刘 春，林博颖，武 飞，邹世杰，刘 哲

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器单机产品在研制过程中需要进行热真空试验。热真空试验在真空容器中进行，同时配备特定形式的升降温装置以实现高低温环境模拟。目前低温环境一般靠热沉实现；加热装置可根据试验需求采用红外加热笼、红外灯或薄膜电加热器[1-2]；试验产品与热沉及加热装置之间的换热一般以辐射为主。

热真空试验通常会对试验产品的升降温速率提出明确要求[3]，并规定升降温的循环次数。在每个循环的初始降温阶段，因加热功率能够通过控制程序调节，故可保证产品温度按设定的速率进行变化；当加热装置功率逐步降至0 以后，由于辐射散热的温差变小，产品的降温开始变缓，所以可能出现无法满足降温速率的情况。

有些单机产品需要在热真空试验的低温保持阶段进行冷启动或加电测试，期间会产生较大的附加热量，导致试验产品无法继续在该温度条件下保持温度稳定。如某型号探测器雷达单机组件的热真空试验要求高温+65 ℃，低温-55 ℃，升降温速率≥1 ℃/min，循环次数3.5 次，并要求在首、尾高低温保持阶段进行大功率测试时不超出温度允差（高温+4 ℃，低温-4 ℃）。为此，本文对该类单机产品的热真空试验进行了理论分析，结果表明其降温速率和温度稳定性均不能满足试验技术指标要求。

提出采用热传导方式增强降温能力的解决方案，利用热分析软件进行仿真验证，设计和研制适用于该产品的调温平台，并完成试验验证，以探究适用于这类单机产品的通用试验方法。

1 理论分析

1.1 极限降温速率

热真空试验时，辐射换热功率取决于产品表面温度、表面特性、散热面积和热沉温度。在不安装加热装置情况下，一个表面积为A1、表面温度为T1、发射率为ε1的试验产品安装在表面积为A0、表面温度为T0、热沉发射率为ε0的密闭容器中，可按照两个漫灰表面组成的封闭腔进行分析[4]，辐射换热功率为

式中σ 为斯忒藩-玻耳兹曼常量。由于热沉表面发射率ε0＞0.9，且参试产品表面积A1与热沉表面积A0相比为小量，所以辐射换热公式可简化为

考虑热真空环境中无加热装置、产品无内热源情况下的降温过程，薄板仅通过单面辐射换热时，单位时间内散发的热量等于产品热容变化量，即为

式中：ρ 为薄板密度；δ 为薄板厚度；c 为比热容；ΔTt为降温速率。

联立式(2)与式(3)，得到降温速率的表达式：

本文所述的这类单机产品通常为规则的立方结构，材质为铝合金，表面进行发黑处理。单机内部的各类模块及元器件一般是安装在底板上，侧壳和顶盖一般为薄板结构。假设侧壳厚度为3 mm，顶盖厚度为4 mm，内部模块及元器件按等质量的铝合金折算成底板的附加高度，相当于底板厚度为16 mm。分别代入式(4)，可计算出相应的降温速率，如表1 所示。

表1 不同厚度的铝合金薄板极限降温速率Table 1 The limit cooling rate of aluminum alloy sheets of different thicknesses

从表1 可看出，在[+65 ℃, -55 ℃]降温区间内，该产品的侧壳降温速率大于1 ℃/min，勉强满足要求；顶盖降至-35.5 ℃后降温速率开始小于1 ℃/min；底板几乎全程降温速率小于1 ℃/min。

以上计算是假设产品不受遮挡的极限情况。实际试验中产品会受试验工装遮挡的影响，因此降温速率会比理论值更小。此外，由于顶盖、侧壳及底板是一个整体，相互之间的导热会对降温速率产生影响。

1.2 温度平衡条件

热真空试验中当产品温度降低至低温条件时，需及时调整加热装置功率，维持产品的温度稳定。在环境温度（热沉温度）不变的情况下，加热装置需要增加相应的功率。温度平衡时产品通过辐射散热的功率等于加热功率与产品内部发热功率之和，即

将式(2)代入式(5)，得到温度平衡时的加热功率为

本文涉及的单机产品需要在低温保持时进行启动，产生60 W 的发热功率。经计算，产品表面积A1=0.44 m2，低温保持时T1= -55 ℃，代入式(6)，得到加热装置需增加的功率P= -10.96 W，与实际情况不符，即产品无法在该温度继续保持稳定。

2 技术方案

根据前述分析计算，对于单机产品的热真空试验，无论是降温速率不达标，或是在低温保持时产品因测试产生额外热量而无法继续维持温度稳定，均是因为采用辐射换热的方式进行降温时试验产品的散热功率不足。而解决该问题的有效方法之一是以“热传导”的方式提升试验降温能力（对升温能力也能够有效提升）。此前已研究过增加导热热桥的形式，但试验中需要根据产品温度的变化断开产品与热桥的连接，而低温下连接机构的设计是低温热桥设计的重点与难点之一[5]。本文提出一种新的解决方案，其技术核心是研制一个调温平台，试验时产品安装在调温平台上并紧密接触，利用调温平台提高产品升/降温速率。因此，调温平台需具备以下能力：

1）具备温度快速调节功能；

2）温度变化区域能够覆盖试验需求温度范围，而且在该范围内满足升降温速率要求（通常要求≥1 ℃/min）；

3）具有较强的“温度牵引能力”，即考虑调温平台自身有一定热容，不能因安装产品后整体热容增大导致升降温速率降低。

在此需要指出，该方法需要利用接触面进行传热，因此主要适用于具有平整安装面的单机产品。

3 调温平台设计

3.1 结构设计

调温平台的设计采用类似插片式散热器的结构（见图1）。平台上表面为产品安装面板，下方为等间距排布的导热基块（见图2），导热基块与安装面板通过螺钉紧固为一个整体。调温平台的冷源依靠导热基块下端与冷板的接触传热提供。导热基块靠上位置两侧安装电加热器，上端面开凹槽安装测温传感器，通过控制导热基块上端面的温度来控制产品安装面板的温度变化。导热基块设计为类似倒梯形截面的长条结构，目的是限制与冷板接触部位的传热过大；而上端面尽量宽，保证与安装面板有尽可能大的接触面积，同时也有利于增大导热基块自身的热容，减小产品安装面板温度变化对导热基块上端面温度的冲击。此外，采用这样的截面形状时，两侧电加热器之间以及与底部冷边界的距离不会太近，有助于降低导热基块内部的温度梯度。

图1 调温平台整体结构Fig.1 General structure of temperature control platform

图2 导热基块组件结构Fig.2 Structure of the thermal conductive components

3.2 热仿真验证

3.2.1 热仿真模型

对调温平台结构进行热仿真以验证其功能是否满足需求。如图3 所示，导热基块在产品安装面板下方均匀排布，可近似认为每个导热基块的温度分布相同；同时，考虑产品及安装面板会对导热基块上端面温度产生影响，故选取与导热基块等间距的分割区域进行热分析。

对图3 所示的模型进行合理假设：

1）导热基块沿长度方向无温度变化，因此只分析横截面的二维温度分布；

2）安装面板与产品底板在界面A、B 处水平方向温度梯度为0，按绝热处理；

3）产品底板界面C 被产品侧壳、顶盖包围，不存在向热沉辐射散热的情况，按绝热处理；

4）界面D、E 为电加热器，工作时按第二类边界条件处理，无功率输出时按绝热处理；

5）液氮冷板内壁按第一类边界条件处理，即恒温-180 ℃；

6）导热基块之间的密闭空间内存在相互辐射换热，但因金属表面发射率较低，而且相比热传导，辐射换热功率为小量，可近似按绝热处理。

为避免导热基块内热流过大，导热基块材质选择热导率较低的不锈钢[6]；而产品安装面板需要较好的热传导性，故用铜板加工。此外，为减小产品底板与调温平台安装面的接触热阻，安装时涂抹导热硅脂或加软性材质隔热垫。根据工程经验，接触面在加导热填料的情况下，其导热系数一般在500～2000 W/(m2·K)之间，如果采用热导率高的金属箔为填料，然后施以足够的压力压紧，其导热系数可达5000 W/(m2·K)[7]。

3.2.2 温度均匀性验证

使用Thermal Desktop 软件进行仿真。稳态情况下，导热基块上端面平均温度分别为-100 ℃、0 ℃、100 ℃时的电加热器功率及温度均匀性计算结果详见表2。

表2 稳态时电加热器功率值与温度均匀性Table 2 Temperature uniformity and corresponding power of the heater in steady state

图4(a)、(b)、(c)分别为导热基块上端面平均温度为-100 ℃、0 ℃、100 ℃时的截面温度分布图。可以看出，随着加热功率的增大，导热基块上端面的温度不均匀性有逐渐变差的趋势，但最差不超过0.8 ℃。因此，图2 中测温传感器所测得的温度能够很好地代表导热基块上端面的平均温度。

图4 导热基块上端面平均温度为-100、0、100 ℃时截面温度云图Fig.4 Temperature distributions on cross section of heat conductive device with average temperature of -100,0,and 100 ℃

3.2.3 升/降温能力验证

对导热基块的升温能力进行验证：当导热基块上端面温度为-100 ℃时，更改电加热器输出功率，使其按照100 ℃平衡电流的1.23 倍（功率增至1.5 倍）进行加热，得到导热基块上端面温升曲线，如图5 所示。根据瞬态计算结果，当温度升至100 ℃时，温度变化率为6 ℃/min。

图5 导热基块定功率升温时上端面温度曲线Fig.5 Temperature distribution on top surface of the conductive device with regular power heating

对导热基块的极限降温能力进行验证：当导热基块上端面温度为0 ℃时，电加热器断电，得到导热基块上端面温降曲线，如图6 所示。根据瞬态计算结果，当温度降至-100 ℃时，温度变化率为-3.4 ℃/min。

图6 导热基块断电降温时上端面温度曲线Fig.6 Temperature distribution on top surface of conductive device with power-off cooling

验证导热基块升、降温能力时分别按特定功率与极限情况进行计算。实际应用中，利用基于PID 的多通道控温程序，可以实时调节程控电源输出功率，实现导热基块上端面温度按照预先设定的速率进行升/降温。

3.2.4 试验过程模拟

对于稳态情况，基于前述的假设条件，产品底板的温度能够与导热基块上端面温度保持一致；但对于瞬态情况，热量的传递以及温度的平衡需要一定时间。在使用调温平台进行试验时，若将产品温度直接作为控制目标，则会因为温度响应速率过慢而导致超调；同时，也不利于加热分区的细分，以致安装面板的温度均匀性无法得到保证。因此，选择导热基块上端面温度为控制点进行控温。

为验证产品底板温度的跟随效果，使用Thermal Desktop 软件对温度循环过程进行动态仿真。当导热基块上端面温度按照预设的曲线（高温+65 ℃，低温-55 ℃，升/降温速率1.5 ℃/min，高低温停留时间2 h）进行变化，计算得到产品底板平均温度的变化曲线如图7 所示。

图7 产品温度跟随效果曲线Fig.7 Temperature follow-up of product with the conductive device

从图7 可看出，产品底板温度曲线与导热基块上端面温度变化基本一致，但存时间延迟。延迟时长主要与接触面的导热填料有关。当安装面板与导热基块、以及安装面与产品底板之间传热系数为500 W/(m2·K)时，升降温期间的延迟时间为6 min，高低温稳定的延迟时间约30 min，即对应图7 所示的温度曲线。导致高低温稳定延迟增加的原因是导热基块上端面到达目标温度稳定后与产品底板之间的热流量变小。实际控温时，可采取保守方法，将控温点温度保持延长相应的时间；也可采取人工干预的形式，即在升（降）温操作时将导热基块上端面预设温度提升（降低）一定幅度，待底板温度接近目标温度时，逐步调整导热基块上端面温度至预设值。

4 试验实施及试验结果

对于单机类产品，其内部模块及元器件一般是安装在底板上，可以认为产品的热容以及测试发热的部位主要集中在底部，因此选择底板作为与调温平台进行接触传热的部位是非常合理的。对于产品的侧壳与顶盖，由于厚度较小，使用常规的红外笼进行加热。图8 为产品及试验工装的安装示意图。试验时调温平台的导热基块均分为6 组，每组对应1 个控制回路；红外加热笼的5 个加热面各自为1 个控制回路，每个加热面对应1 个热电偶测温点。

图8 正式试验产品及工装状态Fig.8 State of DUT and fixture

试验时以产品底板温度T1、T2作为温度判据，利用多通道控温系统驱动直流电源对调温平台导热基块与产品侧壳及顶盖进行控温，升降温速率设定为1.2 ℃/min。图9 为试验期间产品底板的温度曲线，可见，高低温指标、升降温速率均满足试验需求，其中在高低温保持阶段的温度波动由产品加电测试引起，但均在4 ℃允差范围内。

图9 正式试验产品温度曲线Fig.9 Temperature curve of the DUT in the test

5 结束语

增加热传导是增强热真空试验升降温能力的有效方式。本文根据试验需求与产品状态研制了具有快速升降温能力的调温平台。在进行该平台结构设计时，综合考虑了控温效果、升降温能力、温度均匀性等参数指标，并利用热分析软件进行了仿真验证，优化了结构模型。作为调温平台关键部位的导热基块，其结构已基本定型，可根据不同试验产品的尺寸对调温平台面积进行扩展。该平台已在多个单机产品的热真空试验中得到应用，效果显著。