航天器大型復(fù)雜構(gòu)件真空除氣裝備系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

王曉占，董德勝，景加榮，李燦倫，季 琨，劉家林，劉昌鵬，羅 威，劉恩材

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海200240）

0 引言

航天器在軌飛行過(guò)程中受空間外熱流、真空和帶電粒子等因素影響，其材料和構(gòu)件可能釋放內(nèi)部含有、吸附或分解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)，產(chǎn)生真空放氣或可凝揮發(fā)物，形成空間污染?？臻g污染是導(dǎo)致航天器關(guān)鍵載荷失效、探測(cè)精度降低、熱控異常、觸點(diǎn)之間絕緣性降低、活動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)力矩增大等在軌故障的重要因素，嚴(yán)重威脅航天器功能和壽命[1-4]。根據(jù)NASA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在20世紀(jì)70—90年代，美國(guó)有25顆衛(wèi)星因空間污染發(fā)生故障。我國(guó)的“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船在軌飛行過(guò)程中的累積污染量已達(dá)到損害敏感器件探測(cè)精度的量級(jí)[5]。

航天器使用的有機(jī)材料和含有機(jī)成分的部組件是主要空間污染源[6]。如涂層、黏結(jié)劑、界面材料、多層等。研究發(fā)現(xiàn)[1-4,7]，發(fā)射前實(shí)施真空烘烤除氣是降低航天器在軌污染最有效的措施——烘烤產(chǎn)生的溫升效應(yīng)可加快污染源內(nèi)小分子物質(zhì)的釋放，真空可增大分子自由程，有利于污染物脫附。NASA 在“《衛(wèi)星防污染控制計(jì)劃》中明確規(guī)定，所有硬件均需要進(jìn)行地面防污染處理。國(guó)外針對(duì)空間污染已建立了包括污染防控、在軌監(jiān)測(cè)、仿真預(yù)測(cè)、污染物數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)等在內(nèi)的系統(tǒng)化防控治理與研究手段[8]。美國(guó)建立了一批專用的真空烘烤裝備，制定了烘烤工藝，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡等諸多光學(xué)載荷和其他污染敏感載荷的污染控制。歐空局ESTEC 試驗(yàn)中心也建有真空烘烤設(shè)備。我國(guó)針對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品亦提出了污染控制要求[9]，內(nèi)容涵蓋材料選擇、生產(chǎn)、裝配、試驗(yàn)、發(fā)射等環(huán)節(jié)。

目前，國(guó)內(nèi)專用真空除氣設(shè)備多為小型裝備，如：上海宇航系統(tǒng)工程研究所的烘烤除氣設(shè)備，有效容積為φ0.63 m×6 m[10]；北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的真空烘烤設(shè)備，有效容積為φ0.91 m×1.22 m。而大型復(fù)雜構(gòu)件真空除氣專用的大口徑設(shè)備鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道，針對(duì)其熱系統(tǒng)的研究更為少見(jiàn)。本文在某型號(hào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)航天器大型復(fù)雜構(gòu)件真空除氣裝備的熱系統(tǒng)開(kāi)展研究，以期為大型真空烘烤除氣專用裝備的熱設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。理論研究以數(shù)值仿真為主要手段，關(guān)鍵的熱輻射模型采用蒙特卡羅模型。

1 任務(wù)輸入

1.1 任務(wù)來(lái)源

某星載大型構(gòu)件由碳纖維?鋁蜂窩復(fù)合材料制成，整體呈復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，成型后需要在其內(nèi)表面磁控濺射金屬功能膜。該構(gòu)件內(nèi)含有的樹(shù)脂等有機(jī)材料[11]在真空環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生污染，引發(fā)鍍膜脫落，真空烘烤除氣是消除此類污染最有效的手段。本任務(wù)是針對(duì)該星載大型構(gòu)件研制專用烘烤除氣設(shè)備并完成真空烘烤除氣作業(yè)。

1.2 任務(wù)特點(diǎn)與要求

1）構(gòu)件尺寸φ2.5 m×4.6 m，上海衛(wèi)星裝備研究所能夠容納該構(gòu)件的只有KM3等大型真空環(huán)模設(shè)備，而這些設(shè)備不能用于該大型構(gòu)件的烘烤除氣作業(yè)，否則極有可能導(dǎo)致設(shè)備熱沉受到污染，從而對(duì)后續(xù)參試的整星或單機(jī)產(chǎn)生二次污染。因此，需要建造適合該構(gòu)件尺寸的大型專用真空除氣設(shè)備。

2）構(gòu)件內(nèi)部預(yù)埋有極高幾何精度的金屬埋件，為降低熱應(yīng)力可能產(chǎn)生的不利影響，烘烤除氣過(guò)程中該構(gòu)件表面溫度均勻性須優(yōu)于±3.0℃，且1 h 內(nèi)溫度波動(dòng)＜5℃。

3）構(gòu)件的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)對(duì)熱輻射具有不可忽略的遮擋影響；裝備內(nèi)需設(shè)置低溫冷屏，導(dǎo)致整個(gè)空間熱流存在固有的不均勻性，對(duì)構(gòu)件表面溫度均勻性均將產(chǎn)生不利影響。

4）液氮熱沉可有效抑制控溫過(guò)程的溫度過(guò)沖問(wèn)題，而為了提高空間利用效率和降低成本，研制的專用除氣設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)未集成液氮熱沉，若控溫信號(hào)超調(diào)則會(huì)引發(fā)溫度過(guò)沖，甚至導(dǎo)致參試件局部短時(shí)超溫，這給控溫PID參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)較大困難；再者，該構(gòu)件尺寸較大且無(wú)模擬件用于試驗(yàn)摸索合理的PID參數(shù)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法確定合理的控溫PID參數(shù)，超調(diào)、超溫風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大。

5）真空烘烤設(shè)備需具備通用性，能夠滿足不同尺寸和結(jié)構(gòu)的部組件真空烘烤除氣需求，如太陽(yáng)電池陣、涂膠后的蜂窩板等。

2 系統(tǒng)原理

典型的真空烘烤除氣系統(tǒng)包括真空容器、加熱系統(tǒng)、防污染低溫冷屏和真空獲取系統(tǒng)等，如圖1所示。真空容器及真空獲取系統(tǒng)為構(gòu)件除氣提供真空環(huán)境，容器內(nèi)壓力越低所需烘烤時(shí)間越短，為了實(shí)現(xiàn)最佳除氣效果，一般要求真空度優(yōu)于10-3Pa[5]。加熱系統(tǒng)以輻射方式將熱量傳遞至構(gòu)件表面，為釋放污染氣體提供能量，是決定設(shè)備除氣效果、參試件安全及設(shè)備通用性的核心系統(tǒng)。低溫冷屏溫度遠(yuǎn)低于熱源和構(gòu)件表面溫度，用于吸附可凝揮發(fā)物一般采用液氮維持其表面低溫狀態(tài)。

圖1 真空烘烤除氣系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic diagram of the vacuum baking and degassing equipment

3 加熱方案設(shè)計(jì)

3.1 加熱方案對(duì)比

加熱帶加熱、鎧裝加熱絲加熱和紅外燈加熱是空間環(huán)境模擬試驗(yàn)領(lǐng)域常用加熱方案。加熱帶以鎳鉻合金箔帶為電熱體，內(nèi)側(cè)噴涂黑色熱控涂層，受涂層耐溫性限制，其表面最高溫度一般不超過(guò)100℃；加熱時(shí)加熱帶表面處于帶電狀態(tài)，存在短接、觸電風(fēng)險(xiǎn)。加熱絲以鎳鉻絲為電熱體，外側(cè)鎧裝不銹鋼管，在電熱體與不銹鋼管之間填充氧化鎂絕緣，加熱絲外表面處于高絕緣狀態(tài)；加熱絲整體呈絲狀，更方便施工，表面最高溫度可達(dá)500℃以上。對(duì)比加熱帶和鎧裝加熱絲，考慮后續(xù)不同的除氣溫度及長(zhǎng)期可靠性要求，鎧裝加熱絲更適合本次任務(wù)。紅外燈加熱采用鹵素?zé)?，絕大部分熱量以熱輻射的形式對(duì)參試件進(jìn)行加熱，應(yīng)用形式多為燈陣。燈陣中每支燈的位置需要根據(jù)試件的尺寸和形狀進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的燈陣能夠?qū)崿F(xiàn)較為精準(zhǔn)的控溫。本文利用數(shù)值仿真方法對(duì)紅外燈加熱和鎧裝加熱絲加熱這2種方案開(kāi)展對(duì)比研究。

紅外燈和鎧裝加熱絲一般分別以紅外燈陣和絲狀加熱籠的形式對(duì)試件進(jìn)行加熱，如圖2和圖3所示。根據(jù)本任務(wù)中的構(gòu)件尺寸并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)初步確定，紅外燈加熱方案需160支紅外燈，每支燈的背面均設(shè)置光滑不銹鋼反射屏，燈陣總功率為7.5 kW；加熱絲加熱方案的加熱籠主要包括筒段加熱部分和封頭/大門加熱部分，鎧裝加熱絲布置在框架之上，在其外側(cè)設(shè)置光滑不銹鋼反射屏，加熱絲直接面向構(gòu)件輻射加熱，總功率為10 kW。

圖2 紅外燈加熱方案示意Fig.2 Heating scheme with infrared lamp

圖3 加熱絲加熱方案示意Fig.3 Heating scheme with heating wire

以構(gòu)件表面平均溫度為反饋信號(hào)控制加熱功率的滿額施加或置零，模擬實(shí)際應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)量控溫方式，仿真得到2種初步加熱方案的構(gòu)件表面溫度云圖（圖4和圖5）?？梢钥吹?，紅外燈加熱方案對(duì)應(yīng)的構(gòu)件表面溫度在60.1～68.3℃，最大溫差達(dá)8.2℃左右，無(wú)法滿足±3℃的溫度均勻性要求。鎧裝加熱絲加熱方案對(duì)應(yīng)的構(gòu)件表面溫度在65.2～68.7℃，最大溫差僅3.5℃，整體溫度均勻性較好；但低溫冷屏對(duì)構(gòu)件兩端溫度的影響相對(duì)凸顯，即低溫區(qū)域主要集中在兩端局部區(qū)域。

圖4 紅外燈加熱方案的構(gòu)件表面溫度云圖Fig.4 Cloud diagram of temperature on thecomponent surface under infrared lamp heating

圖5 加熱絲加熱方案的構(gòu)件表面溫度云圖Fig.5 Cloud diagram of temperature on thecomponent surface under wire heating

2種初步加熱方案的構(gòu)件表面平均溫度隨加熱時(shí)間的變化如圖6所示。由圖可見(jiàn)：紅外燈加熱方案的加熱起始階段，構(gòu)件表面溫度快速升高，這是由于紅外燈燈絲熱容較小，燈絲在通電后的極短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到最高溫度，這在溫控參數(shù)未完善的情況下可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件局部短時(shí)超溫。相比于紅外燈，鎧裝加熱絲自身具有較大的熱容，升溫速率較小，對(duì)應(yīng)構(gòu)件表面平均溫度在加熱初始階段平緩上升。另外，兩方案在控溫階段均存在明顯的溫度波動(dòng)，紅外燈加熱方案的溫度波動(dòng)在8～10℃，鎧裝加熱絲加熱方案的溫度波動(dòng)幅度為4.5℃左右，接近或超出允許的最大溫度波動(dòng)（5℃），故須對(duì)該方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

圖6 初步加熱方案的構(gòu)件表面溫度及溫差變化Fig.6 Variation of component surface temperatures and temperature differences with different preliminary schemes

根據(jù)實(shí)踐，為了解決紅外燈加熱中的溫度過(guò)沖問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)良好的控溫精度與均勻性，需要根據(jù)參試構(gòu)件的構(gòu)型、尺寸等對(duì)每支或每組紅外燈的功率、高度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且每當(dāng)更換參試構(gòu)件后還要對(duì)這些參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，方案整體的可控性和通用性相比于鎧裝加熱絲加熱方案存在明顯不足。因此，本文選用鎧裝加熱絲作為設(shè)備加熱裝置的發(fā)熱體開(kāi)展后續(xù)設(shè)計(jì)。

3.2 加熱方案優(yōu)化

為抑制鎧裝加熱絲加熱方案存在的溫度波動(dòng)問(wèn)題，受“濾波電路”啟發(fā)，在加熱絲與構(gòu)件之間設(shè)置輻射屏，通過(guò)增大熱容適當(dāng)提升熱阻的方式抑制并平滑溫度波動(dòng)。增設(shè)的輻射屏為鋁質(zhì)雙面發(fā)黑薄板，其表面紅外半球發(fā)射率為0.88，加熱絲發(fā)出的熱量先通過(guò)加熱絲本身和加熱絲外側(cè)的防輻射屏輻射/反射至增設(shè)的輻射屏，再通過(guò)該輻射屏輻射至構(gòu)件表面，故稱該屏為“二次輻射屏”。加熱籠的封頭/大門部分與筒體保持一致，均采用二次輻射屏結(jié)構(gòu)。

利用數(shù)值仿真方法分析二次輻射屏對(duì)構(gòu)件表面溫度的影響，加熱總功率為10 kW，構(gòu)件表面平均溫度控制在65℃左右，如圖7所示。由圖可見(jiàn)：增設(shè)二次輻射屏后控溫階段溫度波動(dòng)幅度抑制在1℃以內(nèi)，而相同條件下無(wú)二次輻射屏方案對(duì)應(yīng)的溫度波動(dòng)幅度達(dá)4.5℃，說(shuō)明二次輻射屏表現(xiàn)出顯著的溫度波動(dòng)抑制作用，符合設(shè)計(jì)預(yù)期；在構(gòu)件表面溫差方面，有無(wú)二次輻射屏均在±3.0℃以內(nèi)，滿足任務(wù)要求。

圖7 二次輻射屏對(duì)構(gòu)件表面溫度的影響Fig.7 Effect of secondary radiation screen on temperature on the component surface

3.3 加熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于增設(shè)二次輻射屏的方案設(shè)計(jì)加熱裝置，加熱籠由筒段加熱裝置、大門加熱裝置和封頭加熱裝置組成。選用的加熱絲為316L 鎧裝加熱絲，其最高溫度可達(dá)500℃左右，可確保研制的真空烘烤除氣裝備具備將試件加熱至150℃以上的加熱能力。采用K 型熱電偶監(jiān)測(cè)加熱絲表面溫度，一般控制在300℃以下；采用PT100熱電阻監(jiān)測(cè)二次輻射屏表面溫度。

筒段加熱裝置尺寸為φ3289 mm×5000 mm，沿長(zhǎng)度方向分為3段，每段截面分為4個(gè)區(qū)；裝置壁厚90 mm，自最外側(cè)向內(nèi)分別為輻射隔熱屏、加熱絲和二次輻射屏，如圖8所示。

大門/封頭加熱裝置直徑均為3289 mm，中間鑲嵌防污染低溫冷屏，如圖9所示，防污染低溫冷屏內(nèi)側(cè)設(shè)置百葉窗，用于降低冷屏對(duì)構(gòu)件表面溫度均勻性的不利影響。

圖8 筒段加熱裝置結(jié)構(gòu)和分區(qū)Fig.8 Structure and partition of the barrel section heating device

圖9 大門/封頭加熱裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Schematic diagram of the door / head heating device

3.4 功率施加方法設(shè)計(jì)

功率施加方法是影響構(gòu)件表面溫度過(guò)沖、波動(dòng)和均勻性的另一重要因素。PID參數(shù)是控溫系統(tǒng)控制功率施加的關(guān)鍵參數(shù)，是確保試件安全、溫度指標(biāo)滿足要求的基礎(chǔ)，但對(duì)本任務(wù)而言，任務(wù)周期內(nèi)難以通過(guò)試驗(yàn)摸索出準(zhǔn)確的PID控溫參數(shù)，因此采用數(shù)值仿真方法確定PID控溫參數(shù)，以提前獲取合理的功率施加方法。

本文提出變功率加熱方案，即控制系統(tǒng)根據(jù)反饋溫度調(diào)節(jié)加熱功率大小，反饋溫度越接近目標(biāo)溫度時(shí)施加的加熱功率越小。為獲取加熱功率隨反饋溫度變化的合理算法，首先根據(jù)工程實(shí)踐估算不同溫度下需要的加熱功率并計(jì)算達(dá)到目標(biāo)溫度后的系統(tǒng)漏熱，以系統(tǒng)漏熱為控溫階段最小輸入功率，然后據(jù)此數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲線，擬合出施加功率隨反饋溫度變化的公式，如圖10所示。當(dāng)最大功率為21 kW、15 kW 時(shí)，采用變功率加熱方案，施加功率隨溫度作對(duì)數(shù)變化；以20 kW 功率恒定方案作為對(duì)比項(xiàng)。以構(gòu)件表面平均溫度為反饋溫度，當(dāng)反饋溫度接近目標(biāo)溫度后進(jìn)入控溫模式，2種加熱方法均采取開(kāi)關(guān)量控制的方法逼近目標(biāo)溫度，控制閾值區(qū)間為±1℃。最大加熱功率21 kW 對(duì)應(yīng)目標(biāo)溫度為70℃，最大加熱功率20 kW 和15 kW 對(duì)應(yīng)目標(biāo)溫度均為60℃?？販仉A段，變功率方案對(duì)應(yīng)電源的輸出電壓降遠(yuǎn)小于恒定功率方案的，即使發(fā)生控制信號(hào)超調(diào)，也會(huì)由于母線電壓較低而不發(fā)生明顯的溫度過(guò)沖，因此理論上變功率方案具有更優(yōu)的溫度穩(wěn)定性。

圖10 功率施加方案計(jì)算Fig.10 The power loading scheme

根據(jù)上述功率施加方案開(kāi)展數(shù)值仿真，結(jié)果如圖11所示。對(duì)比20 kW 恒定功率方案和21 kW 變功率加熱方案：在總功率相近的情況下，采用恒定功率時(shí)存在明顯的溫度過(guò)沖，過(guò)沖量在3.5℃左右，控溫階段溫差達(dá)到4℃左右；而變功率方案溫度逐漸接近目標(biāo)溫度，不存在明顯過(guò)沖，控溫階段溫差僅有2℃左右。可見(jiàn)，相比于恒定功率加熱方案，變功率加熱方案優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)圖11，將最大加熱功率降至15 kW 且仍采用變功率方案時(shí)，整體升溫速率明顯變慢，熱沉表面溫度在加熱2 h 后才達(dá)到目標(biāo)溫度；而最大加熱功率為21 kW 時(shí)，熱沉表面溫度在加熱1.2 h 后即可達(dá)到目標(biāo)溫度，且后者的構(gòu)件表面溫差明顯小于前者的。綜合對(duì)比，采用最大加熱功率為21 kW 的變功率加熱方案較為合適。

圖11 不同功率施加方案的構(gòu)件表面平均溫度和溫差Fig.11 Mean temperature and temperature difference on the component surface with different power schemes

4 項(xiàng)目成果

設(shè)計(jì)完工后的真空烘烤除氣裝備如圖12所示，內(nèi)部有效尺寸為φ3100 mm×5500 mm；實(shí)測(cè)真空度達(dá)到2×10-4Pa；最高加熱溫度大于150℃。

圖12 完工后的真空除氣裝備Fig.12 Vacuum degassing equipment after completion

按照擬定的試驗(yàn)方案對(duì)構(gòu)件開(kāi)展真空除氣試驗(yàn)，構(gòu)件表面共布置113個(gè)測(cè)點(diǎn)，典型測(cè)點(diǎn)位置如圖13所示。測(cè)試共持續(xù)105 h，功率施加方法參考理論分析結(jié)果，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度為(55±5)℃。除氣過(guò)程中典型測(cè)點(diǎn)溫度和113個(gè)測(cè)點(diǎn)的全局最大溫差變化如圖14所示。

圖13 構(gòu)件除氣試驗(yàn)典型測(cè)點(diǎn)位置Fig.13 Positions of typical measurement points in the baking and degassing test process

圖14 構(gòu)件除氣試驗(yàn)典型測(cè)點(diǎn)溫度和全局溫差變化Fig.14 The temperatures at typical measurement points and global temperature difference in the baking and degassing test process

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：控溫過(guò)程中所有測(cè)點(diǎn)溫度在55.7～52.7℃，均在任務(wù)規(guī)定的(55±5)℃區(qū)間內(nèi)，最大溫差僅3.0℃，完全滿足設(shè)計(jì)要求的“構(gòu)件表面溫度均勻性須優(yōu)于±3.0℃”；構(gòu)件整體不存在溫度偏低或過(guò)沖區(qū)域，構(gòu)件得到均勻且安全的烘烤除氣；構(gòu)件溫度24 h 內(nèi)的波動(dòng)小于3.0℃，滿足任務(wù)規(guī)定的1 h 內(nèi)溫度波動(dòng)小于5℃的要求。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示，在溫度均勻性方面兩者僅相差1.0℃，溫度波動(dòng)方面兩者相差約2℃。整體而言，仿真能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際效果，仿真計(jì)算有效；測(cè)試全程未出現(xiàn)明顯溫度過(guò)沖現(xiàn)象，符合預(yù)期。除氣后的構(gòu)件已順利完成鍍膜，除氣效果完全滿足任務(wù)要求。

表1 仿真與測(cè)試結(jié)果比對(duì)Table 1 Comparison between simulated result and test result

除本次任務(wù)外，目前該裝備還完成了某單位太陽(yáng)電池陣、某型號(hào)OSR 粘貼板等多個(gè)批次宇航產(chǎn)品的真空烘烤除氣任務(wù)，除氣效果明顯；且所有除氣過(guò)程幾乎未對(duì)裝備的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)做任何修改，顯示了裝備的通用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在某型號(hào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下開(kāi)展大型真空烘烤除氣裝備的研究，通過(guò)方案比較選定了鎧裝加熱絲加熱方案，并為抑制溫度波動(dòng)增設(shè)了二次輻射屏，在無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)獲取準(zhǔn)確PID參數(shù)的情況下，基于仿真分析手段提前驗(yàn)證了所提出的變功率加熱方案的可行性。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)完成的大型真空烘烤除氣裝備既可以抑制溫度過(guò)沖，又能實(shí)現(xiàn)較好的溫度均勻性和更快的升溫速率，可確保任務(wù)規(guī)定的航天器大型復(fù)雜構(gòu)件得到有效的烘烤除氣。

本文所提出的二次輻射屏設(shè)計(jì)以及通過(guò)仿真計(jì)算提前獲取較為準(zhǔn)確的控溫模型等具有普遍意義，可以推廣到類似控溫場(chǎng)景。