基于Lockheed模型的变密度多层绝热理论分析与实验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:张安

  采用Lockheed 模型,对变密度多层绝热的传热过程进行了理论分析,提出了最佳层密度的概念,重点讨论了层密度与边界温度关系、层密度区域划分、层密度配置和最佳层密度下热流密度的变化。分析得出较优的3 区域层密度绝热结构和影响热流密度变化的热边界温度范围。同时通过实验验证,结果与计算的结果较好的吻合。

1、引言

  随着深空探测任务的进行,未来月球探测、火星探测、更远距离星际探测航天器根据目标任务的不同在轨运行周期从几十天到十几年不等。要保证深空探测任务的完成,首先必须解决低温推进剂在轨存储。在空间环境下,多层绝热方式是解决低温推进剂在轨存储的理想绝热方式。

  近年来在传统多层绝热技术的基础上,提出了一种新型绝热技术,即变密度多层绝热(Variable-Density Multilayer Insulation,简称‘VD-MLI’)技术。目前,国外此项技术发展比较完善,进行了一系列地面模拟试验,并且取得了一定的成果。国内上海交通大学制冷与低温工程研究所也开展了相关研究。目前NASA 提出了两种理论分析模型:Layer-by-Layer 模型和Lockheed 模型,并没有相关的分析计算过程。国内目前只有上海交通大学制冷与低温工程研究所采用了Layer-by-Layer 模型对其进行了分析。而对于采用Lockheed 模型进行理论分析,在国内还没有看到相关文献。基于Lockheed 理论模型提出了最佳层密度的概念并分析得出较优的3 区域层密度绝热结构和影响热流密度变化的热边界温度范围。

2、传热模型建立

  对于Layer-by-Layer 模型和Lockheed 模型不同之处在于Layer-by-Layer 模型基于传统分析方法,以每一层为结点,然后分析每一层3 种传热效果,最后获得总的传热量,这一理论模型不能直接反应出密度变化对传热的影响。Lockheed 模引入了总层数,层密度的分析正是基于总层数而展开,这样为层密度分析奠定了理论基础,直接反应了层密度变化对绝热效果的影响。

热流密度与热边界温度变化

图6 热流密度与热边界温度变化

4、实验验证

  实验中采用总层数分别为30 层、60 层。采用3 区域密度结构,密度依次为:4 层/cm、6 层/cm、8 层/cm。冷边界温度为77 K,变化热边界温度。结果发现,在200 ~ 300 K 能较好的吻合计算结果。在200 K 以下出现一定的误差,当热边界温度低于160 K 时,误差达到近10% 以上。由于当热边界温度低于160 K 时热流密度低于0.1 W/m2,此时热边界条件对热流密度影响很小,可以忽略。因此,此模型能较好的吻合实验验证结果。

5、总结

  变密度多层绝热技术通过绝热结构变化可以有效的提高绝热效果。通过变密度绝热Lockheed 模型分析,可以得到以下结论:(1) 在靠近热边界区域,辐射换热占据主导地位。在靠近冷边界区域,固体导热占据主要地位。通过改变层密度可以提高绝热效果;(2) 影响层密度变化的主要因素是边界温度;当边界温度确定以后,可确定对应边界温度的最佳层密度;(3) 3 区域变密度结构是比较合理的结构;(4) 当热温度边界条件低于160K 时,对热流密度影响很小。

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