扇扰动的低气压舱中的环境温度进行数值仿真，研究热沉开孔对舱内环境温度的影响；在低气压舱模型中增加风扇模型，分析强制换热对低气压舱内环境温度的影响。通过在低气压温控设备中进行的无强制对流的温度控制试验，研究此时空间温度的降温速率、试验舱压力和舱内试件工装对舱内环境温度的影响。数值计算和试验研究结果表明，热沉开孔、扰动风扇、试验舱压力和试件工装均对低气压舱内环境温度有影响，在低气压温控设备的研制中，需综合考虑上述因素。

低气压；温控；数值仿真；Fluent

0 引言

临近空间[1-2]的战略价值已逐渐引起世界各国的关注和重视。20世纪90年代，美国、日本、韩国、巴西以及欧洲各国已经投入了大量的人力、物力对临近空间相关技术进行了可行性研究论证以及试验[3-7]。我国从2000年开始平流层飞艇的科研项目。

临近空间的环境模拟试验是验证临近空间飞行器可靠性的重要手段。不同于航天器空间环境模拟器的高真空环境[8]，临近空间的环境模拟器不仅要关注冷背景温度（热沉温度），更要关注低气压下的环境温度，低气压下的传热机制除了辐射换热外，还需要考虑导热和对流换热，使得温度的影响因素更复杂。本文应用数值仿真和试验方法对低气压下的环境温度影响因素进行分析，以期为低气压温控环境模拟设备的设计和试验方法积累经验。

1 低气压温控方法

低气压温控设备如图1所示，低气压试验舱体为外承压结构，试验有效空间为1800mm×2500mm。配置压控系统控制舱内的环境压力，调压范围为10Pa～常压。温控系统将舱内热沉调节至目标温度，通过热沉与舱内稀薄气体进行换热来控制舱内环境温度，其中制冷系统采用二元复叠制冷，能够使热沉冷背景温度降至-80℃。相比于两级压缩机械制冷，复叠制冷由2个独立的制冷循环叠加而成，高温和低温制冷剂都在合适的温区工作，比两级压缩输气系数高、能源消耗小、能效比大，从而更经济。系统还配置了风扇，用于加强舱内稀薄气体的对流换热，提高舱内的换热效率，从而提高环境温度的升/降温速率和均匀性。相比国内现有低气压温控设备，该设备试验空间大，试验温度低，舱内温度场的控制难度增加。为了提高设备的温度性能，分析影响低气压环境温度的因素是十分必要的。

图1 低气压温控设备结构示意

2 模型建立

Gambit是Fluent公司自行研发的前处理软件，具有超强组合建构模型能力和专用CFD前置处理器，用于建立几何形状及生成网格。通过Gambit软件建立试验舱的计算模型，并进行网格划分，采用六面体结构化网格，试验舱模型和网格如图2和图3所示。建模时需考虑试验舱观察窗、测控法兰的热沉开孔、导轨和热沉间隙。热沉温度-80℃，容器内壁温度-13℃，舱内压力为2000Pa。分别对风扇开启前、后试验舱内环境温度场进行计算，研究热沉开孔和风扇对舱内温度场的影响。

图2 试验舱模型

图3 试验舱网格

3 数值计算结果

通过Fluent软件[9-12]对未开启风扇时舱内的换热进行数值模拟，试验舱内环境通过导热和辐射与热沉进行热量交换，舱内温度分布如图4所示。可以看出，温度稳定后，靠近热沉壁面的环境温度接近热沉温度-80℃，热沉和舱内容器内壁夹层之间温度较高，通过热沉开孔影响试验舱内环境温度，环境温度随着远离热沉逐渐升高，试验舱内中心区域温度为-72℃。

用Fluent软件模拟风扇开启后试验舱内的速度场和温度场，如图5和图6所示，舱内稀薄气体产生流动，加强了对流换热，但由于风扇设置位置靠近热沉顶部开孔，热沉与容器壁夹层的高温气体通过风扇进风口进入试验舱，舱内的温度均匀性反而有所下降。

图4 风扇未开启时舱内温度分布

图5 风扇开启后的舱内速度场

图6 风扇开启后的舱内温度场

修正试验舱模型，遮挡顶部热沉开孔后再次对试验舱内换热过程进行数值模拟，舱内温度分布如图7和图8所示。环境温度受开孔温度影响减小，热沉壁面附近温度最低接近-80℃，距离热沉大于200mm处的环境温度基本维持在(-75±1)℃，舱内最低温度和温度均匀性得到明显改善。

图7 遮挡顶部开孔后的舱内速度场

图8 遮挡顶部开孔后的舱内温度场

4 试验分析

4.1 试验设备简介

试验设备操作界面如图9所示，试验除了记录试验舱冷背景温度（热沉温度）外，还布置了8个环境测温点，用于试验舱内环境温度的测量。环境温度测点分布如图10所示。试验设备参数如下：试验有效空间为1800mm×2500mm；温度范围为-85～150℃；压力范围为10Pa～常压；舱内无风扇扰动。

图9 低气压舱温控界面

图10 舱内环境温度分布

4.2 试验结果分析

试验共进行空载及有载2次调试。空载调试试验温度随时间变化如图11所示，调试过程中维持舱内压力2000Pa，并分别在降温2h和3.5h时对舱内压力进行降压和升压操作。温度数据见表1。

图11 空载调试温度随时间变化

根据表1的调试数据，在试验舱压力2000Pa时，舱内环境温度能够在90min内降到-60℃，之后随着与外界温差的增大，设备的漏冷热负荷增加，以及制冷机制冷温度的降低，制冷量下降，舱内环境降温速率变小。

试验过程中分别对试验舱内进行降压和升压操作，2h时试验舱压力从2000Pa降至500Pa，舱内环境温度由-66℃降至-75℃，压力恢复至2000Pa后温度也升回至-66℃。3.5h时试验舱压力从2000Pa升至3000Pa，舱内环境温度由-69℃升至-66℃，压力恢复至2000Pa后温度也降回-69℃。热沉冷背景相同时，试验舱内压力越高，舱内气体的热导率越高，与周围环境漏冷越多，试验舱内温度越高；反之，试验舱内环境温度随压力降低而降低。

表1 试验舱内温度

有载试验在舱内增加了试件车、试验工装和试验件，维持舱内压力为3000Pa。试验温度随时间变化如图12所示。

图12 有载调试温度随时间变化

从图11可以看出，空载时试验舱降温3.5h、舱内压力3000Pa时，环境温度能够达到-66℃，但在图12有载调试数据中，3000Pa时降温7h后环境温度达到-64℃（中间保持试验温度1.2h），环境降温速率远低于空载调试。在高真空的空间环模设备中，试件车等试验工装对试件和环境温度的影响较小；而在低气压试验舱内放置尺寸较大、热容较大的试件和工装时，试件及工装升/降温速率远小于热沉和环境温度，在低温工况时，试件和工装相当于热源，对周围环境温度有加热效应，大大降低了环境温度的降温速率。

5 结束语

本文通过数值仿真和试验方法对低气压试验舱的环境温度影响因素进行分析。可以看出在低气压温控设备中，环境温度的影响因素与高真空的空间环模设备有较大差异，对设备研制和试验工装设计均提出新的要求：

1）设备内部无风扇扰动时，热沉开孔对环境温度有明显影响，在设计时应尽量减少不必要的开孔；

2）经合理设计，扰动风扇能够减小热沉开孔的影响，改善设备的环境温度及其均匀性；

3）随着试验舱内温度降低，向周围环境漏冷量增加，且制冷机制冷量降低，舱内环境温度的降温速率会降低；

4）试验舱内压力越高，气体热导率越大，在冷背景一致的情况下，向舱外的漏热损失越大，因此试验舱内环境温度越高；而舱内压力越低，则舱内环境温度越低；

5）合理设计试验件工装，尽量减少工装的尺寸和热容，避免试验件工装对舱内环境温度的影响。

[1] 景晓龙, 张建伟, 黄树彩. 临近空间发展现状与关键技术研究[J]. 航天制造技术, 2011(2): 17-21

JING X L, ZHANG J W, HUANG S C. Development actuality and key technology of near space[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011(2): 17-21

[2] 聂万胜, 罗世彬, 丰松江, 等. 近空间飞行器关键技术及其发展趋势分析[J]. 国防科技大学学报, 2012, 34(2): 107-113

NIE W S, LUO S B, FENG S J, et al. Analysis of key technologies and development trend of near space vechicle[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2012, 34(2): 107-113

[3] COLOZZA A. Initial feasibility assessment of a high altitude long endurance airship: NASA/CR-2003-21272[R]

[4] NACHBAR D F. Next generation thermal airship[C]//AIAA 3rdAnnual Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Technical Forum. Reston, 2003: 1-16

[5] LEE Y G, KIM D M, YEOM C H. Development of Korean high altitude platform systems[J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2006, 13(1): 31-42

[6] EGUCHI K, YOKOMAKU Y, MORI M, et al. Feasibility study program on stratospheric platform airship technology in Japan[C]//Proc 13thAIAA Lighter-Than-Air System Technology Conference. AIAA 99-33350. Norfolk, 1999

[7] HARADA K, EGUCHI K, SANO M, et al. Experimental study of thermal modeling for stratospheric platform airship[C]//AIAA 3rdAnnual Aviation Technology, Integration, and Operations(ATIO) Technical Forum. AIAA 2003-6833. Reston, 2003: 17-19

[8] 黄本诚, 马有礼. 航天器空间环境实验技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 1-8

[9] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998: 101-202

[10] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1998: 483-488

[11] 周俊杰. Fluent工程技术与实例分析[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010: 193-275

[12] 于勇. Fluent入门与进阶教程[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008: 121-144

（编辑：冯露漪）

The influence factors of environmental temperature in the chamber of low pressure and temperature control facility

HE Chao, LI Gao, DING Wenjing, LI Ang, GU Lei

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The low pressure and temperature control facility can be used to simulate the environment of the near space, characterized by low pressure and high & low alterating temperature. First, the control of the temperature field concerns a main technical specification of the low pressure and temperature control system, which is relatively difficult. The environmental temperature in the low pressure chamber without fan is numerically simulated by the software Fluent, and the effect of the opening hole in the heat sink on the environment temperature inside the chamber is studied, then the fan model is added to the low pressure chamber, and the effect of the forced-convection heat transfer on the low pressure chamber is analyzed. The temperature control test in the low pressure chamber without the forced-convection heat transfer is completed, to evaluate the influening factors such as the cooling rate, the chamber pressure, and the test pieces and the toolings. Simulation and test result all indicate that the hole in the heat sink, the disturbance of fan, the pressure of the chamber, and the test fixtures all have some effect to the environmental temperature of the low pressure chamber. Those factors should be considered integratedly in the development of low pressure and temperature control facility.

low pressure; temperature control; numerical simulation; Fluent

V416.5; TP3

A

1673-1379(2017)04-0434-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.017

何超（1985—），男，硕士学位，主要从事空间环境模拟试验设备的研究工作。E-mail: hechao85112@126.com。

2017-05-02；

2017-07-20