液氮-冷氦氣雙冷源高低溫箱試驗和模擬研究.pdf

1、航天設備及其部件在太空的高真空、冷黑環(huán)境中需經(jīng)受極其惡劣的考驗，為保證其工作的可靠性和穩(wěn)定性，通常需要在地面進行空間環(huán)境模擬試驗。在某些特殊場合甚至需要極限低溫、大降溫速率等更加苛刻的試驗要求。此時充注介質(zhì)增強換熱效率的高低溫箱設備成為主要解決方案。本文對液氮/冷氦氣雙冷源氦氣氛高低溫箱的試驗和模擬特性進行了研究，主要完成了以下工作并得出相應結(jié)果：
　?。?）試驗考察了艙體內(nèi)充有絕壓90kPa氦氣條件下液氮單獨作為冷源以及液氮/冷

2、氦氣雙冷源共同作用低溫降溫性能。液氮溫區(qū)低溫工況以液氮為單獨冷源，熱沉可在常溫~-170℃內(nèi)滿足平均降溫速率大于-3℃/min的設計指標，空間可在常溫~-120℃滿足平均降溫速率大于-3℃/min的設計指標。平衡后，熱沉溫度穩(wěn)定在-185±4℃，空間溫度穩(wěn)定在-171±3℃。
　?。?）低于液氮溫區(qū)的降溫采用液氮+斯特林制冷機同步雙作用降溫模式，相較于只采用液氮為單一冷源的降溫模式實現(xiàn)了更大的降溫速率。熱沉可在常溫~-180℃內(nèi)滿

3、足平均降溫速率大于-3℃/min的設計指標，空間可在常溫~-130℃滿足平均降溫速率大于-3℃/min的設計指標。最終達到平衡狀態(tài)時，熱沉溫度穩(wěn)定于-191±5℃，空間溫度穩(wěn)定于-182±5℃。為進一步降溫，通過抽除氦氣獲得了由斯特林制冷機冷卻的熱沉溫度可穩(wěn)定于-215±5℃，空間溫度穩(wěn)定于-208±8℃，突破了液氮正常沸點的降溫極限。
　?。?）針對試驗工況，對空間、試件降溫規(guī)律建立了數(shù)值模擬?？臻g降溫速率和試件降溫曲線與試驗結(jié)

4、果的良好吻合驗證了模擬模型的準確性。并通過熱沉周圍的溫度分布和換熱系數(shù)計算認為在接近目標溫度的降溫后期對流換熱相對于輻射換熱占據(jù)更大比例，因此高低溫箱相對于熱真空罐在降溫后期具有更大優(yōu)勢。
　?。?）對比了90kPa/40kPa/10kPa/100Pa四種介質(zhì)充注壓力下的降溫工況。隨著空間充注介質(zhì)壓力的減少，空間溫場均勻度和試件的降溫性能變差。由此可知，艙內(nèi)充注90kPa氦氣的粗真空狀態(tài)既能提供一定負壓試驗氛圍，又能相對于熱真空設