介紹了大型液氮液氦一體化熱沉主要性能指標(biāo)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。針對(duì)熱沉使用溫度能夠保持在低于10 K 的使用要求，對(duì)熱沉總體布置、管板結(jié)構(gòu)形式、壁板結(jié)構(gòu)形式、翅片管間距進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)熱沉材料選擇和焊接進(jìn)行了論述。該熱沉能夠進(jìn)行航天發(fā)動(dòng)機(jī)羽流效應(yīng)試驗(yàn)，同時(shí)能夠兼顧航天器熱真空和熱平衡試驗(yàn)。

　　熱沉是在地面上模擬空間的冷黑環(huán)境，是熱真空設(shè)備三大主要參數(shù)之一，可提供衛(wèi)星零部件做熱真空試驗(yàn)，是航天器研制過(guò)程中作檢驗(yàn)試驗(yàn)的必不可少的設(shè)備，航天器在此做熱真空和熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證飛行器的設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為熱沉設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的研究課題。

　　目前，國(guó)內(nèi)外熱沉多是在管內(nèi)通液氮，整個(gè)熱沉的溫度保持在低于100 K，隨著中國(guó)航天技術(shù)迅猛發(fā)展以及大放氣量載人航天和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流試驗(yàn)的需求，需要設(shè)計(jì)制冷量及抽速更大的液氦熱沉，整個(gè)熱沉的溫度能夠保持在低于10 K。北京有色金屬研究總院長(zhǎng)期致力于熱沉的設(shè)計(jì)、制造和安裝工作，相繼承擔(dān)了KM6、KM3 等熱沉設(shè)計(jì)、制造和安裝任務(wù)。根據(jù)客戶要求熱沉溫度能夠保持在低于10 K 而且液氦消耗量盡量少的原則，我們對(duì)液氮、液氦熱沉進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)和研究。

1、主要性能指標(biāo)

　　1)熱沉為臥式結(jié)構(gòu)，分為三大部分：液氮熱沉、液氦熱沉和羽流吸附泵。

　　2)液氦熱沉安裝在液氮熱沉內(nèi)部，羽流吸附泵實(shí)際上為三層液氦熱沉，支撐在液氦熱沉內(nèi)部，工作時(shí)管內(nèi)工作壓力為0.8 MPa，兩個(gè)熱沉無(wú)熱沉面積均小于3%。

　　3)熱沉總漏率不大于1.3×10^-8 Pa·m³/s。

　　4)試驗(yàn)時(shí)，液氮熱沉管內(nèi)通液氮，溫度低于100 K，液氦熱沉管內(nèi)通液氦，溫度低于10 K;做熱真空試驗(yàn)時(shí)，液氮熱沉作為防輻射屏不工作，液氦熱沉管內(nèi)通液氮，表面溫度低于100 K，局部小范圍允許不超過(guò)110 K。

　　5)液氦熱沉內(nèi)表面涂黑漆，對(duì)太陽(yáng)光的吸收率大于0.95。

　　6)液氮熱沉外側(cè)裝有防輻射屏。

2、熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本熱沉系統(tǒng)不僅要滿足一般熱沉使用的要求，而且液氦熱沉和羽流吸附泵還要滿足用液氦制冷的低溫泵的要求，盡量減少熱沉預(yù)冷時(shí)的液氦消耗量、防止液氦流動(dòng)短路是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。為此，考慮在液氦熱沉與艙體之間加了一個(gè)液氮熱沉，并將液氦熱沉和液氮熱沉設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，液氮熱沉既是液氦熱沉的防輻射屏，又是液氦熱沉的支承，液氮熱沉外為骨架支撐，在骨架外設(shè)計(jì)不銹鋼輻射屏。在液氦熱沉內(nèi)部裝可拆卸的羽流吸附泵，羽流吸附泵與其自身的骨架構(gòu)成一整體。

　　圖1 所示為熱沉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中液氮熱沉包括三部分：大門液氮熱沉、筒部液氮熱沉、封頭液氮熱沉。液氦熱沉包括三部分：大門液氦熱沉、筒部液氦熱沉、封頭液氦熱沉。羽流吸附泵實(shí)際是一液氦熱沉，是由三個(gè)直徑不同的同心筒體組成，其中最內(nèi)層熱沉最短，最外層熱沉最長(zhǎng)，在靠近封頭處端部對(duì)齊，在朝大門方向形成一個(gè)階梯狀。

圖1 熱沉結(jié)構(gòu)圖

　　2.1、熱沉管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目前，熱沉基本形式有兩種，魚骨式和盤管式。魚骨式熱沉是目前大型空間環(huán)模設(shè)備常用的形式，其上部和下部為液氮匯總管，在兩管之間并列布置若干翅片支管，液氮從下匯總管進(jìn)，經(jīng)翅片支管，在上匯總管匯集后流出。由于其翅片支管并列布置，熱沉溫度均勻性較好。液氮從下進(jìn)液匯總管通過(guò)翅片支管流到上部匯總管，汽化氮?dú)馀懦觯�這樣，液氮流阻小。本熱沉系統(tǒng)筒部熱沉管板采用的形式如圖2 所示。

圖2 熱沉管板結(jié)構(gòu)

　　2.2、熱沉壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　熱沉壁板通常有平板式、斜板式、人字形、凹槽形、方異型管、圓異型管、徑向異型管、焊接圓形管和焊制尖形板等形式。最近幾年隨著對(duì)材料性能和加工技術(shù)的深入研究，出現(xiàn)了新型熱沉形式，即不銹鋼熱沉。這種熱沉采用兩張不銹鋼板材加工而成的夾層結(jié)構(gòu)，兩張鋼板之間要留有可供液氮流動(dòng)的通道。考慮到本熱沉要求使用低溫環(huán)境為液氦溫度，而且為臥式結(jié)構(gòu)，筒部為圓筒形結(jié)構(gòu)，大門及封頭處為平面，所以選擇圓異型管壁板結(jié)構(gòu)形式，如圖3 所示。

圖3 熱沉壁板形式

　　這種壁板結(jié)構(gòu)形式翅片在支管上下焊接，氣流可以從上下交錯(cuò)的兩翅片件出去，所以翅片兩面均可冷凝抽氣，可大大提高液氦熱沉的抽速。但是，從圖3 可以看到，這種形式的壁板結(jié)構(gòu)，銅翅片與不銹鋼管支管的接觸只是線接觸，所以為了增大銅翅片與不銹鋼支管的接觸面積，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們對(duì)圓異型管壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的熱沉壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖4 所示，即利用模具將翅片壓成一定的弧形與支管貼合，這樣就增大了翅片與支管的接觸面積，從而有利于兩者之間的熱傳導(dǎo)。在支管與支管的排列上，將液氮熱沉翅片的錯(cuò)開(kāi)，以增大氦翅片的雙面抽氣能力。

圖4 改進(jìn)后熱沉壁板形式

　　由于本熱沉為雙層熱沉形式，靠近容器一側(cè)的為液氮熱沉，在液氮熱沉內(nèi)側(cè)為液氦熱沉，其布置形式如圖5 所示。氣流從一側(cè)進(jìn)入液氦熱沉后，在液氦、液氮熱沉翅片間反射多次后再?gòu)囊旱獰岢羶沙崞�間出去，這樣就增大了翅片的抽氣能力。

圖5 熱沉管板布置

　　2.3、熱沉支管間距確定

　　在前面選定的熱沉壁板形式中，離支管最遠(yuǎn)的翅片邊緣的溫度最高，為了保證它不高于100 K，通長(zhǎng)限定這一點(diǎn)與管子之間的溫差不得超過(guò)5 K。

　　圖6 所示的熱沉管板在受均勻輻射熱負(fù)荷時(shí)熱沉板計(jì)算簡(jiǎn)圖，最大溫差計(jì)算公式為：

圖6 熱沉管板溫差計(jì)算模型

　　本熱沉有兩種工作情況，分別計(jì)算如下：

　　(1)液氮熱沉。輻射熱負(fù)荷Q=30 W/m²，紫銅在100 K 時(shí)的熱導(dǎo)率為590 W/m·K，由此算得熱沉支管允許間距L=1000 mm，從工程角度考慮1000 mm的間距太大了，建議選為400 mm，則△T=0.7 K。

　　(2)液氦熱沉在做熱真空試驗(yàn)時(shí)(用液氮冷卻)。輻射熱負(fù)荷Q=500 W/m²，紫銅在100 K 時(shí)的熱導(dǎo)率為590 W/m·K，由此算得熱沉支管允許間距L=266 mm;根據(jù)現(xiàn)有熱沉的經(jīng)驗(yàn)選為200 mm比較合理，此時(shí)△T=2.8 K。

　　2.4、熱沉骨架

　　在熱沉系統(tǒng)中，液氦熱沉與艙體之間加了一個(gè)液氮熱沉，并將液氦熱沉和液氮熱沉設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，但是熱沉的尺寸、重量較大，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足，在自重、工作時(shí)液氮、液氦重量和外力的作用下熱沉?xí)�產(chǎn)生變形，所以本熱沉系統(tǒng)液氮熱沉外設(shè)有骨架支撐，骨架具有較高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)滿足熱沉運(yùn)輸、安裝的要求，在液氮熱沉和骨架支撐之間設(shè)有聚四氟乙烯墊絕熱墊，以防止液氮熱沉低溫?zé)醾鲗?dǎo)到骨架支撐上。同時(shí)，在液氦熱沉和液氮熱沉之間也設(shè)有聚四氟乙烯絕熱墊進(jìn)行隔熱，聚四氟乙烯同時(shí)起到隔熱和支撐作用。

　　本熱沉系統(tǒng)骨架如圖7 所示，它由四個(gè)環(huán)形梁和六根橫梁組成，環(huán)形梁和橫梁的截面如圖8所示，大型熱沉骨架大部分都采用這種形式的截面形式，不但能夠承受熱沉管板的重量，而且比較容易加工制造。

圖7 熱沉骨架　圖8 骨架截面

3、熱沉的選材

　　熱沉工作環(huán)境溫度10-373 K，因此制造熱沉的材料除具有良好的低溫性能外，更關(guān)鍵的是其焊縫在長(zhǎng)期高低溫冷熱交變的情況下仍能保證良好的氣密性，所以熱沉選材是一項(xiàng)重要工作。

　　國(guó)內(nèi)外以前都采用鋁材制作熱沉，但有一些熱沉由于長(zhǎng)期冷熱交變而產(chǎn)生裂紋。現(xiàn)在熱沉選材特別是對(duì)于大型熱沉選用不銹鋼的居多，為了克服不銹鋼導(dǎo)熱性較差的缺點(diǎn)，在不銹鋼支管上焊上銅翅片，以提高熱沉溫度均勻性。本熱沉的設(shè)計(jì)中，選用了在不銹鋼管材上焊接紫銅翅片的形式。

　　不銹鋼熱沉所選不銹鋼的牌號(hào)必須慎重考慮，通過(guò)深入的調(diào)研各種牌號(hào)的不銹鋼的低溫性能， 發(fā)現(xiàn)選用1Cr18Ni9Ti或0Cr19Ni9(相當(dāng)于AISI304)做熱沉不夠妥當(dāng)，因?yàn)樯鲜雠铺?hào)的不銹鋼的Ms 點(diǎn)(韌性- 脆性溫度轉(zhuǎn)化點(diǎn))約在-200℃左右，如在-200℃左右使用，由于馬氏體相變，有降低韌性的危險(xiǎn)，需要加工和焊接的構(gòu)件如隨后不能進(jìn)行固溶處理的話，則會(huì)使材料受到敏化，低溫韌性降低更大。此外，這兩種鋼的Md點(diǎn)(冷變形引起奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn))約在315℃左右，它比Ms 點(diǎn)高得多，因而通常在室溫下冷變形將會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致韌性的降低。

　　基于上述原因，選用超低碳和含鎳量高的更為合適，因?yàn)楹�鎳量高，可防止Ms 點(diǎn)上升，奧氏體組織較穩(wěn)定，同時(shí)材料敏化程度低，因冷變形引起馬氏體相變而導(dǎo)致韌性降低也小。通過(guò)調(diào)研，KM5A、KM3A、KM3B、KM2A 熱沉管材均改選304L 不銹鋼做熱沉管材料。因?yàn)楸疽汉�熱沉的工作溫度�?269 ℃，必須選用含鎳量更高的不銹鋼材料，由于含鎳量高，奧氏體穩(wěn)定性更好。本熱沉翅片管選用了316 L，根據(jù)試驗(yàn)，它們?cè)?269 ℃拉伸到屈服載荷時(shí)，變形區(qū)都沒(méi)有出現(xiàn)馬氏體，能很好滿足熱沉使用要求。

4、熱沉翅片管焊接

　　本熱沉是在不銹鋼管上焊銅翅片來(lái)做熱沉壁板，加工這種熱沉成敗的關(guān)鍵在于銅翅片與不銹鋼管的焊接，焊縫必須保證兩種材料間有足夠的導(dǎo)熱面積，但又要防止銅離子向不銹鋼內(nèi)擴(kuò)散，否則不銹鋼會(huì)變脆產(chǎn)生脆裂事故而不能使用。北京有色金屬研究總院對(duì)此種焊接方法做了許多試驗(yàn)研究，在2005 年加工KM3B 和KM5A熱沉?xí)r，已找到一種新的焊接方法。在進(jìn)行熱沉管板焊接前，我們用這種焊接方法焊接了工藝試件，除了進(jìn)行例行的力學(xué)試驗(yàn)外，還將試件送到國(guó)家有色金屬材料分析檢測(cè)中心對(duì)銅離子在不銹鋼內(nèi)的擴(kuò)散程度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)中心用金相分析和電子探針等手段探測(cè)，發(fā)現(xiàn)銅離子在不銹鋼內(nèi)的擴(kuò)散深度均未超過(guò)0.1 mm，而我們選用的翅片管壁厚為2.2 mm，這種淺層的擴(kuò)散不會(huì)影響不銹鋼管的低溫性能。

5、結(jié)論

　　將大型空間模擬器液氮熱沉、液氦熱沉進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，尤其是在液氮熱沉、液氦熱沉內(nèi)放置羽流吸附泵，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種案例。該熱系統(tǒng)正常已運(yùn)行了近三年時(shí)間，在該系統(tǒng)中已進(jìn)行了多次整星級(jí)熱平衡、熱真空和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，很好的滿足了使用要求，為我國(guó)航天深空探測(cè)的后續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。