航天器真空热试验的负压过冷系统设计

刘 然，丁文静，茹晓勤，李培印

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

航天器真空热试验的负压过冷系统设计

刘 然，丁文静，茹晓勤，李培印

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

航天器外部组件（如太阳电池阵）进行热真空试验时，其表面温度需降至-170℃，一般的空间环境模拟器配备的液氮及热沉系统很难将试验件冷却至-170℃，为进一步降低试验温度，研制一种负压过冷系统。系统由过冷器、加热系统、压力控制系统和管路连接系统组成，利用液氮在真空环境中具有更低饱和温度的特性以获得比常规液氮系统更低的液氮温度。设计了负压过冷系统，搭建了工程样机，并且进行了调试试验。试验验证结果表明，过冷器出口温度低于-200℃，针对-170℃温区的试验，可缩短试验周期40%。

真空热试验；空间环境模拟器；负压过冷系统；设计

0 引言

真空热试验是航天器空间环境模拟试验中的重要试验之一，可以使航天器在真空环境和热环境中暴露航天器的材料和工艺缺陷，排除早期失效，从而大幅提高航天器在轨运行的可靠性[1]。在轨期间长期暴露于航天器外部的组件（如太阳电池阵），处于温度剧烈变化的太空环境中，真空热试验非常重要。不同于卫星其他部件的热真空试验，太阳电池阵鉴定真空热试验中最低温度一般要达到-170℃，且在75～-160℃区间的降温时间要求不大于185 min[2]。

航天器的真空热试验一般在空间环境模拟器中进行，通常采用常压过冷系统对热沉进行冷却，使热沉温度维持在-173℃，模拟太空中的冷黑环境[3-6]。在这种情况下，试验件依靠与热沉进行辐射换热，很难在规定时间内降至-160℃，为达到低温限温度（-170℃）也需要耗费大量的时间，不但增加了试验周期，而且使试验经费也大幅增加。热沉中的液氮温度决定了热沉和试验件所能达到的极限温度，因此，进一步降低液氮温度是解决该问题的关键。

液氮的饱和温度随液氮压力的降低而降低，利用这一性质，可通过降低过冷器中饱和液氮的压力获得更低的温度，用于冷却过冷器内换热器的高压液氮。

1 系统方案

负压过冷系统的主要技术指标：（1）过冷器出口温度低于-200℃；（2）系统热负荷50 kW。负压过冷系统由过冷器、加热系统、压力控制系统及相应的管路等组成，通过控制过冷器内容器的压力可得到更低的液氮温度，系统原理如图1所示。

负压过冷系统的工作流程为：压力控制系统将过冷器内容器的压力抽至负压，过冷器容器内的饱和液氮温度随压力的下降而下降，通过过冷器内板翅式换热器的热交换，换热器内流动的高压液氮温度降至更低的温度。负压下的饱和液氮因吸热不断气化，产生的低温氮气经两级电加热器加热至常温，压力控制系统将加热至常温的气体排出系统。压力控制蝶阀的开关将维持过冷器内容器压力的稳定，缓冲气罐将对系统压力的波动。

图1 负压过冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of negative pressure subcooling system

设计负压过冷系统时，首先确定过冷器内部温度，根据出口温度确定过冷器内部压力，并根据系统热负荷计算真空泵抽气速率，最后匹配加热功率，根据计算结果配置主要设备，形成负压过冷系统。

根据氮的热物理性质，三相点的温度为-210℃，压力为0.0125 MPa，当温度低于-210℃时，液氮会凝固成固体，所以过冷液氮制冷最低理论极限温度是-210℃[6]。为防止液氮进入三相点温度从而凝固，导致换热器换热效率降低，应控制液氮温度在-208℃以上。已知液氮在0.02 MPa压力下，饱和温度约为-207.4℃，此时过冷器出口密闭循环液氮温度可维持低于-200℃。在系统热负荷内，热沉温度可维持低于-190℃，可实现试验件-170℃温区的真空热试验。

根据不同的试验需求，可通过压力控制系统控制过冷器内部压力，用于达到不同的热沉温度需求。通常负压过冷系统具备两种工作模式：

（1）常规试验时，打开过冷器放空口，关闭负压过冷系统中的低温调节阀，此时压力控制系统不需要工作，过冷器作为常压过冷器参与液氮循环，将从热沉出口流出的液氮降低至-188℃左右；

（2）进行太阳电池阵或其他对温度由特殊要求的试验时，开启低温调节阀，关闭放空口，启动压力控制系统，对过冷器内部进行抽真空操作，同时依次启动I、II级电加热器，保证真空泵抽走的氮气处于常温。通过控制过冷器内部压力，调节过冷器出口液氮温度，从而控制热沉温度在试验温度要求范围内。

2 关键设备设计与选型

2.1 压力控制系统

压力控制系统主要用于带走过冷器因吸热而产生的气态氮气。压力控制系统包括机械泵、缓冲罐、测量系统和控制柜，如图2所示。

机械泵主要用于将过冷器本体抽真空至目标压力，缓冲罐作为机械泵抽气的缓冲罐，测量与控制系统主要用于控制系统压力。其中机械泵抽速的匹配是设计关键。

图2 压力控制系统示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure control system

机械泵抽速由系统的气体负荷决定，主要有两部分组成：

（1）系统热负荷引起的气体负荷

环境模拟设备本身需要带走试验件产生的热量，该热量需要通过过冷器内的液氮气化潜热带走。系统设计最大热负荷50 kW（按已有环境模拟设备低温工况下的热负荷选取），过冷器内容器液氮由此部分热负荷带来的气化量见式（1）[7]。

式中：qm1为液氮消耗量，kg/s；Q为热负荷，kW；γ为液氮汽化潜热，kJ/kg。经计算，qm1=0.236 kg/s。

（2）过冷器补液附加热气体负荷

过冷器内容器内由于液氮不断吸热气化，需根据试验液氮耗量对过冷器内容器进行液氮补充，以维持内容器液氮量的稳定。负压状态下，过冷器内容器中液氮压力0.02 MPa，过冷器补液压力为储槽液氮压力，一般取0.25 MPa，不同压力下，液氮的物性参数如表1所示。

表1 不同压力下LN2的饱和温度Table1 Saturated Temperature of LN2at different pressure

当压力为0.25 MPa的饱和液氮流入过冷器内容器时，过冷器内负压液氮会吸热气化，称为过冷器补液时产生的附加热负荷，计算如式（2）[8]：

式中：Qa为补液产生的附加热负荷，kW；qm1为过冷器补液量，与液氮消耗量相同，kg/s；Cp为液氮定压比热，取平均值2.01 kJ/kg·K；ΔT为液氮温度变化量，19.7℃。经计算，Qa=9.32 kW。由此热负荷带来的液氮汽化量按计算，qm2=0.044 kg/s。由计算结果可知，系统液氮气化量为qm=qm1+qm2=0.28 kg/s。氮气在0.02 MPa下（-207.4～20℃）的平均密度为0.636 kg/m3，所以过冷器所产生的氮气为440 L/s。

根据计算结果，所需稳定条件下的压力控制系统的抽速不小于440 L/s，依靠阀门的PID调节，将过冷器内容器真空度维持在0.02±0.002 MPa之间。所选取的蝶阀控制系统的控制精度达到真空规最大测量范围的0.1%，选取在0.02 MPa时精度较高的电容薄膜真空规，可达到的控制精度为100 Pa，能够满足±2 000 Pa控制要求。过冷器真空抽气范围从大气到0.02 MPa，管道气流的流导对抽速的影响不大，但选取的真空泵的抽速应在0.02 MPa时能达到440 L/s，因此根据真空泵的抽气曲线，选取2台莱宝公司的SV300型真空泵和2台SV630BF型真空泵并联抽气，其技术参数分别为：

（1）机械泵名义抽速：SV300型≥280 m3/h；SV630BF型≥640 m3/h；

（2）机械泵在20 000 Pa时的抽速：SV300型≥240 m3/h；SV630BF型≥600 m3/h。

2.2 加热系统

加热系统主要作用是将过冷器放空口抽出来的冷氮气加热至室温，保证压力控制系统内设备的安全。加热系统采用两级电加热器串联加热，可保证稀薄的氮气被均匀的加热。

由于负压过冷系统在工作状态时，饱和液氮挥发出来的氮气也处于负压状态，因此氮气的密度较小，与加热器的换热功率大幅度下降。如果采用普通电加热器对稀薄的气体进行加热，则会产生电加热器炉芯温度过高，但被加热氮气温度却不能升高至目标温度的现象。为了避免这种现象，加热系统采用两级电加热器串联加热的方式。

I级电加热器可将氮气温度由-207.4℃加热至-50℃，II级电加热器将氮气温度加热至10℃。电加热器的有效功率可由式（3）计算：

式中：Q为电加热器有效功率，kW；T1为氮气出口平均温度，K；T2为氮气进口温度，K；Cp为氮气的定压比热，kJ/kg·K；qm为氮气质量，0.28 kg/s。经计算，QI=46 kW，QII=17.5 kW。

考虑电加热器加热效率、热损失等因素，选择I级电加热器功率50 kW，II级电加热器功率20 kW。

2.3 过冷器

过冷器由内外容器组成，内容器包含板翅式换热器，换热器内有两种流体，一种流体为从热沉排出的高压液氮；另一种是过冷器内容器内的负压饱和液氮，两种流体经过充分的热量交换，将从热沉排出的液氮冷却为具有一定过冷度的液氮，重新流回热沉。

相对于常规的常压过冷器，负压过冷器内容器增加了负压的承压要求，因此应对过冷器的内容器进行结构强度校核计算，以确认其是否满足负压的要求。

设备筒体为圆筒形，承受外压，按照短圆筒稳定条件，其壁厚由式（4）[9]进行计算。

式中：E为材料的弹性模量，206×103MPa；C为壁厚附加量，0 mm；Di为筒体内径，mm；p为设计压力，0.1 MPa；L为筒体计算长度，mm。经计算，Sn=4.62 mm＜5 mm，根据计算可知筒体厚度取5 mm可以满足要求。

3 试验验证

利用已有KM3级环境模拟设备搭载建设负压液氮过冷系统样机，将负压液氮过冷系统连接在已有的KM3液氮系统管路上，形成液氮系统的单相密闭循环。该系统的工作原理是整个系统管路及热沉经过充分的预冷并充满液氮后，启动液氮泵，液氮泵将过冷状态下的液氮以一定的压力和流量输送到模拟室内的热沉，将热沉吸收的热量带走，然后返回过冷器，与过冷器内负压下的液氮进行热交换，重新达到过冷状态。

对负压过冷系统进行了单机测试，调试数据如表2所列。

表2 负压过冷系统调试数据Table2 Commissioning date of negative pressure subcooling system

最终系统达到稳定状态后，负压过冷器内部压力稳定在49.5 kPa，过冷器出口温度最终达到-203.1℃，热沉平均温度为-198.0℃，热沉温度随时间变化曲线如图3所示。

图3 热沉温度随时间变化曲线Fig.3 The temperature of thermal shroud varies with time

由于氮气在抽真空过程中流经的设备较多，管线较长，系统流阻较大，导致稳压罐与过冷器内容器中的压力较大，并随着压力的降低，压差也大。最终导致过冷器内容器稳定压力未能达到0.02 MPa。但负压液氮过冷器主要目的在于降低过冷器出口液氮温度，过冷器出口温度已达到-203.1℃，优于技术指标要求。随后对负压过冷器系统进行了试验测试。测试试验件为“国旗”，测试试验件温度为-170～+170℃，测试结果如图4所示。

图4 试验件测试结果Fig.4 Test result of specimen

试验结果表明，启动负压过冷器之前，试件降至-150℃之后，降温速率大幅减小，经过24 h后，试件达到-160℃，但依然无法达到目标温度。之后启动了负压过冷系统，试件表面温度顺利达到-170℃。在下一个高低温循环中，在+75～-160℃温度范围内，试件降温时间缩短了55%，整个高低温循环时间缩短了40%，大幅度缩短了试验周期。

4 结论

负压过冷系统利用了液氮在负压环境下饱和温度降低的特性，通过对过冷器内容器进行抽真空，可有效的降低热沉温度。通过验证试验，达到的效果为：

（1）实现了过冷器出口温度降至-203℃，热沉平均温度降至-198℃；

（2）拓宽了航天器真空热试验的试验温区，顺利完成了-170～+170℃温区的试验；

（3）在+75～-160℃温度范围内，试件降温时间缩短了55%，整个高低温循环时间缩短了40%，大幅度缩短了试验周期。

负压过冷系统的研制成功，对于提高航天器热真空试验水平、增强空间环境模拟器市场竞争力、拓展试验领域等方面起到重要的作用。

[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，2002：39-40.

[2]马有礼.航天器太阳电池阵热真空试验技术[J].航天器环境工程，2000，17（1）：29-38.

[3]达道安.空间低温技术[M].北京：国防工业出版社，2004：422-439.

[4]黄本诚，童靖宇.空间环境工程学[M].北京：中国科学技术出版社，2010：85-89.

[5]刘波涛，茹晓勤，张立伟，等.小卫星空间模拟器KM3B的研制[J].航天器环境工程，2006，23（4）：232-235.

[6]刘波涛，黄本诚，余品瑞，等.液氮系统设计系统[J].中国空间科学技术，2002，V22（3）：61-64.

[7]陈国邦，黄永华，包锐，等.低温流体热物理性质[M].北京：国防工业出版社，2006：190.

[8]杨世铭，陶文铨编著.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998：2-35.

[9]王心明.工程压力容器设计与计算[M].北京：国防工业出版社，2011：32.

NEGATIVE PRESSURE SUBCOOLING SYSTEM DESIGN FOR SPACECRAFT THERMAL VACUUM TEST

LIU Ran，DING Wen-jing，RU Xiao-qin，LI Pei-yin
（Beijing Institute of Space Environment Engineering，Beijing 100094）

The spacecraft external components（such as solar array）surface temperature is needed to be reduced to-170℃during thermal vacuum test.The specimen is hard to be cooled to-170℃ by the liquid nitrogen and thermal shroud system of conventional space environment simulator.A negative pressure subcooling system was developed to further reduce the test temperature.The system consists of subcooler，heating system，pressure control system and piping system，utilizes liquid nitrogen to have a lower saturation temperature at negative pressure to obtain a lower liquid nitrogen temperature than conventional liquid nitrogen systems.Negative pressure subcooling system was designed in this paper，and an engineering prototype was built and tested.The result of thermal tests shows that the outlet temperature of subcooler can reach lower than-200℃and the period of thermal tests with the lowest temperature of-170℃can be minimized to 40%.

thermal vacuum test；space environment simulator；negative pressure subcooling system；design

V416.8

A

1006-7086（2017）05-0292-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.008

2017-07-25

刘然（1984-），女，北京人，硕士，主要从事空间环境模拟技术。E-mail：liuran_cast511@126.com。