低温贮箱支撑结构与绝热性能研究＊

孟国亮，牛小亮，解 浩，秦娟娟，黄 波

（1.兰州工业学院，甘肃 兰州 730050；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518；3.中国石油天然气股份有限公司庆阳石化分公司，甘肃 庆阳 745000）

1 引言

深空探测中，低温推进剂因其比冲高、无污染而广泛应用于运载火箭，能有效减小探测器系统规模和载荷重量，节约成本。然而低温推进剂沸点低，在深空恶劣热环境中容易受热蒸发汽化，使低温贮箱内压力过大而引起容器结构损坏，当压力增大到一定值时需要排放掉汽化后的推进剂，在微重力下运行时，气体排放会在降低推进剂利用率的同时影响探测器的飞行姿态[1]。为减小推进剂受热蒸发汽化，实现低温推进剂长期在轨储存，需要降低外界环境对低温贮箱的漏热，而在低温贮箱总漏热中，通过支撑结构的漏热量占到主要部分[2]。

为了减小低温贮箱通过支撑结构的漏热量，国内外学者展开大量研究，其中雒慧云[3]在长寿命杜瓦支撑设计中，对杜瓦支撑系统进行了设计与优化；朱建炳和潘雁频[4]在星载辐射制冷器支撑带系统设计中，进行了支撑带的性能试验与系统设计；刘康[5]在纤维复合材料低温强冲击适用性研究中，进行了特种低温液体储运容器支撑结构与材料的研究。美国NASA机构提出的支撑带、折叠管、被动在轨非连接支撑杆等低温贮箱支撑结构，因其低漏热、高强度及高抗振等性能，在深空探测领域得到了广泛应用[6]。目前，国内对这3种支撑结构的研究很少，尤其是对优化后的被动在轨非连接支撑PODS-IV的研究几乎为零。文章拟对支撑带、折叠管和被动在轨非连接支撑等3种支撑结构进行介绍，分析各种结构的支撑性能和结构特点。通过对PODS-IV传热路径分析，计算不同工况下支撑结构的热阻与漏热量，探究PODS-IV的绝热性能，为进一步优化其支撑性能提供技术参考。

2 低温贮箱支撑结构设计和材料选用原则

在探测器工作过程中，支撑结构必须具有良好的支撑性能，影响低温贮箱支撑性能的因素主要有结构设计和结构材料。为保证支撑结构的强度要求和漏热要求，首先需要支撑结构具有良好的设计，能满足在常温和低温不同温度之间支撑的性能要求，能够承受发射时冲击振动载荷，保证在运行过程中刚度和机械强度要求；其次支撑材料要具有较低的热导率，在保证强度要求的基础上将漏热量减到最小。

2.1 支撑结构设计原则

作为低温贮箱支撑的关键部件之一，支撑结构不仅要能满足在深空探测器发射阶段和在轨阶段运行时，恶劣环境对强度和抗震性能的要求，而且要能有效减小外界通过支撑结构对贮箱的漏热量。因此在设计时，支撑结构应遵循以下原则：

（1）足够的机械强度和抗震性能：能承受工作过程中的冲击振动等载荷；

（2）良好的绝热性能：能有效降低外界环境通过支撑结构传递到低温贮箱的漏热；

（3）较轻的结构重量：材料的选择要轻量化，在满足支撑性能要求的前提下，降低系统整体结构重量；

（4）较高的可靠性：保证在工作过程中支撑结构的各项性能安全可靠。

2.2 支撑结构材料选择用原则

材料选用时，常用λ/σ（导热系数/强度）、λ/E（导热系数/模量）、σ/ρ（强度/密度）和E/ρ（模量/密度）等参数表征材料的性能，λ/σ（导热系数/强度）和λ/E（导热系数/模量）越小，表示材料的热传导的漏热量越小；σ/ρ（强度/密度）和E/ρ（模量/密度）越高表明，则表示材料重量越轻[7]。根据低温贮箱支撑结构的支撑属性和设计要求，支撑材料在满足刚度和机械强度要求的同时，尽可能选用λ/σ（导热系数/强度）和λ/E（导热系数/模量）较小的材料以降低低温贮箱通过支撑结构的漏热量；选用σ/ρ（强度/密度）和E/ρ（模量/密度）较大的材料以降低支撑系统的结构重量；在设计支撑结构时，可针对常温和低温不同温度区间进行组合设计，结合不同支撑元件选用不同材料，利用各种材料的不同属性，最大程度地发挥材料在不同温度区间内的优势，降低漏热量和支撑结构重量，增强支撑结构的绝热效果和可靠性。据此，对低温贮箱支撑时，金属材料可选用奥氏体不锈钢、殷钢等；非金属可选用S玻璃纤维环氧树脂、石墨纤维环氧树脂等作为支撑结构材料，材料属性见表1[8]。

3 支撑结构设计特点与应用

针对低温贮箱支撑结构对强度与漏热等支撑性能要求，目前低温系统领域应用较广泛的支撑结构主要有支撑带，折叠管和被动在轨非连接支撑等，下面结合这3种支撑结构的设计特点与应用，对其进行分析。

3.1 支撑带

支撑带通常是由纤维丝树脂复合材料绕型芯轴按单向缠绕，两端配合绕线轴组合而成，结构呈跑道型，如图1所示，纤维丝单向缠绕提高了其纵向强度与刚度。支撑带整体结构紧凑、传热系数小，具有较高的绝热性能和较强的抗振性能，在对低温贮箱进行支撑时只能承载拉伸载荷，主要用于核磁共振及航天等领域。在进行支撑安装时，为了平衡支撑带在常温和低温结构之间的受力，通常在低温贮箱轴对称位置以不同角度采用线轴或承载销安装6～8个支撑带，保证每个支撑带受力均匀，以免影响低温贮箱支撑形态和因受力不均而引起失效。美国圣巴巴拉研究中心（SBBC）为资源卫星主题热像仪（TM）及荷兰FOKKER公司为地球遥感卫星（ESA）研制的两级抛物面型辐射制冷器级间支撑均成功地应用了张力型支撑带。

图1 支撑带

3.2 折叠管

折叠管主要由3个小直径同轴薄壁圆柱管与杆端配件组合而成，3个同轴薄壁圆柱管与杆端连接件之间用环氧树脂黏结，如图2所示，其中，左端为折叠管冷端部分，TC表示折叠管的冷端面；右端为折叠管热端部分，TH表示折叠管的热端面，管1材料选用纤维增强复合材料，管2、管3采用S-玻璃环氧树脂材料，左端楔形环采用殷钢材料，其余配件选用奥氏体不锈钢。在折叠管左端，锁紧螺母与楔形殷钢环之间存在一定的间隙，管1、管2通过环氧树脂与楔形殷钢环粘结在一起，L3表示冷端面TC到管1、管2左端面之间的距离；在折叠管右端，管2、管3也通过环氧树脂与连接配件粘结，管2、管3连接配件与管1连接配件之间设置一定的间隙。当折叠管两端受到压力时，管2和管3被压缩，发生弹性形变，此时折叠管左端锁紧螺母与楔形殷钢环接触，载荷通过楔形殷钢环传递，3个同轴薄壁圆柱管同时起到支撑作用，增强了折叠管的支撑性能；当两端压力消失后，管2、管3恢复原状，锁紧螺母与楔形殷钢环分离，折叠管的传热路径延长为原来的3倍，降低了漏热量，增强了折叠管的绝热性能。两端的球面轴承确保其只承受轴向载荷，不承受弯曲载荷。两端受力状态不同时，折叠管内部结构也不同，从而增强了折叠管的支撑性能和绝热性能。相比较于支撑带，折叠管具有更大的支撑强度。

图2 折叠管

3.3 被动在轨非连接支撑

被动在轨非连接支撑主要由左端冷端部分和右端热端部分组成，如图3所示。其中，发射管和在轨管选用S-玻璃环氧树脂，接触杆和冷端体等选用奥氏体不锈钢。在PODS冷端，沿轴线方向接触杆与接触螺母和冷端体均有一定间隙，未发生接触，处于分离状态。在不同工作阶段，随PODS两端受力状态不同，接触杆与接触螺母和冷端体的接触状态也不同，从而使其具有被动分离特征[9]。具体来说：在深空探测器发射阶段，PODS两端受到较大轴向力，在轨管发生弹性变形，接触杆与接触螺母或冷端体发生接触，载荷传递路径直接由冷端体传递到接触杆，此时PODS结构具有较强的支撑性能；在轨阶段，PODS两端轴向力消失，在轨管恢复原状，接触杆与接触螺母或冷端体再度分离，实现了PODS的被动在轨分离特征，此时，传热经过在轨管，延长了传热路径，PODS结构具有较强的绝热性能。通过被动分离特征，实现了在探测器不同飞行阶段，PODS具有不同的支撑性能与支撑特点。

图3 被动在轨非连接支撑

然而在轨阶段，受气冷屏收缩及绝热层重量等因素影响，PODS发射管会受到侧向力作用，导致接触杆与接触螺母或冷端体发生接触，此时热载荷直接由冷端体传递到接触杆，传热路径不经过在轨管，造成热短路。热短路的发生缩短了传热路径，降低了PODS的绝热性能，增加了低温贮箱的漏热量。针对PODS在侧向力作用下发生热短路这一现象，通过研究员进一步研发，提出了一种新的PODS-IV结构[10]，如图4所示，PODS-IV强化了支撑结构的侧向力阻抗性能，一定受力范围内避免了热短路的发生。

图4 PODS-IV

PODS-IV结构是在PODS冷端增加了一个纤维丝结构[10]，如图5所示，在接触螺母外表面固定安装一个绕线支撑环，接触杆上安装一个可滑动的颈圈，用纤维丝将绕线支撑环与颈圈连接，其中纤维丝选用S-玻璃环氧树脂，绕线支撑环和颈圈选用奥氏体不锈钢。当PODS-IV受到侧向力作用时，纤维丝沿受力方向发生弹性变形，在一定受力范围内平衡掉了侧向力，增强了支撑结构对侧向力阻抗性能，从而避免了热短路的发生，进而增强了支撑结构的绝热性能。PODS-IV结构的应用大大减小了低温贮箱通过支撑结构的漏热量。

图5 PODS-IV纤维丝结构

4 PODS-IV支撑结构绝热性能分析

为了进一步探究纤维丝对PODS-IV的绝热性能影响，文章拟参考文献[8]中PODS-IV结构尺寸，对传热路径进行分析，并对其热阻与漏热量进行理论计算，同时分别对发生热短路时和未发生热短路时支撑结构的漏热进行仿真分析，根据分析结果探究PODS-IV的支撑性能。

4.1 PODS-IV传热路径分析

在轨运行阶段，当低温贮箱受到恶劣的外界环境及温差变化时，贮箱内气冷屏会在PODS-IV发射管上引起侧向力，导致支撑结构发生弯曲变形，从而使接触杆与冷端体发生接触，此时传热路径如图6中（a）所示，热载荷从热端部分经过发射管直接传递到了冷端部分，传热路径不经过在轨管，支撑结构发生热短路，热短路现象缩短了支撑结构的传热路径，增加了系统通过支撑结构的漏热量。当通过增加纤维丝结构避免热短路现象以后，PODS-IV主要传热路径如图6中（b）所示，热载荷从热端体经过发射管传递到冷端体，再进一步分解到在轨管和纤维丝上，随后传递到冷端接触杆，此时支撑结构没有发生热短路，传热路径较长，总热阻较大，能有效降低低温贮箱通过支撑结构的漏热量。

图6 PODS-IV不同工况下的传热路径

4.2 PODS-IV热阻与漏热量计算

为了分别探究在发生热短路和未发生热短路等不同工况下支撑结构的漏热量，对传热路径中热阻及漏热量进行计算。其中发射管、在轨管及纤维丝选用S-玻璃纤维/环氧树脂，其余零部件选用06Cr19Ni10不锈钢，考虑到支撑结构传热过程的几何非线性和材料非线性等因素，针对主要热阻元件发射管和在轨管，计算最恶劣的热阻情况。根据下列公式分别计算发射管、在轨管及纤维丝等热阻，以及通过支撑结构在不同工况下的漏热量Qs。其中，发射管和在轨管的热阻可用式（1）计算：

式中：Lf为发射管管长，LO为在轨管管长，dO1为在轨管外径，dO2为在轨管内径，df1为发射管外径，df2为发射管内径。

表2给出了发射管和在轨管结构的相关设计参数。

表2 主要热阻元件设计参数 （mm）

纤维丝总热阻可用式（2）计算：

热短路时支撑结构主要热阻为发射管热阻Rf；未发生热短路时，支撑结构主要热阻为发射管热阻Rf加在轨管热阻RO与纤维丝热阻RS的综合热阻，其增加热阻部分ROS可用式（3）计算：

纤维丝共n=12根，半径r=0.1 mm，纤维丝从绕线支撑环到颈圈长Ls=11 mm；S-玻璃纤维/环氧树脂导热系数为λ=0.000 7 W/（mm·K）。通过设置支撑结构热端温度T1为300 K，冷端温度T2为2 K，对支撑结构的漏热量进行计算。发生热短路时的漏热量可用式（4）计算：

未发生热短路时的漏热量可用式（5）计算：

通过计算可知，发射管的热阻Rf=1.06×104K/W，在轨管热阻为Ro=0.2478×104K/W，纤维丝总热阻为Rs=3.0×106K/W。支撑结构中发射管热阻最大，起主要绝热作用；在轨管热阻次之，主要功能是在未发生热短路时，其在发射管绝热的基础上进一步减小支撑结构的漏热量；纤维丝结构热阻最小，绝热作用最弱，其主要功能是在发射管受到侧向力时，起到侧向力阻抗作用，避免热短路的发生。在受到侧向力情况下，支撑结构发生热短路时的漏热Qs1=0.028 1 W，未发生热短路时的漏热Qs2=0.022 9 W，纤维丝结构使PODS-IV的绝热性能提高了18.5%。

4.3 支撑结构热通量数值仿真计算

在侧向力作用下，支撑结构传热路径与图6所示的传热路径保持一致，发生热短路时，发射管的平均热通量密度为-4.437×104W/mm2，热量从冷端体传递到接触杆，此时传热路径不经过纤维丝和在轨管，因此，在进行热通量计算时，将其结构隐藏，通过计算发现，此时发射管为主要热阻元件，如图7所示，支撑结构平均热通量密度为1.938 2×104W/mm2。未发生热短路时，经过发射管后的热通量会进一步分解到在轨管和纤维丝上，在轨管平均热通量密度为-5.978 8×106W/mm2，纤维丝平均热通量密度为-1.626 4×106W/mm2，仿真结果如图8所示，此时支撑结构的平均热通量为1.569 5×1044 W/mm2，计算可知，在纤维丝作用下，未发生热短路时，PODSIV平均热通量密度减少了0.368 7×104W/mm2，整体绝热性能提高了19.02%，仿真分析结果比理论计算值18.5%略大，这是由于理论计算时，只计算了最恶劣情况下通过主要热阻元件的热通量，未考虑两端支撑关节等其余元件的热阻。据此可知纤维丝结构显著降低了支撑结构的漏热量，有效提高了支撑结构的绝热性能。

5 结论

图8 PODS-IV未发生热短路时热通量

针对低温贮箱支撑结构高强度和低漏热量等性能要求，阐述了目前国内外广泛应用于低温贮箱的支撑结构以及设计原则，介绍了支撑带、折叠管以及被动在轨非连接支撑的结构特点。通过分析PODS-IV在不同工况下的传热路径，计算了主要绝热元件的热阻以及热通量，并对不同工况下的热通量密度进行了数值仿真计算，结果表明，纤维丝结构有效提高了PODS-IV的整体绝热性能19.02%，避免了热短路的发生，增强了支撑结构绝热性能。