劉百麟 謝偉華 周江 李一帆 胡幗杰

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

推進(jìn)系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要組成分系統(tǒng)[1]之一,為衛(wèi)星變軌、軌道機(jī)動(dòng)、位置保持、姿態(tài)調(diào)整、離軌等重要操作提供所需的動(dòng)力和力矩來(lái)源,其工作狀態(tài)直接關(guān)系到衛(wèi)星空間任務(wù)成敗與運(yùn)行壽命。衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)一般由高壓氣瓶、推進(jìn)劑貯箱、推力器(或發(fā)動(dòng)機(jī))、管路及閥件等組成。在高壓氣瓶作用下,管路用于將推進(jìn)劑貯箱中的推進(jìn)劑工質(zhì)輸送到推力器(或發(fā)動(dòng)機(jī)),在推力器(或發(fā)動(dòng)機(jī))內(nèi)通過(guò)催化分解或燃燒產(chǎn)生推力,為衛(wèi)星飛行提供動(dòng)力[2]。根據(jù)衛(wèi)星控制需要,管路由多個(gè)分支從艙內(nèi)儲(chǔ)供系統(tǒng)(推進(jìn)劑貯箱、閥門及壓力傳感器)延伸至衛(wèi)星表面分散布局的推力器(或發(fā)動(dòng)機(jī)),受艙內(nèi)設(shè)備布局約束導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)管路走向復(fù)雜[3-4],分散遍布于衛(wèi)星艙內(nèi)。因衛(wèi)星上環(huán)境冷熱不均,考慮到推進(jìn)劑工質(zhì)的物理、化學(xué)特性,為保證推力器(或發(fā)動(dòng)機(jī))在軌正常工作,需要對(duì)推進(jìn)劑、部件等產(chǎn)品在軌溫度進(jìn)行合理控制[3,5-6],通常采取電加熱與包覆多層隔熱組件的主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的熱控措施[3,7],確保輸送管路中的推進(jìn)劑溫度滿足使用指標(biāo)要求[8-9]。

目前,國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通過(guò)合理分配有限的功耗對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)熱控設(shè)計(jì),解決低加熱功耗推進(jìn)系統(tǒng)的保溫問(wèn)題[3]。國(guó)外衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)溫控的主要方式也是通過(guò)增加控溫資源實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)溫度的分區(qū)控制[10]。與國(guó)外不同,文獻(xiàn)[11]針對(duì)當(dāng)前熱控設(shè)計(jì)方法在不同溫度環(huán)境分布的推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中存在溫度分布不均的情況,提出了一種基于軟件邏輯控溫的溫度均衡控制方法,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)溫度均勻性控制。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)熱控研究表明,電加熱[12]是推進(jìn)系統(tǒng)管路主動(dòng)溫控的關(guān)鍵措施。電加熱器件在高溫工況的溫度分布是導(dǎo)致器件損毀的致命因素之一,僅文獻(xiàn)[7]提出了以功率設(shè)計(jì)冗余的方式提高管路溫控一度故障的可靠性,而面向管路加熱器件(加熱帶)溫度分布規(guī)律的基礎(chǔ)可靠性研究尚屬空白。為此,本文通過(guò)試驗(yàn)研究推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱帶溫度分布受加熱絲直徑、管路管徑、安裝工藝及通電電流等設(shè)計(jì)變量影響的規(guī)律,可為衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱器高可靠設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 管路加熱帶

衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路布局示意見圖1[3]。通常,衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路為鈦合金材料,管路外徑有Φ4mm,Φ6mm,Φ8mm等規(guī)格,管路溫控采取纏繞加熱帶與包覆多層隔熱組件的熱控措施[13]。

圖1 衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路示意Fig.1 Satellite propulsion subsystem pipelines

衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)時(shí),與推力器溫控采用鎧裝加熱器件[14]不同,管路溫控器件一般選擇聚酰亞胺薄膜型加熱帶(見圖2)。加熱帶以聚酰亞胺薄膜為電絕緣材料,以康銅絲為電熱材料,由電絕緣部分、電加熱部分和引線組成。從可靠性設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),加熱帶通常預(yù)埋2根康銅絲,用于主備份雙回路使用,其安裝方法遵循相應(yīng)工藝規(guī)范[15],即將聚酰亞胺薄膜型加熱帶的一面(與管路接觸面)刮涂一薄層GD414硅橡膠,然后將加熱帶纏繞粘接固定在管路表面,并確保加熱帶與管路之間的絕緣。管路加熱帶引出線(加熱絲)與導(dǎo)線(接入衛(wèi)星電纜網(wǎng))焊連構(gòu)成加熱回路。一般采用搭焊方式,用鉛錫焊料將加熱絲與導(dǎo)線焊接在一起,在焊點(diǎn)處外套雙層熱縮套管并吹縮,套管需要覆蓋導(dǎo)線絕緣層、焊點(diǎn)及加熱帶本體絕緣層,對(duì)焊點(diǎn)及引線加以保護(hù)。聚酰亞胺薄膜型加熱帶主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖2 加熱帶Fig.2 Heating belt

表1 聚酰亞胺薄膜型加熱帶主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of polyimide film heating belt

2 試驗(yàn)方案

衛(wèi)星在軌運(yùn)行于真空環(huán)境,試驗(yàn)時(shí)真實(shí)模擬衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路在軌實(shí)際工作環(huán)境與熱控設(shè)計(jì)狀態(tài),測(cè)試管路加熱帶通電工作的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用空間環(huán)境模擬器模擬空間環(huán)境,試驗(yàn)系統(tǒng)主要由管路試驗(yàn)件(管路、加熱帶、多層隔熱組件等)、隔熱支架、溫度測(cè)量系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成,試驗(yàn)裝置見圖3。在空間環(huán)境模擬器內(nèi),試驗(yàn)件懸放在隔熱支架上,以此隔絕試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件的熱影響。試驗(yàn)時(shí),空間環(huán)境模擬器內(nèi)真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa,熱沉溫度為常溫。

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device

2.2 試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)

衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱帶按照相關(guān)工藝方法實(shí)施安裝在管路上。試驗(yàn)中,管路熱控措施模擬衛(wèi)星上熱控設(shè)計(jì)狀態(tài)。考慮到影響管路加熱帶溫度分布規(guī)律的自變量,除了與加熱帶自身設(shè)計(jì)參數(shù)變量(如康銅絲直徑、通電電流)相關(guān)外,還與其安裝的管路管徑、安裝工藝等因素密切相關(guān)。試驗(yàn)全面研究這些自變量對(duì)管路加熱帶溫度分布的影響,試驗(yàn)件的技術(shù)狀態(tài)覆蓋上述多種自變量,且試驗(yàn)中自變量變化范圍應(yīng)盡可能覆蓋工程設(shè)計(jì)極限。試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)見表2。

表2 試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)Table 2 Technical states of test sample

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中,管路加熱帶通電電流是按衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱器回路電流工程設(shè)計(jì)上限、下限極值進(jìn)行設(shè)置,模擬長(zhǎng)通電流極端工作模式下的高溫溫度場(chǎng),共進(jìn)行2個(gè)工況的熱平衡試驗(yàn)。正常使用情況下,加熱帶通常是單路通電工作,考慮雙回路同時(shí)通電的熱影響,結(jié)合技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行單、雙回路通電工況試驗(yàn),具體工況設(shè)置見表3。

表3 試驗(yàn)工況Table 3 Test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中,空間環(huán)境模擬器真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa,熱沉溫度為16.4～21.2℃。2個(gè)試驗(yàn)工況歷時(shí)1000min。其中:工況1從0時(shí)刻開始通電至600min達(dá)到熱平衡,工況2從600min開始通電至1000min達(dá)到熱平衡;自1000min起所有加熱帶均斷電至1320min恢復(fù)到常溫。4種技術(shù)狀態(tài)的管路加熱帶溫度分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 管路加熱帶溫度分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Temperature distribution test data of pipeline heating belt

由于試驗(yàn)中測(cè)溫點(diǎn)較多,數(shù)據(jù)分析時(shí)重點(diǎn)對(duì)管路溫度、加熱帶極值溫度(最小和最大溫度)、引線焊點(diǎn)溫度(點(diǎn)膠固定溫度和懸浮溫度)等特征溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。由圖4可知:4種狀態(tài)的管路加熱帶溫度分布基本規(guī)律是一致的。加熱帶纏繞在管路上,溫度高于管路溫度,其溫度極大值均出現(xiàn)在纏繞段中心位置,溫度極小值均出現(xiàn)在纏繞段兩端;引線焊點(diǎn)溫度與其附近管路的溫度水平相當(dāng)。

3.1 加熱絲絲徑影響分析

由表2可知:狀態(tài)1與狀態(tài)2中加熱帶加熱絲直徑不同,分別為Φ0.1mm和Φ0.13mm,除此之外,其他技術(shù)狀態(tài)參數(shù)均相同,且在工況1與工況2中具有相同的工作模式與通電電流(見表3),具備加熱絲絲徑對(duì)管路加熱帶溫度分布熱影響的可比性。狀態(tài)1與狀態(tài)2熱平衡時(shí)特征溫度見表4。

由表4可知:狀態(tài)1中管路、加熱帶、焊點(diǎn)的溫度均高于狀態(tài)2,且2種狀態(tài)特征溫度的溫差隨工作電流的增大而增大。2個(gè)工況相比,通電電流由75mA(工況1)增大到150mA(工況2)時(shí),加熱帶最大溫度升高2.3倍,其中狀態(tài)1加熱帶最大溫升約86.2℃,達(dá)到了148.4℃,趨近加熱帶使用工作溫度上限(150℃);而狀態(tài)2加熱帶最大溫升約62.2℃,達(dá)到了110.1℃,明顯低于加熱帶使用工作溫度上限(150℃)。分析上述管路加熱帶溫度分布規(guī)律的本質(zhì)原因,通過(guò)對(duì)比2種狀態(tài)的技術(shù)條件差異性可知:狀態(tài)2的加熱帶加熱絲直徑是狀態(tài)1的1.30倍,因此狀態(tài)1中單位長(zhǎng)度加熱帶電阻是狀態(tài)2的1.69倍,在工作電流相同的情況下,狀態(tài)1中單位長(zhǎng)度加熱帶電功率是狀態(tài)2的1.69倍,這是導(dǎo)致狀態(tài)1整體溫度水平高于狀態(tài)2的本質(zhì)因素。工況1與工況2相比,通電電流由75mA增大到150mA,即單位長(zhǎng)度的加熱帶電功率增加了4倍,因此工況2中2種狀態(tài)的熱平衡溫度水平明顯高于工況1的。

表4 狀態(tài)1與狀態(tài)2特征測(cè)溫點(diǎn)熱平衡試驗(yàn)溫度Table 4 Thermal balance test temperature of characteristic temperature measuring points in states 1 and 2 ℃

通過(guò)上述加熱絲絲徑對(duì)管路加熱帶的熱影響比較分析可知:加熱帶溫度水平受加熱絲絲徑影響較大,加熱絲直徑越小,管路、加熱帶及焊點(diǎn)的溫度水平越高,加熱帶的溫度梯度也越大,溫度場(chǎng)分布越不均勻;同時(shí)受工作電流影響較大,工作電流越大,熱影響越顯著。

3.2 管徑影響分析

由表2可知:狀態(tài)1與狀態(tài)3中管路直徑不同,分別為Φ4mm和Φ8mm,除此之外,其他技術(shù)狀態(tài)參數(shù)均相同,且在工況2中具有相同的工作模式與通電電流(見表3),具備管徑對(duì)管路加熱帶溫度分布熱影響的可比性。工況2中狀態(tài)1與狀態(tài)3熱平衡時(shí)特征溫度見表5。

由表5可知:狀態(tài)3中管路、加熱帶、焊點(diǎn)的溫度均明顯高于狀態(tài)1的。從管路、加熱帶、焊點(diǎn)的溫度分布均勻性來(lái)看,狀態(tài)3的加熱帶溫度場(chǎng)分布更加均勻,其溫度梯度僅是狀態(tài)1的50%。分析上述管路加熱帶溫度分布規(guī)律的本質(zhì)原因,通過(guò)對(duì)比2種狀態(tài)的技術(shù)條件差異性可知:狀態(tài)3中管路外徑與橫截面積分別是狀態(tài)1的2倍與2.25倍,由于加熱帶纏繞在管路外表面,因此狀態(tài)3中加熱帶電功率是狀態(tài)1的2倍,這是導(dǎo)致狀態(tài)3的溫度分布高于狀態(tài)1的根本原因。雖然狀態(tài)3中加熱帶電功率是狀態(tài)1的2倍,但狀態(tài)3中管路橫截面積是狀態(tài)1的2.25倍,其管路熱容約是狀態(tài)1的2.25倍,因其管路熱容大,即使在狀態(tài)3電加熱功率是狀態(tài)1的2倍情況下,狀態(tài)3溫升水平仍相對(duì)較低,且整體溫度場(chǎng)分布更均勻,2種狀態(tài)的加熱帶最大溫度相當(dāng),分別為148.4℃和156.7℃,趨近或略超加熱帶使用工作溫度上限(150℃)。

表5 狀態(tài)1與狀態(tài)3特征測(cè)溫點(diǎn)熱平衡試驗(yàn)溫度Table 5 Thermal balance test temperature of characteristic temperature measuring points in states 1 and 3 ℃

3.3 纏繞工藝影響分析

由表2可知:狀態(tài)3與狀態(tài)4中加熱帶纏繞工藝不同,分別為涂膠(GD414)纏繞和干纏繞(未涂膠),除此之外,其他技術(shù)狀態(tài)參數(shù)均相同,且在工況1和工況2中均具有相同的工作模式與通電電流,具備纏繞工藝對(duì)管路加熱帶溫度分布熱影響的可比性。狀態(tài)3與狀態(tài)4的熱平衡特征溫度見表6。

表6 狀態(tài)3與狀態(tài)4特征測(cè)溫點(diǎn)熱平衡試驗(yàn)溫度Table 6 Thermal balance test temperature of characteristic temperature measuring points in states 3 and 4 ℃

由表6可知:狀態(tài)4的管路、加熱帶、焊點(diǎn)的溫度均高于狀態(tài)3,且2種狀態(tài)的溫差隨工作電流的增大而增大。從加熱帶本體溫度變化來(lái)看,狀態(tài)4的加熱帶溫度水平比狀態(tài)3的均約提高15%。從加熱帶與管路之間的溫差來(lái)看,狀態(tài)4的加熱帶與管路溫差明顯高于狀態(tài)3的,高3～4倍。從管路加熱帶本體溫度分布均勻性來(lái)看,2個(gè)工況中2種狀態(tài)的加熱帶溫度場(chǎng)分布都相對(duì)比較均勻,其溫差變化范圍為4.9～12.6℃。與狀態(tài)3相比,狀態(tài)4加熱帶溫度分布更均勻,加熱帶自身溫差約是狀態(tài)3的70%。2種狀態(tài)的纏繞工藝差異性是引起上述管路加熱帶溫度分布規(guī)律的主要因素。通過(guò)對(duì)比纏繞工藝的差異可知:與狀態(tài)4的加熱帶干纏繞(未涂膠)相比,狀態(tài)3中加熱帶涂膠纏繞,相當(dāng)于在加熱帶與管路之間填充了導(dǎo)熱填料,由此增強(qiáng)了加熱帶與管路之間的接觸換熱,即傳熱效率得到提高,因此加熱帶通電發(fā)熱時(shí),其發(fā)熱量能更高效地轉(zhuǎn)化為管路內(nèi)能的提升,因而加熱帶與管路之間溫差也會(huì)更小,加熱帶溫度水平也相對(duì)偏低。

比較2個(gè)工況的溫度水平可知:由于工況2中加熱帶電功率是工況1的2倍,因此工況2中2種狀態(tài)的熱平衡溫度水平均明顯高于工況1的。工況2中2種狀態(tài)的加熱帶最大溫度均超出了其使用工作溫度上限(150℃),最高可達(dá)177.7℃;但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,加熱帶短時(shí)超出使用工作溫度上限仍能安全可靠地正常工作。

3.4 焊點(diǎn)安裝方式影響分析

由表4和表6所示的各工況各種狀態(tài)的加熱帶引線焊點(diǎn)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:焊點(diǎn)與其附近管路的溫差范圍為-6.1～+1.2℃,略低或持平于管路溫度。由此表明:加熱帶引線焊點(diǎn)溫度受管路溫度影響較大,無(wú)論是點(diǎn)膠固定在管路上還是懸浮在管路上,焊點(diǎn)溫度水平只取決于其附近管路的溫度水平,而與焊點(diǎn)在管路上的安裝方式基本無(wú)關(guān)。經(jīng)分析,管路加熱帶引線焊點(diǎn)溫度分布規(guī)律與焊點(diǎn)熱實(shí)施狀態(tài)相關(guān),原因在于:焊點(diǎn)為非發(fā)熱部件,且外套熱縮絕緣套管后固定或懸浮在管路上,并連同管路被包覆在多層隔熱組件內(nèi),隔絕外部環(huán)境熱影響,而管路是焊點(diǎn)的背景熱沉,因此管路溫度是影響焊點(diǎn)溫度的主導(dǎo)因素。另外,試驗(yàn)中因焊點(diǎn)與其附近管路的測(cè)溫點(diǎn)存在位置偏差,導(dǎo)致各狀態(tài)的焊點(diǎn)溫度與管路溫度偏差存在一定離散性。試驗(yàn)中加熱帶引線焊點(diǎn)溫度最高可達(dá)137.8℃(錫鉛合金焊料熔點(diǎn)溫度183℃),均低于錫鉛焊料脫焊溫度150℃[16],仍處于安全可靠的容限溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文基于衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱帶熱控設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài),通過(guò)試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論。

(1)加熱帶溫度分布受加熱絲絲徑、管路管徑的設(shè)計(jì)參數(shù)影響較大。在其他設(shè)計(jì)參數(shù)相同的前提下,加熱絲直徑越小,管路及加熱帶的溫度水平越高,溫度梯度越大,溫度場(chǎng)分布越不均勻,且該變化規(guī)律隨工作電流的增大而愈發(fā)顯著;管路管徑越大,管路及加熱帶的溫度水平越高,溫度梯度越小,溫度場(chǎng)分布越均勻。

(2)加熱帶溫度分布與其纏繞安裝工藝密切相關(guān)。選用涂膠纏繞工藝,加熱帶與管路之間傳熱效率更高,加熱帶與管路溫差相對(duì)較小;選用干纏繞(未涂膠)工藝,加熱帶與管路溫差相對(duì)較大,加熱帶溫度水平則更高,但加熱帶溫度分布更均勻,且該變化規(guī)律隨工作電流的增大而愈發(fā)顯著。

(3)加熱帶引線焊點(diǎn)溫度受管路溫度影響較大,焊點(diǎn)溫度取決于其附近管路溫度水平,而焊點(diǎn)在管路上的安裝方式對(duì)其溫度影響可忽略。

鑒于上述研究結(jié)論,從提高管路加熱器設(shè)計(jì)可靠性與安全性角度對(duì)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)管路加熱帶熱設(shè)計(jì)建議如下。①加熱帶設(shè)計(jì)選型時(shí),優(yōu)先選用直徑大的康銅絲作為加熱元件,而加熱帶工作電流優(yōu)化設(shè)計(jì)值應(yīng)為最小化;雖然加熱絲絲徑與工作電流2項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則存在互斥,但在功率設(shè)計(jì)滿足管路溫控需求的前提下,應(yīng)同時(shí)兼顧二者優(yōu)化原則,使系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)效果達(dá)到最優(yōu)。②推薦選用加熱帶涂膠纏繞安裝工藝,可提高管路溫控效能。③引線焊點(diǎn)溫度是管路加熱器可靠性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)之一,焊點(diǎn)布局位置應(yīng)避免高溫區(qū)域。