[科普中國(guó)]-航天器熱縮比模擬試驗(yàn)

航天器熱縮比模擬試驗(yàn)是指將航天器系統(tǒng)、分系統(tǒng)或重要組件的全尺寸原型，按照確定的相似準(zhǔn)則制成縮小比例的模型放入空間模擬器中，根據(jù)相應(yīng)的相似準(zhǔn)則確定邊界條件、初始條件和內(nèi)熱源強(qiáng)度分布進(jìn)行的熱試驗(yàn)。由模型的試驗(yàn)結(jié)果，按相似律可以推知全尺寸原型在空間環(huán)境條件下溫度場(chǎng)的時(shí)間歷程。

簡(jiǎn)介航天器熱縮比模擬試驗(yàn)是指將航天器系統(tǒng)、分系統(tǒng)或重要組件的全尺寸原型，按照確定的相似準(zhǔn)則制成縮小比例的模型放入空間模擬器中，根據(jù)相應(yīng)的相似準(zhǔn)則確定邊界條件、初始條件和內(nèi)熱源強(qiáng)度分布進(jìn)行的熱試驗(yàn)。由模型的試驗(yàn)結(jié)果，按相似律可以推知全尺寸原型在空間環(huán)境條件下溫度場(chǎng)的時(shí)間歷程1。

試驗(yàn)意義該試驗(yàn)只用于熱平衡試驗(yàn)，其主要意義是：可以用比較小的模擬設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用；如果現(xiàn)有設(shè)備可滿足某航天器的熱真空試驗(yàn)要求，但滿足不了原型熱平衡試驗(yàn)要求，使用熱縮比模擬試驗(yàn)有可能不必建造新的空間模擬設(shè)備，從而可節(jié)省大筆設(shè)備研制費(fèi)，并縮短研制周期1。

理論基礎(chǔ)與發(fā)展熱縮比模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是外層空間航天器溫度場(chǎng)相似理論：對(duì)航天器瞬態(tài)有源三維熱傳導(dǎo)方程、邊界條件以及初始條件進(jìn)行無(wú)量綱化，若使兩個(gè)無(wú)暈綱的溫度場(chǎng)在無(wú)量綱對(duì)應(yīng)時(shí)間、對(duì)應(yīng)點(diǎn)上完全相同，除幾何、參數(shù)分布相似外，還要遵守相似誰(shuí)則。我國(guó)先后對(duì)4種衛(wèi)星采用溫度保持技術(shù)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱縮比試驗(yàn)研究。近期應(yīng)用較少，其主要原因是下衛(wèi)星越來(lái)越復(fù)雜，尤其是采用了大量新技術(shù)，例如，蜂窩夾層預(yù)埋熱管技術(shù)、多層脂熱材料等，使模型制造越來(lái)越復(fù)雜、困難。另一個(gè)原因是衛(wèi)星設(shè)計(jì)的臺(tái)化和熱數(shù)學(xué)模型日臻完善，熱平衡試驗(yàn)大幅度減少、且逐漸演變成熱數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證試驗(yàn)1。

熱縮套管絕緣性能研究航天器外部材料由于受到空間帶電粒子輻照環(huán)境的作用，其性能會(huì)發(fā)生變化。帶電粒子輻照使得航天器熱控涂層的太陽(yáng)吸收比退化，造成聚合物材料的分子鍵斷裂回，使太陽(yáng)能電池的輸出功率下降，對(duì)光學(xué)器件的性能產(chǎn)生影響。研究空間帶電粒子輻照效應(yīng)對(duì)研制我國(guó)長(zhǎng)壽命、高可靠航天器具有重要意義。

航天器上常用熱縮套管進(jìn)行絕緣。例如在航天器的磁力矩器中使用熱縮套管來(lái)保護(hù)電線電纜，起到絕緣、密封的作用。熱縮套管的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和體積電阻率是反映其絕緣保護(hù)作用的重要性能指標(biāo)。航天器在軌飛行期間，由于受到空間帶電粒子的輻照作用，熱縮套管的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和體積電阻率會(huì)發(fā)生變化，從而有可能導(dǎo)致電線、電纜間放電或?qū)?，影響航天器的正常工?。

熱縮套管使用結(jié)論與建議熱縮套管在空間帶電粒子輻照環(huán)境中，絕緣性能會(huì)發(fā)生退化。利用γ射線和低能電子進(jìn)行的地面模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，熱縮套管的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在輻照環(huán)境中變化不大，而體電阻率下降比較嚴(yán)重。對(duì)應(yīng)相同在軌飛行時(shí)間的等效模擬環(huán)境下，低能電子輻照要比γ射線輻照引起的效應(yīng)更為嚴(yán)重。采用γ射線模擬在LEO飛行8年后，高壓聚乙烯類熱縮套管的體電阻率降低到原來(lái)的50%左右，而添加抗氧化劑聚烯烴黑色熱縮套管和聚乙烯黑色熱縮套管(美國(guó)瑞侃)的體電阻率基本沒(méi)有降低。采用低能電子輻照模擬同樣在軌時(shí)間后，高壓聚乙烯類熱縮套管的體電阻系數(shù)降低到原來(lái)的5%以下，聚乙烯黑色熱縮套管(美國(guó)瑞侃)的體電阻率也下降到不足原來(lái)的10%，而添加抗氧化劑聚烯烴黑色熱縮套管的體電阻率退化最小，約退化了70%。

隨著我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的材料、組件將被用在航天器的表面。對(duì)于這些材料、組件，過(guò)去一般只采用γ射線電離總劑量輻照試驗(yàn)的方法來(lái)研究輻照效應(yīng)，然而在新的應(yīng)用要求面前，必須重視低能帶電粒子的輻照效應(yīng)模擬試驗(yàn)，開(kāi)展這方面的研究工作，從而保障航天器的高可靠運(yùn)行2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學(xué)