气氮调温热沉系统设计

气氮调温热沉系统设计

李培印;于晨;洪辰伟;吕剑锋;李天水

【摘要】我国空间环境模拟试验中,多采用表面温度低于-173℃的热沉在地面模拟空间冷黑环境,与太空-270℃真实冷黑环境相比,模拟误差可控制在1％左右.随着我国深空探测的发展,特别是火星探测任务的提出,使用传统的液氮单相密闭循环制冷热沉达不到火星地表温度-123～27℃,无法满足火星探测模拟试验需求,采用调温热沉技术可解决此问题.介绍了气氮调节热沉温度的工作原理与系统主要组成部件的结构型式,对系统关键参数进行了分析计算,并完成了试验验证.

【期刊名称】《真空与低温》

【年(卷),期】2019(025)004

【总页数】5页(P254-258)

【关键词】火星探测;调温热沉;液氮喷淋;空间模拟

【作者】李培印;于晨;洪辰伟;吕剑锋;李天水

【作者单位】北京卫星环境工程研究所,北京 100094;北京卫星环境工程研究所,北京 100094;北京卫星环境工程研究所,北京 100094;北京卫星环境工程研究所,北京100094;北京卫星环境工程研究所,北京 100094

【正文语种】中文

【中图分类】TB663

0 引言

热沉调温系统是指利用外部温度控制设备，通过向热沉中通入温度和流量可控的介质，将热沉控制在规定的温度范围内，通过改变热沉自身温度来模拟外部环境温度的变化。目前国内外采用的热沉调温方法主要有两大类：一类是使用氮气作为载冷剂通入热沉进行温度调节；另一类是使用耐高低温的烃类化合物作为载冷剂通入热沉进行温度调节。采用耐高低温的烃类化合物作为载冷剂的调温系统，使用制冷机为载冷剂提供冷源，考虑到制冷机制冷功率有限以及循环泵的扬程限制，该调温系统常用于中小型空间环模设备中。气氮调温方法可以使热沉温度在-140～120℃内连续可调，当前国际上许多国家采用这种热沉调温方案。美国戈达德空间飞行中心的真空热试验设备采用氮气对热沉进行调温，热沉温度调节范围为-170～150℃，升降温速率最小为6℃/min。美国SS/Loral公司的真空热试验设备的气氮调温热沉可以使热沉温度在-180～150℃之间可调。美国Martin Marietta公司的真空热试验设备配置的气氮调温热沉温度控制范围为-179～121℃，升降温速率为

±1.1℃/min。印度ISRO卫星中心的真空热试验设备，直径为5.5 m，采用7个气氮调温单元密闭循环系统，使热沉温度在-183～127℃之间可调，升降温速率为1℃/min，热沉温度均匀度为±2℃，控温精度±1℃[1-3] 。

在我国首次火星探测任务中，火星车承担着火星表面巡视探测任务。火星表面温度范围-123～27℃，并存在着压力为150～1400 Pa的大气（主要成分为CO2），地表风速一般为0～15 m/s，使火星车器表产生强迫对流。为使火星车能够适应火星表面环境，需要在地面进行充分验证和试验考核，故需设计调温热沉系统，实现火星表面-123～27℃温度范围的环境模拟能力。采用气氮调温的方式设计调温系统，控制热沉温度。

1 气氮调温原理

热沉调温系统采用氮气单相密闭循环，使用氮气压缩机作为热沉控温单相密闭循环系统的动力源，液氮喷淋器作为冷源。电加热器作为热源控制热沉温度。单相密闭

循环系统包含氮气储气罐、液氮储槽、水换热器、氮气压缩机、冷干机、回热式换热器、液氮喷淋器、主电加热器、分支电加热器及压缩机进口电加热器等。

低温工况时，氮气压缩机作为动力源将氮气输入整个系统，三级过滤及干燥处理后进入回热式换热器，与热沉回气氮气在回热式加热器进行热交换（废能利用）降温后进入液氮喷淋器，经过液氮喷淋，氮气温度降至需要的目标温度，通过主电加热器和分支电加热器精确控温后进入热沉。氮气与热沉进行充分热交换后，通过回气管道进入回热式加热器，冷量回收利用后通过压缩机进口电加热器升温，经过水换热器与常温水进行热交换后变为常温气体进入氮气压缩机。图1为气氮调温原理。图1 气氮调温原理图Fig.1 Principle of the liquid nitrogen spraying heat sink temperature adjusting system

高温工况时，氮气压缩机作为动力源将氮气输入整个系统，三级过滤及干燥处理后进入回热式换热器，与回气氮气在回热式加热器进行热交换升温后进入液氮喷淋器，此时液氮喷淋器不工作，进入主电加热器与分支电加热器进行加热控温后进入热沉内。氮气与热沉进行充分热交换后，通过回气管道进入回热式换热器，氮气经过换热降温后进入压缩机进口电加热器，此时其也不用工作，而后进入水换热器与常温水进行热交换后变成常温气体，最后进入氮气压缩机。

2 调温系统组成与结构

调温系统主要组成部分有氮气压缩机、液氮喷淋器、电加热器、回热式换热器和水换热器。

2.1 氮气压缩机

氮气压缩机作为整套系统的动力源，提供系统所需的压力与气体流量，总体结构如图2所示。在压缩机的机体内有一对相互啮合的螺杆转子，电机通过弹性联轴器

带动阳转子，再由阳转子带动阴转子一起高速旋转。机组正常运行时，经气体滤清器进气口吸入氮气，过滤后由打开的进气阀（控制进气量）进入压缩机工作腔，被

高速旋转的阴、阳转子压缩而升高压力；当齿间间隙与排气口相通时，压缩氮气便从排气口排出，进入油气分离器进行油气分离，将润滑油从压缩氮气中分离出来，从而获得洁净的压缩氮气；经油气分离后的压缩氮气通过最小压力阀后，依次进入后冷却器和气水分离器，将高温气体冷却至常温及将压缩氮气中的冷凝水分离出来，最后排出机外供调温热沉系统使用。

分离出来的润滑油沉降到油气分离器的底部，在压差作用下，经温控阀进入油冷却器；冷却后的润滑油经油过滤器进入主机工作腔，与吸入的氮气一起被压缩而循环使用；喷入机体内的润滑油能够吸收大量的氮气在压缩过程中产生的热量，从而起到冷却的作用；润滑油在两转子之间形成一层油膜，可以避免阴、阳转子直接接触而导致的转子型面磨损；具有一定黏度的润滑油可填补转子与转子之间，转子与机壳之间的间隙，从而减少机体内部的泄漏损失，提高压缩机的容积效率。

图2 氮气压缩机总体结构图Fig.2 Structure chart of nitrogen compressor1.底座；2.疏水阀；3.电机；4.电柜；5.油冷却器；6.联轴器；7.气体滤清器；8.机头；

9.进气阀；10.安全阀；11.油气分离；12.最小压力阀；13.温控阀；14.进风；15.

后冷却器；16.排风扇；17.排风。

2.2 液氮喷淋器

液氮喷淋器是通过上方喷淋雾化的液氮与进来的气氮在填料中直接接触换热（如图3所示），最终使出口气氮温度降低，氮气遵循下进上出的原则以利于换热。改变液氮的喷淋量可改变出口的氮气温度。液氮喷淋器中的传热可看作是由两部分组成：一是液氮从喷洒器喷出雾化，在到达填料表面之前，小液滴与周围的气氮发生热交换，部分液氮蒸发的过程；二是液氮到达填料表面后，气液两相在填料中充分接触换热，液氮进一步气化的过程。其换热过程涉及到气、液、固三相传热，是一种复杂的物理过程。

图3 液氮喷淋器结构示意图Fig.3 Structure sketch of liquid nitrogen sprayer