[科普中国]-热真空试验

热真空试验，是装有真实产品的航天器在真空和规定的温度循环条件下，验证或检查航天器产品功能、检验航天器制造工艺、发现航天器设备早期失效的热真空试验。2

在研制过程中，航天器都要进行热真空试验，在初样研制阶段要进行鉴定级热真空试验，对于发射的航天器，无论是第一次发射，还是重复性发射，每发都要进行验收级热真空试验。

在热真空试验中，高温限与低温限的停留时间通常为8-12小时。

在热真空试验中，热控分系统承担的工作包括：

（1）航天器内温度数据的监视、分析与检测。

（2）航天器内温度控制：航天器内温度达到高温限与低温限的控制，以及高温限与低温限的保持。采取的方法是：控制航天器散热面的散热能力；航天器内仪器工作与不工作；控温专用加热器的通电与断电；以及液体冷却回路降温等。2

（3）航天器外温度控制：航天器外表面温度控制，对于采用红外笼模拟外热流。通过改变黑片目标温度实现；对于采用康铜加热片模拟外热流，通过改变加在康铜加热片上的加热功率实现。

（4）航天器内仪器设备升降温速率与升降温时间的控制。2

（1）环境压力：优于6.65×10-3Pa。

（2）试验温度：一般电子电器设备的鉴定级温度范围为-35～65°C，验收级试验温度范围为-25～60°C。

（3）循环次数：鉴定级试验的循环次数要求至少9.5次，准鉴定级试验的循环次数要求至少3.5次，验收级试验的循环次数要求至少3.5次。

（4）停留时间：极端高低温端停留时间至少6小时。3

（1）温度稳定性：温度变化保持在3°C，温度变化的速率不小于1°C/min。

（2）测温点：进行热浸试验时，温度系指机壳上或仪器板温度，且此测温点应远离试验设备的热源处；进行冷浸试验时，温度系指机壳上或仪器板的温度。3

（3）整个试验过程中，产品通电工作并进行设备的性能监测或测试。当温度达到并稳定在极端低温时产品断电，然后作冷启动并作性能测试；当温度达到并稳定在极端高温时产品断电，然后作热启动。试验前后对单机进行全面性能测试并对比。3

（4）射频单机应在设计频率和最大功率下工作；机械运动部件在稳定的高低温端进行力和力矩设计余量的测试。3

其目的是验证航天器在规定的压力与鉴定级温度条件下是否满足设计要求。温度条件的最高温度比最高预示温度高10°C，最低温度比最低预示温度低10°C。4

鉴定级试验工况分为高温鉴定工况和低温鉴定工况。在高温鉴定工况中应使产品内每个温度控制区内至少有一个组件达到鉴定级最高温度，在低温鉴定工况中至少有一个组件达到鉴定级最低温度，并以此作为该控温区试验温度的控制点，其他仪器允许不达到上、下限值。也可取产品内的某一参考点温度作为高、低温鉴定级工况的基准温度，并以此作为试验温度的控制点。鉴定级最高温度等于最高预示温度（即热控系统给出的仪器最高工作温度）加上环境设计余量10°C；鉴定级最低温度等于最低预示温度（即热控系统给出的仪器最低工作温度）加上环境设计余量-10°C。3

其目的是在规定的压力与验收级温度条件下暴露材料和工艺缺陷。温度条件的最高(或最低)温度为最高(或最低)预示温度，温度循环次数至少4次。4

验收级试验工况也分为高温验收工况和低温验收工况。在高温验收工况中应使产品内每个温度控制区内至少一个组件温度达到验收级的最高温度，在低温验收工况中至少要有一个组件达到验收级最低温度，并以此作为该控温区的试验温度控制点。验收级最高温度等于最高预示温度；验收级最低温度等于最低预示温度。允许根据实际温度值加设计余量。3

航天器所处的环境真空度为13.3～13.3×10-10毫帕（10-4～10-14毫米汞柱），从传热学的角度看，13.3毫帕的真空度已能满足航天器热物理性状效应模拟的需要。为了节约试验费用，热真空试验采用的真空度通常定为优于13.3毫帕。

为了考核和研究某些活动部件、伸展机构的干摩擦、冷焊性能和研究材料在真空条件下的升华、重量损失、老化等效应，需要在更高的真空度和其他空间环境因素的组合下进行试验，这时可在中小型空间模拟器中获得 13.3×10-1～13.3×10-10毫帕（10-5～10-14毫米汞柱）的真空度。

宇宙空间的热背景温度为4K，吸收系数为1，相当于一个理想的黑体。在地面模拟这种热沉效应时，通常采用液氮冷却的黑辐射屏，屏的模拟温度低于100K，吸收系数大于0.9。当模拟室与航天器特征尺寸比大于2∶1时，热模拟误差小于1%，这样的误差可以通过理论计算加以修正。对于遥感器的定标试验，热沉背景温度应低于20K。

太阳电磁辐射相当于一个6000K的黑体辐射，是航天器的主要外热源。环地航天器在轨道上还受到地球反照和地球红外辐射。太阳模拟器通常采用碳弧灯或高压短弧氙灯作光源，配以离轴式、同轴式或发散式光学系统来造成一定的辐照强度、光谱、均匀性和准直角，以模拟太阳光的强度和能谱分布。

由于太阳模拟器的制造和试验耗费甚巨，对于大多数形状不太复杂的航天器多采用热通量模拟的方法来代替太阳模拟。所用的加热器有红外加热器、石英灯阵、笼式电阻片、贴片式电阻加热器、电热管及其组合等形式。这种方法的缺点是不能模拟太阳光的能谱和准直度。对于形状复杂的航天器和太阳电池翼、太阳敏感器、大型天线结构等特殊部件，仍然需要用太阳模拟器进行辐照试验。

进行航天器热真空试验难度大，但这种试验又非常必要。国外已经做到每颗发射航天器都必须做热真空试验。为了使航天器热真空试验能够顺利进行，应从以下三个方面进一步发展：

进行航天器热真空试验时，航天器外部环境要靠非接触式加热器的辐射热来提供，当然也包括使用太阳模拟器。由于航天器的升温和降温都有一定的速率要求，因此有些加热器在某些热真空试验（如太阳电池板热真空试验）中还不宜采用，比如红外加热笼的热惯性大，不仅升温速率受到影响，而且由于遮挡大，使航天器的降温速率也受到影响。基于这个原因，我们要加强红外灯等加热技术的应用。只有掌握了多种加热手段和降低背景热流方法，才能根据航天器热真空试验的需要选择1种或几种加热装置来完成试验任务。5

由于热真空试验过程中，极值温度和升、降温速率都有一定要求，因此必须提高空间外热流和温度的自动控制水平。尽管目前程控电源已经相当普遍，但还应加强控制方法的研究，逐步实现通过调节红外加热器每个加热区的辐射热流和适当改变内部仪器的工作模式相结合来对航天器多个组件的温度进行自动控制。5

新研制的航天器不管进行哪种类型的热真空试验，我们都应该对如何做这些试验的方法加以研究。比如试验中温度控制区如何划分，试验温度和控制点的温度如何确定，以及如何实现这些区域的温度控制，热平衡试验与热真空试验如何紧密结合才更为合理、更节约经费等，是试验中应该很好解决的重要问题。然而，解决这些问题的经验还不够丰富，有必要加强这些方面的研究工作。5

载人航天器保证航天员在轨道运行的热真空环境条件下安全地生活与工作，并能顺利地返回地面，其可靠性要求高于一般航天器，因此提出了新的热真空试验技术要求。4

载人航天器除了航天器上有的各种通用系统外，还有对航天员生活与工作的专用系统，环境条件要求更高、更复杂，在尺寸上比卫星要大得多，必须提出新的热真空试验技术与试验方法。

航天员的舱外活动，直接暴露于热真空环境中，对热真空试验具有更高的技术要求，更严格的试验顺序。

航天员及其装备的热真空试验：①航天服的热真空试验；②着装航天员工作能力的热真空试验③航天员舱内生命保障系统的热真空试验；④航天员舱内环境控制系统的热真空试验。

载人航天器的热真空试验：①大型组件的热真空试验；②分系统的热真空试验；③舱段的热真空验；④整体的热真空试验。4

航天员与载人航天器组合体的热真空试验：①航天员舱内操作的热真空试验；②航天员紧急救生的热真空试验；③舱外用航天服的热真空试验；④出入座舱的热真空试验；⑤航天员出舱适应性的热真空试验；⑥航天员使用舱外活动装置的热真空试验；⑦航天员舱外生命保障系统的热真空试验。4

将来随着载人航天技术的发展，航天员在太空中建造空间站系统、空间基地等长期活动，也要做相应的热真空试验项目。