（工程热物理专业论文）ams散热板的太空模拟实验.pdf

俑费 摘要 阿尔法磁谱仪( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ，a m s ) 是迄今为止唯一获得批 准安装在国际空间站上，利用外太空所独有的空间环境进行大型粒子物理实验的 实验装置。它是由多个代表当今最先进技术发展水平的粒子物理探测器组成。在 外太空这样恶劣的环境下，这些探测器的性能很大程度上取决于它们所处的热环 境。因此，热控制系统研制的水平及质量直接影响着阿尔法磁谱仪的工作状态、 运行寿命及实验可靠性，为了保证这些探测器能够在外太空正常地运行，热控制 系统是阿尔法磁谱仪不可或缺的重要组成部分。作为验证热控制系统有效性唯一 方法的热真空热平衡试验，是阿尔法磁谱仪在发射之前，由美国国家航空航天局 规定的必须实施的唯一系统级的热试验。本文将以阿尔法磁谱仪热控制系统散热 板的热真空热平衡试验为研究对象，对其设计、分析及优化进行综述，并对热真 空热平衡试验结果进行全面的研究，从而验证阿尔法磁谱仪热控制系统的有效性。 本文首先介绍了阿尔法磁谱仪的实验科学背景和科学目标，同时分析了对于 航天器这类特殊产品所进行的各类环境试验的不同特性。在航天器发射之前，作 为在模拟的空间环境条件下验证航天器热控制系统及组件功能的热真空热平衡试 验是所有这些环境实验中最重要的实验；本文亦对当今航空航天领域最为先进的 太空模拟实验装置一大型太空模拟舱进行了综述，为我国的航天器的太空模拟实 验提供了借鉴和参考。 其次，研究了阿尔法磁谱仪散热板的结构、设计原理、优化设计及各种工况 下的温度分布模拟，分析了阿尔法磁谱仪在大型太空模拟舱的数学和几何模型建 模耦合。 最后，对散热板进行了热真空热平衡试验，在试验中对阿尔法磁谱仪在模拟 太空环境中的极冷工况下的加热器动作、温度控制器的响应进行了测试，分析加 热器的启动顺序和温度控制器的作用，研究了在冷工况下散热板的温度分布和电 子箱的温度分布；在热工况下分析了电子元件的运行状况，研究了散热板的温度 分布，测试了热管的工作性能。对阿尔法磁谱仪散热板的温度控制器响应、加热 器动作进行了测试，对各电子箱及电源分配箱的温度响应及温度分布与模拟温度 分布和设计要求进行了对比：重点研究了阿尔法磁谱仪热控制系统在最不利工况 下的性能，对该工况下的散热板温度分布进行了实验分析，进一步的验证了阿尔 法磁谱仪热控制系统的有效性。 i i 山东大学硕+ 学位论文 关键词：阿尔法磁谱仪；散热板；热真空热平衡试验 摘要 a b s t r a c t a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ( h m s ) ，c o n s i s t so fs o m es t a t e o f - t h e - a r tp a r t i c l e p h y s i c sd e t e c t o r s ，i st h eo n l ya p p r o v e dp h y s i c se x p e r i m e n to nt h ei n t e m a t i o n a ls p a c e s t a t i o n ，w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g eo ft h eu n i q u es p a c ee n v i r o n m e n t t h e p e r f o r m a n c e so ft h e s ed e t e c t o r sa r es e n s i t i v et ot h ed i f f e r e n tt h e r m a le n v i r o n m e n t ， e s p e c i a l l yt ot h eh a r s ht h e r m a le n v i r o n m e n ts u c ha st h eo u t e rs p a c et h e r m a l e n v i r o n m e n t t og u a r a n t e et h e s ed e t e c t o r st on o r m a l l yo p e r a t ei nt h eo u t e rs p a c e ，t h e t h e r m a lc o n t r o ls y s t e mi se s s e n t i a la n di n d i s p e n s a b l ec o n s t i t u t eo fa m s a st h eo n l y a p p r o a c ht ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo fa m s t h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，t h et h e r m a l v a c u u ma n d t h e r m a lb a l a n c et e s ts p e c i f i e db yn a s am u s tb ec a r r i e do u tb e f o r ea m s l a u n c h e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e r m a lv a c u u ma n dt h e r m a lb a l a n c et e s tp e r f o r m e d f o ra m si sd e s i g n e d ，a n a l y z e da n do p t i m i z e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fa m st h e r m a l c o n t r o ls y s t e mi ns i m u l a t e ds p a c ee n v i r o n m e n ti se v a l u a t e d ，a n dt h et h e r m a l b e h a v i o r so fa m si nt h e r m a l - v a c u u me n v i r o n m e n ta r ee n t i r e l yi n v e s t i g a t e d f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h es c i e n t i f i cb a c k g r o u n da n dt h eg o a lo ft h e a m se x p e r i m e n t ，嬲w e l la st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee n v i r o n m e n tt e s tf o rs p a c e c r a f ta n do t h e rf a c i l i t y t h et h e r m a lv a c u u ma n dt h e r m a lb a l a n c et e s ti st h em o s t i m p o r t a n to n eb e f o r es p a c ec r a f t sl a u n c h ，w h i c hi sc r u c i a lt ov a l i dt h et h e r m a lc o n t r o l s y s t e m ；t h e d i s s e r t a t i o na l s o g i v e sa n i n t r o d u c t i o no ft h em o s ta d v a n c e d f a c i l i 毗a r g es p a c es i m u l a t o r ，o fw h i c h w ec a nt a k et h ea d v a n t a g ea sar e f e r e n c e s e c o n d ，a n a l y z e dt h es t r u c t u r eo ft h er a d i a t o r so fa m s ，s t u d yt h eo p t i m ad e s i g n a n dt h et e m p e r a t u r e sd i s t r i b u t i o no fa m s sr a d i a t o r s ，a n da n a l y z e dt h em o d e lo f a m s l a s t ，t o o kp a r ti nt h et h e r m a lv a c u u ma n dt h e r m a lb a l a n c et e s t ，t e s t e dt h ea m s t h e r m o s t a t s r e s p o n s et ot h et e m p e r a t u r e ，t e s t e dt h eh e a t e r s f u n c t i o na n dt h er e s p o n s e o ft h ec r a t e st ot h et e m p e r a t u r e sd i f f e r e n c e ，a n de s p e c i a l l ya n a l y z e dt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fa m s sr a d i a t o r si nt h ew o r s th o ta n dc o l dc a s e t h er e s u l t sv a l i dt h e t h e r m a lc o n t r o ls y s t e mo fa m s i i 山东大学硕十学位论文 k e y w o r d s ：a m s ；r a d i a t o r ；t h e r m a lv a c u u ma n dt h e r m f lb a l a n c et e s t i 目录 图表 图1 1 ：阿尔法磁谱仪( a m s 0 2 ) 示意图2 图1 2 ：阿尔法磁谱仪子探测器示意图3 图1 3 ：国际空间站运行姿态4 图2 1 ：阿尔法磁谱仪的散热板一7 图2 2 ：w a k e 主散热板结构尺寸8 图2 3 ：主散热板横截面9 图2 - 4 ：散热板和独特支架结构之间的六个托架布置。9 图2 5 ：电子箱和电源分配箱在r a m 和w a k e 主散热板上的布置l o 图2 - 6 ：热管的工作原理1 1 图2 7 ：加热片结构1 2 图2 8 ：r a m 主散热板第1 组加热器13 图2 - 9 ：r a m 主散热板第2 组加热器1 3 图2 1 0 ：j 组电子箱加热器结构1 3 图2 1 l ：w a k e 散热板和电源分配系统加热器布置1 4 图2 1 2 ：r a m 散热板加热器回路图。1 6 图2 1 3 w a k e 散热板侧加热器回路和温度控制器配置1 7 图2 1 4 ：无热管w a k e 主散热板温度分布19 图2 1 5 ：无热管w a k e 电子箱温度分布。1 9 图2 1 6 ：w a k e 主散热板热管布置设计l 2 0 图2 1 7 - 设计l 时w a k e 散热板温度分布2 0 图2 1 8 ：热管设计1 时p d s 底板温度分布。2 0 图2 1 9 ：布置1 时c r a t e s x p d 温度分布。2 0 图2 - 2 0 ：w a k e 散热板电源分配系统区域热管布置改进方案2 l 图2 2 1 ：底板1 2 只a g h p 妒8 嵌入式热管2 1 图2 - 2 2 ：w a k e 主散热板热管布置2 3 图2 2 3 ：r a m 主散热板热管布置。2 3 图2 - 2 4 ：热管布置设计3 时w a k e 电子箱电源分配箱温度分布2 4 图2 - 2 5 ：热管布置设计3 时温度分布2 4 目录 图3 - 1 ：两个相邻散热板节点之间的连接2 7 图3 2 ：主散热板热网络图。2 8 图3 3 ：电子箱壁板节点示意图。2 9 图3 - 4 ：电子箱节点网络图2 9 图3 5 ：电源分配系统节点划分示意图3 0 图3 6 ：热管节点划分3 1 图3 7 ：热管热网络图31 图3 8 ：母线a 接通，b e t a 7 5y p r = 1 5 + 1 5 1 5 极热工况下电源分配系统底 板温度分布3 2 图3 - 9 ：母线b 接通，b e t a 7 5y p i p 1 5 + 1 5 1 5 极热工况下电源分配系统底板 温度分布3 2 图3 1 0 ：母线a 接通，b e t a 7 5y p l p 1 5 + 1 5 1 5 极热工况下w a k ec r a t e si f 温度分布3 2 图3 1 1 ：母线b 接通，b e t a 7 5y p r = 1 5 + 1 5 1 5 极热工况下w a k ec r a t e si f 温度分布3 2 图3 1 2 ：大型太空模拟舱几何数学模型3 3 图3 1 3 ：阿尔法磁谱仪系统几何数学模型j 3 3 图3 1 4 ：阿尔法磁谱仪综合数学模型配置( 左) 和阿尔法磁谱仪在l s s 中的 位置3 4 图3 1 5 ：主散热板各电子箱及电源分配系统温度分布图3 5 图3 1 6 ：r a m 、w a k e 散热板温度分布3 6 图3 1 7 ：r a m 、w a k e 散热板温度分布3 6 图3 1 8 ：电源分配系统、j 组电子箱温度分布3 6 图3 1 9 ：电子箱及电源分配箱温度分布3 7 图4 1 ：位于荷兰欧洲太空技术研究中心的大型太空模拟舱。3 8 图4 2 ：大型太空模拟舱示意图。3 9 图4 3 ：阿尔法磁谱仪在大型太空模拟舱的位置4 0 图4 4 ：r a m 和w a k e 散热板电子箱接口温度测点分布图4 l 图4 5 ：r a m 散热板热电偶分布图4 2 图4 - 6 ：w a k e 散热板热电偶分布图4 2 图4 7 ：电源分配系统热电偶分布图4 2 目录 图4 8 ：热真空热平衡测试流程图4 3 图4 - 9 ：热真空热平衡试验大型太空模拟舱内温度一4 5 图4 1 0 ：在降温过程中j 组电子箱加热器开启及温度控制器起停状态图4 6 图4 1 1 ：j 电子箱温度分布曲线4 7 图4 1 2 ：电源分配系统降温过程温度分布曲线4 7 图4 1 3 ：降温过程w a k e 散热板温度分布曲线4 8 图4 1 4 ：降温过程r a m 温度分布曲线。4 9 图4 15 ：冷工况下r a m 散热板温度分布图5 0 图4 1 6 ：冷工况下r a m 散热板模拟温度分布图5 0 图4 1 7 ：冷工况下r a m 侧电子箱温度分布图5 l 图4 1 8 ：冷工况下电源分配系统温度分布图5 2 图4 1 9 ：冷工况下w a k e 散热板温度分布图5 3 图4 2 0 ：冷工况下w a k e 侧电子箱温度分布图5 4 图4 2 l ：热工况下w a k e 散热板温度分布5 5 图4 2 2 ：热工况下电源分配系统温度分布5 6 图4 2 3 ：热工况下w a k e 电子箱温度分布5 7 图4 2 4 ：热工况下r a m 电子箱温度分布5 8 表1 1 阿尔法磁谱仪主要部件热要求5 表2 1w a k e 散热板材料的热物理性能8 表2 2 阿尔法磁谱仪1 2 0 v d c 加热器线路1 2 表2 3w a k e 散热板和电源分配系统加热器参数1 4 表2 _ 4 最低启动温度要求1 5 表2 5 电源分配系统加热器温度控制器1 8 表2 - 6 阿尔法磁谱仪热控制系统温度控制器1 8 表2 7 分析情况选择2 2 表2 7 续质量收支和温度结果2 2 表2 8 质量收支和电源分配系统温度结果2 3 表2 - 9 散热板参数和温度结果2 4 表3 1 电子系统热模型节点结构2 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 阿尔法磁谱仪的物理意义 大爆炸学说认为，我们现在的宇宙是从约1 3 7 亿年前一个极小的点爆炸而来 的，大爆炸产生了大量能量。由于能量与物质可以相互转化，大量的能量转化成 正物质和反物质。按照这种理论，宇宙大爆炸时物质和反物质的数量是相等的， 因此应该存在一个反物质组成的、与我们的世界相对应的“镜面世界，但这个 世界不能与我们的世界相遭遇，否则两个世界将相互碰撞后全部湮灭而变成能量。 尽管反物质早就在实验室制造出来，但在过去的8 0 年中，天文学家使用各种 望远镜观测太空，都没能找到宇宙中反物质世界存在的有力证据。天文学家提出， 最初宇宙中的物质和反物质都存在，但正物质比反物质要多。所有的反物质和正 物质相遇后化作能量湮灭了，只剩下多余的正物质，就是现在的宇宙。但包括丁 肇中在内的很多物理学家依然笃信“反物质宇宙 的存在。为了进一步探索反物 质之谜，科学家通过两种途径探索反物质的存在：一是在自然界中寻找反物质， 研究反物质的自然状态；二是在实验室中制造反物质，从更多的角度研究反物质。 为了能够面对面地研究反物质，科学家们想到了直接“捕捉反物质。在地面上， 由于受到大气的干扰，几乎不可能探测到反物质，但在太空中却充满了各种高能 粒子( 统称为宇宙射线) ，其中有许多是来自于遥远星系的超新星爆炸，因此科学 家们又开始了在太空中的反物质探测。 阿尔法磁谱仪( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ，a m s ) 是由诺贝尔物理奖获得 者丁肇中教授领导的一个大型粒子物理实验，是人类送入宇宙空间的第一个 大型科学仪器，也是在国际空间站上进行的唯一大型科学实验。阿尔法磁谱仪实 验包括三大主要物理目标，它们反映了当今物理学和天体物理学最重要的基础理 论之谜。这三大物理目标分别是：寻找宇宙中的反碳核、反氢核及其它更重要的 反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质；精确测量宇 宙中各种同位素的丰度和高能y 谱，并探索未知的物理现象( 如：宇宙射线起源 等) 。这些观察资料将解答有关宇宙大爆炸理论的许多重要问题，包括“宇宙大爆 炸为什么产生了如此少的反物质 和“宇宙的不可见部分由什么组成 等。 第一代阿尔法磁谱仪( a m s 0 1 ) 于1 9 9 8 年6 月3 日由美国“发现”号航天飞 机发射升空，在太空中共飞行了l o 天，发现了外太空中许多从未了解和想象不到 的现象。阿尔法磁谱仪首次成功飞行实现了人类历史上第一次将磁谱仪送入太空 的壮举。然而，仅仅l o 天的探测是远远不够的。为了获取更多、更有效的数据， 科学家需要更大范围、更长时间的探测。因此，项目组又开始研制包含更多高精 度探测仪器的阿尔法磁谱仪项目( a m s 0 2 ) ，并将其安装在国际空间站上。 山东大学硕十学位论文 v a c a m s0 2 z e n i t hr a d i a t o r trdsta r t r a c k e r、 阿尔法磁谱仪利用超导磁铁作为实现粒子偏转和研究的工具，可以将测量粒 子和核子的能量范围拓展到t e v 区，可以对外太空宇宙射线、粒子进行更长期、 更精确和更全面的探测研究。国际空间站上的阿尔法磁谱仪是第一个也是惟一被 批准安装在国际空间站上的大型科学实验。阿尔法磁谱仪实验是一个大型国际科 技合作项目，由全世界1 6 个国家6 0 个所著名研究机构合作承担，包括美国与欧 洲多所最著名的理工大学，如：麻省理工学院、苏黎世高工、罗马大学、比萨大 学、亚琛大学和日内瓦大学等。并且，阿尔法磁谱仪项目也得到了世界最主要的 宇航机构，如美国国家航空航天局( n a s a ) 、欧洲航天局( e s a ) 、意大利航天 局( a s i ) 、德国航天局( d l r ) 等的支持。 1 2 阿尔法磁谱仪组成部件 阿尔法磁谱仪由一个巨大的超导磁铁及六个超高精确度的探测器组成，如图 1 1 所示。这六个探测器包括：穿越辐射探测器( t i m ) 、硅微条探测器( t r a c k e r ) 、 飞行时间探测器( t o f ) 、切伦科夫探测器( 耐c h ) 、电磁量能器( e c a l ) 和反 符合计数器( a c c ) 。穿越辐射探测器，它位于阿尔法磁谱仪的最上端，是用来探 测具有非常高能量的粒子；硅微条探测器用于精确测量粒子穿越阿尔法磁谱仪的 磁场轨道，它是唯- - f l 邑将氦粒子和反氦粒子分开的探测器，在反氦的探测中尤为 重要；飞行时间探测器精确测量粒子的速度和方向，实现计时功能，此外，飞行 时间探测器还具有对粒子电量测量的功能；切伦科夫探测器是一种非常巧妙的探 测器，位于阿尔法磁谱仪的下部，用于探测近光速粒子的速度；电磁量能器是一 个大型的铅制电子箱，用于阻止高能粒子从探测器逃逸；反符合计数器探测漏入 2 第1 章绪论 阿尔法磁谱仪偏转轨道中的杂散粒子数，使阿尔法磁谱仪更有效、更可靠地运行。 阿尔法磁谱仪中的超导磁铁是用来探测粒子能量以及粒子所带电荷性质的，是用 来识别反物质的唯一工具。高能粒子进入阿尔法磁谱仪后，沿程与不同的探测器 相互作用。每一种探测器可探测粒子的某种特性，将所有探测器的粒子信息综合 起来，我们就可以完全了解这种粒子，并对它的起源做出判断。 a m s ：a t e vm a g n e t i cs p e c t r o m e t e rl ns p a c e ( 3 mx3 m x3 m ，7 t ) m a t e r a n t i m a t t c , r 3 0 0 0 0 0c h a n l l e l so fe l e c t r o n i c sj t = 1 0 0p s 、x = 1 0 l 二t o f 卜斗妻士了目l 7 l i 1 厂 l 丫! ； 冈l 八； 刚c h i l 霸 ；目0 = 二f 剥鬲r r f 一争 用超牛磁镀( 一2 7 13 5c 及5 种新的探测嚣： 到i 一2 阿尔法磁谱仪子探测器示意巨 1 3 阿尔法磁谱仪热控制系统的意义 阿尔法磁谱仪将被安装在国际空间站的s 3 构架上，面向连续变化的外层空 间，空间热环境非常恶劣、非常复杂。阿尔法磁谱仪实验设备需要承受三种类型 的外界辐射：太阳照射、星体反射和地球辐射。影响外界辐射的主要有如下7 个 物理参数：国际空间站轨道1 3 角、国际空间站运行姿态、国际空间站高度、阿尔 法磁谱仪实验设备表面的热光学性质( 发射率和吸收率) 、国际空间站太阳照度 ( 太阳常数) 、星体反射常数( a l b e d oc o n s t a n t ) 和地球温度。随着国际空间站轨 道参数的变化，探测器的不同区域都承受迅速变化的太阳照射，向外层空间的暴 露也是交替变化的。太阳照射强度主要取决于国际空间站轨道平面与太阳光之间 的夹角，即b 角。b 角变化范围在。7 5 1 0 至1 j + 7 5 1 0 之间。当p 角大于7 0 0 时，轨道 完全在太阳照射之下：当d 角在0 0 时，大约4 0 的轨道落在地球的阴影里。阿尔 法磁谱仪的不同部分在不同时间内接受不同数量的太阳照射，这决定于国际空间 站的运行姿态，可以通过y a w 角( 1 5 0 + 1 5 0 ) 、p i t c h 角( - 2 0 0 - - 4 - 1 5 0 ) 和r o l l 角 ( 1 5 0 + 1 5 0 ) 来表示。 一3 一 a 一 ，有采戳，嚣少琊晰恭“3 有 山东大学硕十学位论文 图1 - 3 国际空间站运行姿态 更为复杂的是，在某些姿态下，阿尔法磁谱仪的某些实验设备会被空间站的 某些部分遮挡，或者受到空间站某些部分的反射照射；而国际空间站的高度也在 2 7 7 k m 到5 0 0 k m 之间变化；实验设备的热一光学性质也会随着时间会发生变化； 国际空间站太阳照度( 太阳常数) 每年随着与太阳距离的不同从1 3 2 2w m e ( 最 远) 到1 4 2 4 w m 2 ( 最近) 之间发生变化；此外空间热环境还要考虑地球辐射的 变化。从太空看，地球的温度从2 4 5 k 到2 6 6 k 之间变化，地球的星体反射常数也 从2 0 到4 0 之间变化。 空间热环境的循环变化更加剧了热控制系统研究和设计的复杂性。外界热负 荷高时，要求热控制系统有足够的散热能力，迅速将阿尔法磁谱仪自身产生的热 量传递到外层空间，避免阿尔法磁谱仪温度过高；而外界热负荷低时，又要限制 热控制系统的散热能力，避免阿尔法磁谱仪温度过低。因此，在进行阿尔法磁谱 仪热控制系统设计时必须进行仔细的权衡，一方面设计高效的散热板确保外界热 负荷高时有足够的散热能力，另一方面还要采取措施避免在外界热负荷低时阿尔 法磁谱仪过冷。 不仅外太空的空间环境十分复杂，阿尔法磁谱仪各部件自身的温度要求也极 其苛刻。阿尔法磁谱仪超导磁铁以及超流体氦罐的正常工作温度为1 8 k ，环形真 空舱最外层蒸汽冷却罩( v c s 4 ) 的温度将升高至6 8 k ，并由4 个低温冷却器维持 这一温度。而4 个低温冷却器会消耗4 0 0 w 的电功率并将其全部转换为热量，这 部分热量需要释放出去，同时还要排掉从低温系统中提取的热量，这一热量最高 可以达到3 2 w ；硅微条探测器位于真空舱环面上并释放1 4 4 w 的热量，为了减小 漏入超导磁铁的热量，必须将硅微条探测器释放到真空舱环面内的热量汇集起来， 将其传递至真空舱之外并最终辐射出去。总之，在保证阿尔法磁谱仪各个探测器 正常工作的前提下，热控制系统的设计要尽可能降低向超流体氦罐漏热的可能性， 这也将直接决定实验很多物理通道的持续时间。此外，阿尔法磁谱仪的其它探测 4 第1 章绪论 器和电子设备也会将消耗的电功率转换为热量，整个实验设备将产生大约2 5 0 0 w 的热量。由于各探测器的响应与温度有关，温度在时间和空间上越稳定，物理分 析过程的系统漂移就越低。为了优化探测器的性能，各探测器都有具体的热要求， 包括非运行温度范围、运行温度范围以及随时间( 每一周轨道) 和空间( 探测器 容积) 的温度变化幅度( t ) ，如表1 一l 所示。 表1 1 阿尔法磁谱仪主要部件热要求 因此，不仅要确保各探测器的温度在其允许的范围之内，而且各探测器的温 度在时间和空间上要保持稳定，必须将各探测器所产生的热量极其谨慎地传递到 外层空间，不允许任何热量传递到低温超导磁铁，也不允许任何热量辐射到国际 空间站的太阳能板上。此外美国国家航空航天局要求阿尔法磁谱仪不得向空间站 上的其它原件散热，不得使用低吸收率、高定向反射率的表面，以避免对宇航员 或者光学仪器造成不利影响。 在这样恶劣的热环境和苛刻的热控制要求下，要实现阿尔法磁谱仪在国际空 间站上长期探测的科学目标，热控制系统( t h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，t c s ) 是一个 非常复杂的系统，是阿尔法磁谱仪的重要组成部分。热控制系统研制的水平及质 量直接决定着整个实验设备的工作状态、运行寿命及实验可靠性。 1 4 航天器的环境测试介绍 由于航天器是一种非常特殊的仪器，相较其它仪器具有的许多独特特性。为 了保证它能够达到预计的效果、表现性能和寿命，环境测试( 不包括设计和制造) 是一种高效、经济的方法来检验仪器设计和制造性能。从规模和类型上相比较于 其它的仪器来讲，航天器的环境测试在改进航天器所起到的作用是不可比拟的。 5 山东大学硕十学值论文 同样，航天器对于实验所提出的种种要求也提升了环境实验技术。 相比其它的产品来说，航天器有着许多独有的特性： 1 、航天器在其运输、发射和在轨操作乃至返回地面所经历的复杂、多样的环 境是其它仪器所不能相比的。例如：航天器在地面运输中要承受的振动与冲击； 在发射过程中，要经历一系列动态环境如加速、振动、空气冲击和大气温度、压 力的剧烈变化；当航天器进入太空后，将在真空和极冷的环境下进行操作，并受 到来自太阳、原子射线、电磁和高能粒子辐射的影响，此外还要承受等离子体、 磁场区域、微重力、原子氧和流星等不同的太空环境的影响。不同的环境将对航 天器产生完全不同的作用，所带来的损伤也是绝然不同的；再者，太空环境的长 期、广泛的影响直接决定着航天器的可靠性和寿命。因此，为了保证航天器能够 承受多变环境的各种冲击而正常工作，在发射之前进行地面环境测试是必不可少 的。 2 、航天器的造价昂贵，研究周期长，如果发射之后对工作不正常的组件进行 补救将是十分困难的；再者，航天器不能像其它的仪器一样在正常操作之前进行 操作实验，航天器的操作要求第一次就必须成功。因此，航天器在开始设计、制 造时就必须足够坚实，能够承受所有发射、在轨时的各种环境影响，而各种缺陷 在发射前的各项地面检测中要尽可能地减到最小。除了精密的设计和制造外，大 量的模拟太空环境的环境测试是最为有效的检验航天器设计和制造质量的途径。 能否通过必须的环境测试已经成为航天器能否可靠运行并发射的决定标准。 3 、航天器的体积不大，构造却很复杂，由许多子系统组成，并装有大量高等 级、高精度的光电设备，这些设备对于环境变化十分敏感；鉴于对航天器体积、 重量和结构复杂性的限制，设计冗余量也同样有着严格的限制。困此，航天器最 初的特性成了如何设计、制造和实验的障碍，所以需要更加注意环境测试的修整 和执行。【l 1 2 1 6 - 第2 章阿尔法磁谱仪散热板的设计 第2 章阿尔法磁谱仪散热板的设计 2 1 阿尔法磁谱仪散热板的作用 在太空的真空环境中，唯一能够移走热量的非自耗的方法就是将热量通过散 热板辐射到太空中去，阿尔法磁谱仪散热板的主要作用就是将自身产生的以及从 太空环境中吸收的热量移走，所有的换热器通过主散热板将热量辐射到太空中去， 而所能移走的总热量取决于工作温度和散热板表面特性。 在国际空间站上，整个实验装置会消耗约2 5 0 0 w 的能量，为保证所有部件在 各自的运行温度范围内以及尽可能的保证真空舱的低温，这些能量需要以热量的 方式释放出去。 阿尔法磁谱仪产生的热量，除一部分依靠自身直接向外层空间辐射以外，绝 大部分通过专门的散热板释放到太空，如图2 1 所示。硅微条探测器的热控制系 统t t c s 采用机械泵c 0 2 回路汇集热量，但是最终还是通过t r a c k e r 散热板将热 量传递到外层空间。低温冷却器热控制系统采用环路热管提取低温冷却器的发热 量，然后通过顶部散热板将热量传递至外层空间。电子装置的热控制系统也是类 似的。为了冷却电子装置，尽量减小电子装置向低温系统的散热，设计了两个主 散热板，r a m 散热板和w a k e 散热板。电子箱安装在主散热板上，电子装置产生 的热量通过电子箱主壁面接口传导至主散热板，最终释放到外层空间1 1 3 。1 5 1 。 t 图2 1阿尔法磁谱仪的散热板 7 - 山东大学硕十学位论文 2 2 阿尔法磁谱仪散热板的主要结构 主散热板( r a m 和w a k e ) 具有相同的三明治结构，嵌入式热管用胶粘在 2 5 4 m m 厚的泡沫r o h a c e l l 中间层内。散热板材料的热物理性能如表2 1 所示。图 2 2 所示为w a k e 主散热板的具体尺寸。 表2 1w a k e 散热板材料的热物理性能 图2 - 2w a k e 主散热板结构尺寸 如图2 3 所示。电子箱侧为o 5 m m 厚的6 0 6 1 t 6 材料的铝散热板，中间层为 内嵌轴向槽道毛细芯热管，填充以2 5 m m 厚度的r o h a c e l 泡沫材料；辐射侧也 是0 5 r a m 厚的铝散热板，将热量辐射到外层空间。 8 第2 章阿尔法磁谱仪散热板的设计 ( o 5 g 阏 队j 磁 闼 图2 - 3 主散热板横截面 主散热板尺寸大约为2 1 0 0 m m x 2 2 0 0 m m ，通过三种类型托架在六个位置与独 特支架结构( u n i q u es t r u c t u r es u p p o r t ，u s s ) 相连接。两个托架在顶部，称作上 托架，通过t 电子箱将散热板固定在上耳轴桥梁上。两个下托架将散热板的下部 直接固定在下耳轴桥梁上。两个铰接端托架，称作中间托架，跨过散热板的下排 电子箱，连接至下耳轴桥。图2 4 所示为散热板和独特支架结构之间的六个连接 托架。 u p p e rb r a c k e t m i d d l eb r a c k e t 图2 _ 4 散热板和独特支架结构之间的六个托架布置 r a m 和w a k e 主散热板一方面是电子箱的支撑结构，另一方面将电子箱的热 量传递至太空。电子箱直接安装在主散热板上，电子箱与散热板之间采用热接口 填充剂c h o t h e r m l 6 7 1 降低接口的接触热阻。r a m 和w a k e 散热板朝向磁铁侧总共 安装有1 9 个电子箱、2 0 个电源分配箱和1 个低温超导磁铁航空电子箱( c a b ) ， 称作散热板的电子箱侧；另外一侧朝向外层空间，称作辐射侧。电子装置在散热 板上的布置如图2 5 所示。电子箱和电源分配箱通过机械连接件互联，形成独立 的散热板刚性支撑结构，并用托架与独特支架结构( u s s ) 梁相连。这种结构的 9 山东大学硕+ 学位论文 优点是电子装置及其中间连接件可以在散热板与阿尔法磁谱仪总体装配之前进行 预装配和实验。 口皿口| 腰函1 豳l 厂 l 懋囫l l 葛：窭、l 曩毯 厂冉目曩。l 摹口日 卫口叠 。 瑷言3 。黧； 震掣口塞，l 【曩田愆 图2 - 5 电子箱和电源分配箱在r a m ( 左) 和w a k e ( 9 5 ) 主散热板上的布置 电子箱的底板用螺栓与散热板相连。将螺栓装入散热板这种多层材料的唯一 方法是采用镶嵌件。镶嵌件贯穿散热板横截面，螺栓可以方便地穿过镶嵌件并将 电子装置与散热板连接。另外，两个散热板上均采用特殊的连接件连接相邻的电 子装置，避免它们之间的相互偏移【l 酗1 8 】。 散热板中还布置有热管( h e a tp i p e ，h p ) 。热管主要是依靠轴向槽道毛细力作 为驱动力，实现管内的热循环。热管的工作原理如图2 - 6 所示。工作介质在高温 端吸收热量后蒸发，在压差的作用下向低温端扩散，在低温端凝结放热。凝结后 的液体在毛细力的作用下又返回高温端，如此循环往复就将热量从高温端传递至 低温端。热管是一种相变元件，提供了导热系数和传热率很高的热通路，使电子 装置( 包括电子箱和电源分配箱) 的散热量在整个散热板上的区域分布均匀，提 高了整个散热板的散热效果。 第2 章阿尔法磁谱仪散热板的设计 h e a tp i p et h e r m a ic y c l e 1 ) w o r k i n gf l u i de v a p o r a t e st ov a p o u ra b s o r b i n gt h e r m a le n e r g y 2 ) v a p o u rm i g r a t e sa l o n gc a v i t yt ol o w e rt e m p e r a t u r ee n d 3 ) v a p o u rc o n d e n s e sb a c kt of l u i da n di sa b s o r b e db yt h ew i c k ， r e l e a s i n gt h e r m a le n e r g y 4 ) w o r k i n gf l u i df l o w sb a c kt oh i g h e rt e m p e r a t u r ee n d 图2 - 6 热管的工作原理 热管重量轻，温度适用范围广，导热率可变。同时，其模块化设计方法也提 高了系统的可靠性。各个热管都是独立的密封单元，而且热管为冗余布置，即使 有些热管失效，仍然能够满足整个实验设备的热要求。热管可以有各种不同弯边 形状，以增加热源和冷源之间的接触面积，达到强化传热的目地。例如：单弯边、 双弯边和无弯边。在热管散热板中没有可移动的部件，可以降低部件失效的危险， 可靠性高、性能强，适合空间环境下的散热【l 咧。 热管可以传导热量，均匀温度分布，这对于解决热工况时温度分布不均是有 效的。但在冷工况下，内嵌热管散热板就无法满足温度的要求。因此采用了由温 度控制器控制的电加热器，必要时开启以提高电子箱温度，满足冷工况下温度要 求。各加热器的位置和功率均经过多次模拟检验后确定。 阿尔法磁谱仪主散热板的所有加热器均为双元件加热片结构，冗余设计，各 元件分别与两条电源分配系统母线相连。图2 7 所示为加热片的结构。 图2 7 加热片结构 在阿尔法磁谱仪安装到国际空间站之后，国际空间站通过两条电源线( 母线 a 和母线b ) 向阿尔法磁谱仪电源分配系统( p d s ) 提供最大2 8 k w 的电力供应。 电源分配系统提供1 l 条1 2 0 v 直流加热器线路输出，如表2 2 所示。加热器均可 囊 山东大学硕十学位论文 以由电源分配系统控制启停，通过j 电子箱管理总负载。部分加热器输出线路是 默认闭合的，部分是默认断开的。加热器的启停还受安装在电子装置或者散热板 的温度控制器控制。穿越辐射探测器气体罐和t r a c k e r 系统2 8 v d c 加热器不是由 电源分配系统供电而是分别由t t c e 和u g 电子箱供电。因此，j 电源分配箱、j 和j t 电子箱启动之前，2 8 v d e 加热器无法运行。 表2 - 2 阿尔法磁谱仪1 2 0 v d c 加热器线路 阿尔法磁谱仪主散热板上共有3 8 个加热器和1 3 2 温度调节器( 包括备件) 以 确保电子装置在所有工作条件下和极冷工况下满足严格的温度要求。加热器的安 装位置通常有两处：散热板上或者某些重要电子装置的壁面。前者称作散热板加 热器，主要负责加热直接安装在散热板上的电子装置。后一种用于j 组电子箱( 电 源分配箱) ，加热器粘在电子箱壁面上。 w a k e 和r a m 主散热板加热器是为了确保安装在两个散热板上的所有电子箱 在极冷轨道环境下能够发挥其正常功能。在阿尔法磁谱仪非运行状态下，保持电 子箱和电源分配箱在存活温度以上，当电子箱温度达到最低启动温度时能够触发 电子箱，在探测器进行科学测量的所有时间内保持电子箱在运行温度范围内。r a m 散热板加热器由两组组成，如图2 8 、2 - 9 所示。第1 组加热器包括1 6 只加热片， 1 0 只直接粘在r a m 主散热板的电子箱侧，6 只加热片粘在j 、j t 电子箱的主壁板 和j p d 电子箱的侧壁板。j 、j t 电子箱的各加热片又分成1 0 小段，以实现定点精 确加热。j 类电子箱各加热器的结构如图2 1 0 所示。第1 组加热器确保j 类电子 装置( 包括j 电