基于一维稳态导热模型的多层组件常压隔热性能试验研究

苏新明，刘 畅，文 晶，王 晶，朱 熙，李 烨，刘守文

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

基于一维稳态导热模型的多层组件常压隔热性能试验研究

苏新明，刘 畅，文 晶，王 晶，朱 熙，李 烨，刘守文

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

为准确获取被多层组件包覆的空间站常压热试验之热边界，文章基于一维稳态传热模型，对15单元多层组件的等效隔热性能进行了常压环境下的试验测量。结果表明：该组件的热特性较稳定，且受环境温度影响较小，忽略相关测量误差可以近似认为其当量导热系数为0.02 W/(m·K)，等效热阻为2.88 ℃/W。研究结果可用于空间站常压热试验的热边界分析，为常压热试验的准确开展提供数据支撑。

常压；多层组件；当量导热系数；等效热阻；试验研究

0 引言

空间站由多舱段组成，尺寸庞大，无法对其开展组合体真空热试验；此外，空间站有多个密封舱，在轨工作时舱内保持一定压力，内部传热以对流换热为主，而在真空热试验中是以辐射换热为主。因此，空间站的地面常压热试验是一项重要的试验。开展常压热试验首先需要确定航天器的热边界，而航天器表面又包覆了多层隔热组件（以下简称多层），这会影响到常压条件下的仿真建模以及试验方案设计等工作。经过多年的在轨遥测数据积累，多层在真空状态下的隔热性能已知，但其在常压条件下的隔热性能未知，有必要开展相关试验测试研究。

多层是航天器上常用的一种热控包覆材料，具有较好的隔热性能，且质量小、安装方便[1]。对于多层的隔热性能，国内外学者已经做了较多理论计算及试验研究。Kamran[2]分析了高温多层各向同性散射限位隔热材料的瞬态辐射导热耦合传热特性；Spinnler等[3-4]对多层稳态表观热导率进行了理论与试验研究；闫长海等[5]建立了金属热防护系统多层稳态传热数学模型，并对多层传热的性能参数开展了试验验证；李鹏等[6]分析了打孔的空间多层隔热材料的导热与辐射复合传热问题，并建立了反射屏的能量方程，分析了层密度、打孔率等参数对多层隔热性能的影响；韩海鹰等[7]通过理论与试验分析了多层碎片防护增强措施对多层隔热性能的影响；戴勇超等[8]定量分析了影响多层隔热性能的多个因素，并给出了减小多层边缘漏热的设计；吴晓迪[9]根据卫星表面多层隔热材料中辐射换热、间隔层固体导热温度计算模型进行分析，得到了卫星长波红外辐射影响较大的结论；杨明等[10]分析了不同太阳入射角对隔热组件表面温度的影响。以上研究，均是基于真空或低气压环境下开展的。对于多层隔热材料的常压热环境试验，其隔热性能的研究尚未见报道。因此，针对空间站常压热试验的需求，有必要开展在常压环境下多层隔热性能的研究。

1 传热模型

多层隔热材料通常由反射层和间隔层构成，其中反射层一般为有机薄膜镀铝或金属箔，间隔层多为的确良网、尼龙网等低导热材料。本文所研究的15单元多层包含了16层打孔的双面镀铝聚酯薄膜（单层厚度6 µm）和15层作为间隔的涤纶网，总厚度约为5 mm，如图1所示。

图1 15单元多层示意Fig.1 Schematic diagram of 15-layer MLI

常压下研究多层的隔热性能，主要包括其当量导热系数、等效热阻等热物性参数，为此可以将15单元多层看作一个整体，利用一维稳态导热模型求解其热物性参数，如图2所示。

图2 一维稳态导热模型Fig.2 1-D heat transfer model

稳态下，多层导热的表达式为

式中：Q0为稳态时通过多层的热量；λe为多层当量导热系数；A为多层面积；δ为多层厚度；Tout为多层冷端温度；Tin为多层热端温度；R为多层等效热阻。

2 试验设计

2.1 试验件

基于一维稳态导热模型，利用铝合金（Y12）材质基板（300 mm×300 mm×2 mm），先在其两侧面分别粘贴同等规格和数量的热流模拟加热器，并设置测温点；随后在两侧面分别包覆15单元多层，如图3所示。将图中右侧的多层视为被测多层，并在其外部设置测温点。为防止漏热，在基板四周的边缘处同样包覆了15单元多层。整个试件悬挂在环境温度可控的常压环境控制箱内。

图3 试验整体组成示意Fig.3 The schematic diagram of the overall test scheme

试验中，环境温度控制在设定值，基板左、右两侧热流模拟加热器的面积与阻值相同，在施加相同电流时两侧产生的热量相等。观察基板左、右两侧多层内部测温点的温度偏差：当试验达到热稳定，且多层内基板左、右两侧测温点的偏差很小并在一定范围时，可以认为热流模拟加热器所产生的热量全部流向多层一侧。此时，通过测量被测多层外部的温度，即可根据式(1)计算出当前环境条件下多层的当量导热系数及等效热阻。

2.2 试验工况

为了考察多层的隔热性能是否会随着环境温度的变化而改变，使常压环境控制箱内环境温度设定为-60～20 ℃范围内的6个不同等级，并在每一个温度下，对基板左、右两侧热流模拟加热器施加相同的电流，测试多层的隔热性能；待第1次测试结束后，改变加热输入电流，再进行第2次测试。具体工况设计如表1所示。

表1 多层隔热性能试验工况Table 1 Conditions for the MLI performance test

2.3 试验系统组成

1）加热及测量装置

热流模拟加热器采用加热片，在A、B面（A面指被测多层一侧，即右侧；B面指绝热边界多层一侧，即左侧）分别布置8片同等规格的加热片，单片阻值40 Ω。通过串并联设置，在A、B面上各形成2个加热回路，回路电阻80 Ω。

测温点采用Pt100热电阻，在A面多层内侧布置9个，外侧布置4个；在B面多层内侧布置6个。

热控实施后的试验件如图4所示。

图4 试验件热控实施效果图Fig.4 The effect of the thermal control installation

2）测控温系统

本次试验温度测量系统的采样周期为1 min，可实现对测量数据的采集、存储和显示。

加热片由程控电源供电，通过计算机控温程序控制电源电流的输出，调节加热片的加热功率。

3）常压环境控制箱

本次试验使用北京卫星环境工程研究所的SE-1000-10型常压环境控制箱，箱内有效尺寸为1 m×1 m×1 m，具有液氮制冷和空气压缩制冷2种方式，采用电加热方式，温度控制范围-90～150 ℃，控温精度在±1 ℃以内。试验件放置在常压环境控制箱内的实物照片如图5所示。

图5 试验件在常压环境控制箱内放置位置实物图Fig.5 The test object in the ambient pressure control box

3 试验结果及分析

本次试验共耗时52 h，在每个工况中，当所有测温点的温度单调变化值小于 0.1 ℃/h，且 A、B面多层内侧的平均温度偏差绝对值小于0.2 ℃时，维持稳定2 h后记录被测多层外侧温度；再改变加热电流或转入下一工况。

试验全过程温度测量曲线如图6所示。

图6 试验全过程测温曲线Fig.6 The whole temperature test curve

试验中，常压环境控制箱运行稳定，在各工况下，环境温度均无明显波动。此外，利用工况间隙（未加电）对铂热电阻测量的有效性进行了测试，发现所有测量点的温度值与环境温度的偏差均在±0.05 ℃以内，且保持较好的一致性，说明本次试验所用铂热电阻工作可靠，测温精度能够满足要求。

试验测量数据如表2所示。其中：T0表示环境温度；Tin_A表示 A面被测多层内侧温度测量平均值；Tin_B表示B面多层内侧温度测量平均值；Tout表示被测多层外侧温度测量平均值。从表中可以看出，各工况下，Tin_A与Tin_B的偏差绝对值均在0.1 ℃以内，证明各工况均已到达稳态。

表2 试验测量数据Table 2 The measured results in the test

根据式(1)，计算得到不同工况下的多层当量导热系数和等效热阻，结果如图7和图8所示。

图7 不同工况下多层当量导热系数Fig.7 Heat transfer coefficients of the MLI in different working conditions

图8 不同工况下多层等效热阻Fig.8 Equivalent thermal resistances of the MLI in different working conditions

可见，不同工况或输入电流情况下，计算得到的15单元多层当量导热系数和等效热阻略有不同，当量导热系数在 0.018～0.022 W/(m·K)范围内，等效热阻在2.63～3.17 ℃/W范围内。考虑到测量误差以及使用平均值计算所引入的计算误差，可以近似地认为：不同工况下得到的15单元多层的当量导热系数和等效热阻是一致的，分别约为0.02 W/(m·K)和2.88 ℃/W。即，在常压条件下15单元多层的隔热性能基本稳定，受环境温度的影响较小。

图9、图10分别给出了稳态时，不同工况下计算得到的多层隔热性能的重复性情况。即，以工况中第一时刻得出的当量导热系数和等效热阻为基准，计算该工况后续时刻得到的当量导热系数和等效热阻与基准间的偏差及偏差随时间的变化。从图中可以看出，在相同条件下，不同时间计算得到的当量导热系数和等效热阻的偏差基本均在±0.05%以内。

图9 不同工况下当量导热系数及其偏差随时间的变化Fig.9 Equivalent heat transfer coefficients and the offsets in different work cases

图10 不同工况下等效热阻及其偏差随时间的变化Fig.10 Equivalent thermal resistances and the offsets in different working conditions

由式(1)可知：稳态时，当量导热系数及等效热阻的测量精度由加热功率、温度测量值、多层面积及其厚度决定。本研究中：1）加热片的阻值已知，且为同批次、同规格，并通过控制系统保证所施加的加热电流无偏差，因此加热功率不会引入相对误差；2）多层面积、厚度为实测值，且试验中不发生变化，因此可保证不引入相对误差；3）温度测量精度由测温点的测量精度（±0.1 ℃）保证，存在测量误差，但试验中已通过多次测量取平均值的方式降低了测量误差。故本研究中所得到的多层当量导热系数及等效热阻的试验误差可忽略，且本次试验的设计合理，获得的试验数据有效性在可信范围内。

4 结论

通过对 15单元多层的隔热性能进行试验研究，得到以下结论：1）忽略相关测量及计算误差，可以近似地得到 15单元多层的当量导热系数为0.02 W/(m·K)、等效热阻为2.88 ℃/W；2）常压下，15单元多层的隔热性能比较稳定，受环境温度影响较小；3）相同条件下，计算得到的当量导热系数和等效热阻的偏差均在±0.05%以内，说明试验设计合理，试验数据有效。

以上试验结果可用于空间站常压热试验外壁多层（15单元）的热特性分析，有助于确定多层的热阻边界条件，对于空间站常压热试验方案制定和热控实施有重要意义。

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（编辑：张艳艳）

Experimental study of the performance of multilayer heat insulation in ambient environment based on the 1-D heat transfer model

SU Xinming, LIU Chang, WEN Jing, WANG Jing, ZHU Xi, LI Ye, LIU Shouwen
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To study the performance of heat insulation of the space station with multilayer in ambient environment, based on the 1-D heat transfer model, measurements are made for the heat insulation of a multilayer (MLI) of 15 layers in ambient environment, and the ambient temperature can be adjusted.It is shown that, in the ambient environment, the performance of the heat insulation of the MLI of 15 layers is steady, and is not much affected by the environmental temperature.Within the test error, the equivalent heat transfer coefficient is 0.02 W/(m·K), and the heat resistance is 2.88 ℃/W, approximately.These results can be applied to analyze the thermal boundary of the space station in ambient pressure heat test, for properly carrying out the heat test in the ambient environment.

ambient pressure; MLI; equivalent heat transfer coefficient; equivalent heat resistance; test study

V423.7; V476

：A

：1673-1379(2016)06-0634-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.010

苏新明（1985—），男，硕士学位，从事航天器热试验技术研究；E-mail: xmsu85@163.com。通信作者：文 晶（1989—），男，从事航天器热试验技术研究；E-mail: wj54297677@163.com。

2016-07-06；

：2016-11-14

载人航天工程三期重大项目工艺攻关课题