孟國亮，牛小亮，解 浩，秦娟娟，黃 波

（1.蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050；2.機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518；3.中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司，甘肅 慶陽 745000）

1 引言

深空探測中，低溫推進劑因其比沖高、無污染而廣泛應用于運載火箭，能有效減小探測器系統(tǒng)規(guī)模和載荷重量，節(jié)約成本。然而低溫推進劑沸點低，在深空惡劣熱環(huán)境中容易受熱蒸發(fā)汽化，使低溫貯箱內壓力過大而引起容器結構損壞，當壓力增大到一定值時需要排放掉汽化后的推進劑，在微重力下運行時，氣體排放會在降低推進劑利用率的同時影響探測器的飛行姿態(tài)[1]。為減小推進劑受熱蒸發(fā)汽化，實現低溫推進劑長期在軌儲存，需要降低外界環(huán)境對低溫貯箱的漏熱，而在低溫貯箱總漏熱中，通過支撐結構的漏熱量占到主要部分[2]。

為了減小低溫貯箱通過支撐結構的漏熱量，國內外學者展開大量研究，其中雒慧云[3]在長壽命杜瓦支撐設計中，對杜瓦支撐系統(tǒng)進行了設計與優(yōu)化；朱建炳和潘雁頻[4]在星載輻射制冷器支撐帶系統(tǒng)設計中，進行了支撐帶的性能試驗與系統(tǒng)設計；劉康[5]在纖維復合材料低溫強沖擊適用性研究中，進行了特種低溫液體儲運容器支撐結構與材料的研究。美國NASA機構提出的支撐帶、折疊管、被動在軌非連接支撐桿等低溫貯箱支撐結構，因其低漏熱、高強度及高抗振等性能，在深空探測領域得到了廣泛應用[6]。目前，國內對這3種支撐結構的研究很少，尤其是對優(yōu)化后的被動在軌非連接支撐PODS-IV的研究幾乎為零。文章擬對支撐帶、折疊管和被動在軌非連接支撐等3種支撐結構進行介紹，分析各種結構的支撐性能和結構特點。通過對PODS-IV傳熱路徑分析，計算不同工況下支撐結構的熱阻與漏熱量，探究PODS-IV的絕熱性能，為進一步優(yōu)化其支撐性能提供技術參考。

2 低溫貯箱支撐結構設計和材料選用原則

在探測器工作過程中，支撐結構必須具有良好的支撐性能，影響低溫貯箱支撐性能的因素主要有結構設計和結構材料。為保證支撐結構的強度要求和漏熱要求，首先需要支撐結構具有良好的設計，能滿足在常溫和低溫不同溫度之間支撐的性能要求，能夠承受發(fā)射時沖擊振動載荷，保證在運行過程中剛度和機械強度要求；其次支撐材料要具有較低的熱導率，在保證強度要求的基礎上將漏熱量減到最小。

2.1 支撐結構設計原則

作為低溫貯箱支撐的關鍵部件之一，支撐結構不僅要能滿足在深空探測器發(fā)射階段和在軌階段運行時，惡劣環(huán)境對強度和抗震性能的要求，而且要能有效減小外界通過支撐結構對貯箱的漏熱量。因此在設計時，支撐結構應遵循以下原則：

（1）足夠的機械強度和抗震性能：能承受工作過程中的沖擊振動等載荷；

（2）良好的絕熱性能：能有效降低外界環(huán)境通過支撐結構傳遞到低溫貯箱的漏熱；

（3）較輕的結構重量：材料的選擇要輕量化，在滿足支撐性能要求的前提下，降低系統(tǒng)整體結構重量；

（4）較高的可靠性：保證在工作過程中支撐結構的各項性能安全可靠。

2.2 支撐結構材料選擇用原則

材料選用時，常用λ/σ（導熱系數/強度）、λ/E（導熱系數/模量）、σ/ρ（強度/密度）和E/ρ（模量/密度）等參數表征材料的性能，λ/σ（導熱系數/強度）和λ/E（導熱系數/模量）越小，表示材料的熱傳導的漏熱量越??；σ/ρ（強度/密度）和E/ρ（模量/密度）越高表明，則表示材料重量越輕[7]。根據低溫貯箱支撐結構的支撐屬性和設計要求，支撐材料在滿足剛度和機械強度要求的同時，盡可能選用λ/σ（導熱系數/強度）和λ/E（導熱系數/模量）較小的材料以降低低溫貯箱通過支撐結構的漏熱量；選用σ/ρ（強度/密度）和E/ρ（模量/密度）較大的材料以降低支撐系統(tǒng)的結構重量；在設計支撐結構時，可針對常溫和低溫不同溫度區(qū)間進行組合設計，結合不同支撐元件選用不同材料，利用各種材料的不同屬性，最大程度地發(fā)揮材料在不同溫度區(qū)間內的優(yōu)勢，降低漏熱量和支撐結構重量，增強支撐結構的絕熱效果和可靠性。據此，對低溫貯箱支撐時，金屬材料可選用奧氏體不銹鋼、殷鋼等；非金屬可選用S玻璃纖維環(huán)氧樹脂、石墨纖維環(huán)氧樹脂等作為支撐結構材料，材料屬性見表1[8]。

3 支撐結構設計特點與應用

針對低溫貯箱支撐結構對強度與漏熱等支撐性能要求，目前低溫系統(tǒng)領域應用較廣泛的支撐結構主要有支撐帶，折疊管和被動在軌非連接支撐等，下面結合這3種支撐結構的設計特點與應用，對其進行分析。

3.1 支撐帶

支撐帶通常是由纖維絲樹脂復合材料繞型芯軸按單向纏繞，兩端配合繞線軸組合而成，結構呈跑道型，如圖1所示，纖維絲單向纏繞提高了其縱向強度與剛度。支撐帶整體結構緊湊、傳熱系數小，具有較高的絕熱性能和較強的抗振性能，在對低溫貯箱進行支撐時只能承載拉伸載荷，主要用于核磁共振及航天等領域。在進行支撐安裝時，為了平衡支撐帶在常溫和低溫結構之間的受力，通常在低溫貯箱軸對稱位置以不同角度采用線軸或承載銷安裝6～8個支撐帶，保證每個支撐帶受力均勻，以免影響低溫貯箱支撐形態(tài)和因受力不均而引起失效。美國圣巴巴拉研究中心（SBBC）為資源衛(wèi)星主題熱像儀（TM）及荷蘭FOKKER公司為地球遙感衛(wèi)星（ESA）研制的兩級拋物面型輻射制冷器級間支撐均成功地應用了張力型支撐帶。

圖1 支撐帶

3.2 折疊管

折疊管主要由3個小直徑同軸薄壁圓柱管與桿端配件組合而成，3個同軸薄壁圓柱管與桿端連接件之間用環(huán)氧樹脂黏結，如圖2所示，其中，左端為折疊管冷端部分，TC表示折疊管的冷端面；右端為折疊管熱端部分，TH表示折疊管的熱端面，管1材料選用纖維增強復合材料，管2、管3采用S-玻璃環(huán)氧樹脂材料，左端楔形環(huán)采用殷鋼材料，其余配件選用奧氏體不銹鋼。在折疊管左端，鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)之間存在一定的間隙，管1、管2通過環(huán)氧樹脂與楔形殷鋼環(huán)粘結在一起，L3表示冷端面TC到管1、管2左端面之間的距離；在折疊管右端，管2、管3也通過環(huán)氧樹脂與連接配件粘結，管2、管3連接配件與管1連接配件之間設置一定的間隙。當折疊管兩端受到壓力時，管2和管3被壓縮，發(fā)生彈性形變，此時折疊管左端鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)接觸，載荷通過楔形殷鋼環(huán)傳遞，3個同軸薄壁圓柱管同時起到支撐作用，增強了折疊管的支撐性能；當兩端壓力消失后，管2、管3恢復原狀，鎖緊螺母與楔形殷鋼環(huán)分離，折疊管的傳熱路徑延長為原來的3倍，降低了漏熱量，增強了折疊管的絕熱性能。兩端的球面軸承確保其只承受軸向載荷，不承受彎曲載荷。兩端受力狀態(tài)不同時，折疊管內部結構也不同，從而增強了折疊管的支撐性能和絕熱性能。相比較于支撐帶，折疊管具有更大的支撐強度。

圖2 折疊管

3.3 被動在軌非連接支撐

被動在軌非連接支撐主要由左端冷端部分和右端熱端部分組成，如圖3所示。其中，發(fā)射管和在軌管選用S-玻璃環(huán)氧樹脂，接觸桿和冷端體等選用奧氏體不銹鋼。在PODS冷端，沿軸線方向接觸桿與接觸螺母和冷端體均有一定間隙，未發(fā)生接觸，處于分離狀態(tài)。在不同工作階段，隨PODS兩端受力狀態(tài)不同，接觸桿與接觸螺母和冷端體的接觸狀態(tài)也不同，從而使其具有被動分離特征[9]。具體來說：在深空探測器發(fā)射階段，PODS兩端受到較大軸向力，在軌管發(fā)生彈性變形，接觸桿與接觸螺母或冷端體發(fā)生接觸，載荷傳遞路徑直接由冷端體傳遞到接觸桿，此時PODS結構具有較強的支撐性能；在軌階段，PODS兩端軸向力消失，在軌管恢復原狀，接觸桿與接觸螺母或冷端體再度分離，實現了PODS的被動在軌分離特征，此時，傳熱經過在軌管，延長了傳熱路徑，PODS結構具有較強的絕熱性能。通過被動分離特征，實現了在探測器不同飛行階段，PODS具有不同的支撐性能與支撐特點。

圖3 被動在軌非連接支撐

然而在軌階段，受氣冷屏收縮及絕熱層重量等因素影響，PODS發(fā)射管會受到側向力作用，導致接觸桿與接觸螺母或冷端體發(fā)生接觸，此時熱載荷直接由冷端體傳遞到接觸桿，傳熱路徑不經過在軌管，造成熱短路。熱短路的發(fā)生縮短了傳熱路徑，降低了PODS的絕熱性能，增加了低溫貯箱的漏熱量。針對PODS在側向力作用下發(fā)生熱短路這一現象，通過研究員進一步研發(fā)，提出了一種新的PODS-IV結構[10]，如圖4所示，PODS-IV強化了支撐結構的側向力阻抗性能，一定受力范圍內避免了熱短路的發(fā)生。

圖4 PODS-IV

PODS-IV結構是在PODS冷端增加了一個纖維絲結構[10]，如圖5所示，在接觸螺母外表面固定安裝一個繞線支撐環(huán)，接觸桿上安裝一個可滑動的頸圈，用纖維絲將繞線支撐環(huán)與頸圈連接，其中纖維絲選用S-玻璃環(huán)氧樹脂，繞線支撐環(huán)和頸圈選用奧氏體不銹鋼。當PODS-IV受到側向力作用時，纖維絲沿受力方向發(fā)生彈性變形，在一定受力范圍內平衡掉了側向力，增強了支撐結構對側向力阻抗性能，從而避免了熱短路的發(fā)生，進而增強了支撐結構的絕熱性能。PODS-IV結構的應用大大減小了低溫貯箱通過支撐結構的漏熱量。

圖5 PODS-IV纖維絲結構

4 PODS-IV支撐結構絕熱性能分析

為了進一步探究纖維絲對PODS-IV的絕熱性能影響，文章擬參考文獻[8]中PODS-IV結構尺寸，對傳熱路徑進行分析，并對其熱阻與漏熱量進行理論計算，同時分別對發(fā)生熱短路時和未發(fā)生熱短路時支撐結構的漏熱進行仿真分析，根據分析結果探究PODS-IV的支撐性能。

4.1 PODS-IV傳熱路徑分析

在軌運行階段，當低溫貯箱受到惡劣的外界環(huán)境及溫差變化時，貯箱內氣冷屏會在PODS-IV發(fā)射管上引起側向力，導致支撐結構發(fā)生彎曲變形，從而使接觸桿與冷端體發(fā)生接觸，此時傳熱路徑如圖6中（a）所示，熱載荷從熱端部分經過發(fā)射管直接傳遞到了冷端部分，傳熱路徑不經過在軌管，支撐結構發(fā)生熱短路，熱短路現象縮短了支撐結構的傳熱路徑，增加了系統(tǒng)通過支撐結構的漏熱量。當通過增加纖維絲結構避免熱短路現象以后，PODS-IV主要傳熱路徑如圖6中（b）所示，熱載荷從熱端體經過發(fā)射管傳遞到冷端體，再進一步分解到在軌管和纖維絲上，隨后傳遞到冷端接觸桿，此時支撐結構沒有發(fā)生熱短路，傳熱路徑較長，總熱阻較大，能有效降低低溫貯箱通過支撐結構的漏熱量。

圖6 PODS-IV不同工況下的傳熱路徑

4.2 PODS-IV熱阻與漏熱量計算

為了分別探究在發(fā)生熱短路和未發(fā)生熱短路等不同工況下支撐結構的漏熱量，對傳熱路徑中熱阻及漏熱量進行計算。其中發(fā)射管、在軌管及纖維絲選用S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂，其余零部件選用06Cr19Ni10不銹鋼，考慮到支撐結構傳熱過程的幾何非線性和材料非線性等因素，針對主要熱阻元件發(fā)射管和在軌管，計算最惡劣的熱阻情況。根據下列公式分別計算發(fā)射管、在軌管及纖維絲等熱阻，以及通過支撐結構在不同工況下的漏熱量Qs。其中，發(fā)射管和在軌管的熱阻可用式（1）計算：

式中：Lf為發(fā)射管管長，LO為在軌管管長，dO1為在軌管外徑，dO2為在軌管內徑，df1為發(fā)射管外徑，df2為發(fā)射管內徑。

表2給出了發(fā)射管和在軌管結構的相關設計參數。

表2 主要熱阻元件設計參數 （mm）

纖維絲總熱阻可用式（2）計算：

熱短路時支撐結構主要熱阻為發(fā)射管熱阻Rf；未發(fā)生熱短路時，支撐結構主要熱阻為發(fā)射管熱阻Rf加在軌管熱阻RO與纖維絲熱阻RS的綜合熱阻，其增加熱阻部分ROS可用式（3）計算：

纖維絲共n=12根，半徑r=0.1 mm，纖維絲從繞線支撐環(huán)到頸圈長Ls=11 mm；S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂導熱系數為λ=0.000 7 W/（mm·K）。通過設置支撐結構熱端溫度T1為300 K，冷端溫度T2為2 K，對支撐結構的漏熱量進行計算。發(fā)生熱短路時的漏熱量可用式（4）計算：

未發(fā)生熱短路時的漏熱量可用式（5）計算：

通過計算可知，發(fā)射管的熱阻Rf=1.06×104K/W，在軌管熱阻為Ro=0.2478×104K/W，纖維絲總熱阻為Rs=3.0×106K/W。支撐結構中發(fā)射管熱阻最大，起主要絕熱作用；在軌管熱阻次之，主要功能是在未發(fā)生熱短路時，其在發(fā)射管絕熱的基礎上進一步減小支撐結構的漏熱量；纖維絲結構熱阻最小，絕熱作用最弱，其主要功能是在發(fā)射管受到側向力時，起到側向力阻抗作用，避免熱短路的發(fā)生。在受到側向力情況下，支撐結構發(fā)生熱短路時的漏熱Qs1=0.028 1 W，未發(fā)生熱短路時的漏熱Qs2=0.022 9 W，纖維絲結構使PODS-IV的絕熱性能提高了18.5%。

4.3 支撐結構熱通量數值仿真計算

在側向力作用下，支撐結構傳熱路徑與圖6所示的傳熱路徑保持一致，發(fā)生熱短路時，發(fā)射管的平均熱通量密度為-4.437×104W/mm2，熱量從冷端體傳遞到接觸桿，此時傳熱路徑不經過纖維絲和在軌管，因此，在進行熱通量計算時，將其結構隱藏，通過計算發(fā)現，此時發(fā)射管為主要熱阻元件，如圖7所示，支撐結構平均熱通量密度為1.938 2×104W/mm2。未發(fā)生熱短路時，經過發(fā)射管后的熱通量會進一步分解到在軌管和纖維絲上，在軌管平均熱通量密度為-5.978 8×106W/mm2，纖維絲平均熱通量密度為-1.626 4×106W/mm2，仿真結果如圖8所示，此時支撐結構的平均熱通量為1.569 5×1044 W/mm2，計算可知，在纖維絲作用下，未發(fā)生熱短路時，PODSIV平均熱通量密度減少了0.368 7×104W/mm2，整體絕熱性能提高了19.02%，仿真分析結果比理論計算值18.5%略大，這是由于理論計算時，只計算了最惡劣情況下通過主要熱阻元件的熱通量，未考慮兩端支撐關節(jié)等其余元件的熱阻。據此可知纖維絲結構顯著降低了支撐結構的漏熱量，有效提高了支撐結構的絕熱性能。

5 結論

圖8 PODS-IV未發(fā)生熱短路時熱通量

針對低溫貯箱支撐結構高強度和低漏熱量等性能要求，闡述了目前國內外廣泛應用于低溫貯箱的支撐結構以及設計原則，介紹了支撐帶、折疊管以及被動在軌非連接支撐的結構特點。通過分析PODS-IV在不同工況下的傳熱路徑，計算了主要絕熱元件的熱阻以及熱通量，并對不同工況下的熱通量密度進行了數值仿真計算，結果表明，纖維絲結構有效提高了PODS-IV的整體絕熱性能19.02%，避免了熱短路的發(fā)生，增強了支撐結構絕熱性能。