某型号航天器包装容器半导体温控系统的设计分析

　　摘要：目的 对某型号航天器包装容器进行温控系统设计，达到航天器高精度控温的要求。方法 对总体保温布局进行设计，优化被动保温结构，采用半导体控温方式，利用ANSYSWorkbench进行稳态和瞬态热力学分析。通过试验测试，验证了保温结构设计和热力学分析结果的合理性。结果 在外部施加热载荷36℃和0℃情况下，随着热载荷区域的远离，包装容器内部的温度也趋于平稳，内部装载产品区域温度基本能维持在20.99℃到22.662℃之间。实际试验结果显示箱内温度变化不大于±1℃，比传统的空调控温精度高出70%左右。结论 通过优化箱体的被动保温结构，采用半导体精密控温，可以满足未来航天器小型化、高精度运输要求。

　　关键词：航天器； 半导体； 控温；

　　Abstract:The work aims at designing a temperature control system of a certain type of spacecraft to meet the requirements of high-precision temperature control . Design the overall insulation layout , optimization of passive insulation structure and semiconductor temperature control mode is used to analyze steady and transient thermodynamic using ANSYS workbench . By test , the rationality of thermal insulation structure design and thermodynamic analysis is verified . Under external thermal load of 36℃ and 0℃， with the distance of the thermal load area, the temperature inside the packaging container tends to be stable . The temperature of the inner loading area can be maintained at 20.99℃ and 22.662℃。 The conclusion is that by optimizing the passive insulation structure of the packaging container and adopting semiconductor precision temperature control, the requirements of miniaturization and high-precision transportation of future spacecraft can be met.

　　Keyword:spacecraft; semiconductor; temperature control;

　　航天器包装容器主要用于航天器的地面贮存、转运，能够为航天器提供良好的避震、压力、温度、湿度和洁净度环境，并具有对这些环境参数的监测记录功能[1].航天器包装容器的温控设计是其中一项关键技术，箱内温度过高或过低都可能会损伤航天器。因此，运输过程中必须对箱内温度进行控制，传统的控温方式采用在包装容器上安装冷暖空调，维持容器内部温度在设定的范围内。在空调控温这种传统的温控技术中，空调的加热和制冷受外界温度的限制较大，一般常规的空调，低于16 ℃就不能实现制冷功能，高于32℃就不能进行加热。同时空调温控的精度也较低，一般不小于±3 ℃。与传统的空调控温相比较，半导体制冷具有以下特点：不使用制冷剂、不污染环境；体积小、重量轻，可大大节约仪器体积和重量；无噪声、无磨损、无振动、运行可靠、维护方便；可通过改变电流方向来达到制冷和加热两种不同的目的，非常方便地实现冷、热两种功能；冷却速度快，冷却速度可通过调节工作电流来控制，操作方便；可使用常规电源，工作电压和电流可在范围内调整；制冷温差可达20-150 ℃范围等优点[2,3,4,5].近年来，随着航天器小型化的发展，对航天器包装容器精密控温提出新的要求。孙立凯等[6]提出了一种基于半导体制冷原理的小型高精度恒温控制器，廖阳明[7]提出了基于半导体制冷的小型保温箱实现方案，赵峰等[8]对恒温器的结构及设计工艺进行了介绍，王成刚等[9]探讨了半导体制冷温度控制系统算法，刘春江[10]对微型控温箱的结构方案进行了介绍，从所查文献可以看出，小型航天器的精密温控设计可以采用半导体制冷原理来实现。

　　本文针对航天器包装容器的主体布局结构设计，利用ANSYS Workbench进行了热力学分析[11,12,13,14],模拟仿真容器内部的温度变化范围，同时对航天器包装容器进行高低温试验，验证了容器主体温控设计布局的合理性。

　　1 半导体制冷的工作原理

　　半导体制冷是利用半导体材料组成的P─N结，通过施加直流电后，热电元件会出现一端温度降低而另一端温度升高的现象，利用此现象将电能转换为热能，这就是半导体制冷的基本原理。如图1所示，给一对或多对热电元件之间通以直流电后，在接头处会产生温差和热量转移，在热电对的一端，电子和空穴从低能级的P型材料通过连接的导体进入到高能级的N型材料，同时吸收热量，制冷端温度降低；而热电对的另一端则存在相反的情况，放出热量致使温度升高，这就是帕尔贴效应。

　　图1 热电制冷原理图  

　　Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric refrigerator

　　2 航天器包装容器精密控温系统设计

　　航天器包装容器精密控温系统主要包含：保温容器结构主体、控制箱两部分。其中保温容器结构件包含：容器壳体、温度传感器、半导体恒温组件。

　　2.1 主体布局

　　由于保温容器结构主体（恒温区）空间很小，因此无法在其内部设计对流管路，仅在容器内壁四周设计有风道，配合上部半导体机组风机，通过空气搅拌的方式实现空间恒温。由于保温容器本体材料为铝合金，为防止恒温区内部与外部的热交换，除了在框架中部填充聚氨酯发泡材料外，在内部也采用双面粘贴镀铝膜的聚氨酯保温材料，起到双层保温的效果。最外部为防锈铝板，具有较好的耐用性，其作用是保护保温层和固定恒温腔内各部件。容器结构主体包含：容器骨架（容器盖、容器底）、保温内胆、半导体恒温组件等部分构成，具体结构布局见图2.

　　
图2 结构布局示意图

　　Fig. 2 Structural layout diagram

　　2.2 容器骨架的设计

　　容器骨架采用铝合金无缝铝管组焊而成，分为容器盖和容器底两部分。容器盖采用铝方管40mm×40mm×4mm拼焊成框架；容器底采用铝方管80mm×80mm×5mm拼焊成十字框架，铝方管材料均为5A02,标准号GB/T6893-2010《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》。

　　整体容器骨架布局合理，受力良好，充分保证容器内部产品的运输安全。

　　2.3 顶部半导体组件布局

　　考虑到内部空间较小，采用半导体恒温技术，内部工作室带有风循环系统，与容器内的风道配合使用，使容器内空气循环流动，恒温速度更快，温度更均匀。选用4组半导体恒温机组，每个机组最大功率500W,输入电源为220V±10%,50Hz.半导体布局图见图3.

　　
图3 半导体恒温机组布局图  

　　Fig. 3 Layout of semiconductor thermostatic unit

　　2.4 保温层材料的选择

　　传统保温箱采用的保温材料一般为硅酸铝纤维棉（25℃时，导热系数约为0.04W/m·K;500℃时，导热系数约为0.12W/m·K），但是一般采用较厚的绝热层来保证保温能力，这样就会增加系统体积。与本次包装容器小型化的设计要求相矛盾。为了提高包装容器的保温性能，本次保温层采用微纳米超级绝热材料（又称超级绝热材料）。这种材料是以硅质微纳米多孔材料、无机纤维、黏合剂等纯无机材料组合而成，导热系数通常为0.007W/m·K[15].

　　3 控制系统原理及功能

　　控制系统为高精度全自动智能PID 双向控制系统，原理图见图4.

　　采用4台风循环恒温机组，每台风循环恒温机组均设计对应独立的电控系统。每台风循环恒温机组的恒温面及散热面均采用轴流风机强迫通风，同时在每台风循环恒温机组的恒温面换热器内嵌超温报警传感器，当巡检仪感应到温度超过设定值时，超温报警启动，自动停止该台机组的工作。另外选取一台风循环恒温机组，在其恒温面出风口处安装控制传感器，将输出值输出到控温仪，以控制内部温度，实现升降温自动调节，控制精度±2℃。电源散热系统采用温控方式，在需要时启动，既节能降耗又降低噪音。恒温方式为内部风循环系统，散热方式为强迫风冷散热。

　　
图4 控制系统原理图  

　　Fig. 4 Schematic diagram of control system

　　4 热仿真分析

　　利用ANSYS Workbench进行热力学分析，考虑航天器包装容器壳体材料的热传导、容器外部空气的热对流，计算容器内部的温度分布及热梯度。

　　4.1 仿真分析内容及边界条件

　　对包装容器模型进行稳态热力学分析和瞬态热力学分析两种工况分析，在模型顶部施加一个热载荷36℃和0℃，模型另外五面施加对流（自然空气对流），计算包装容器内部温度分布。

　　4.2 计算结果分析

　　包装容器模型稳态和瞬态热力学温度分布云图和热流密度分布云图见图5-8,分别对应热载荷36℃和0℃。

　　由分析图可以看出，在外部施加热载荷36℃和0℃情况下，随着热载荷区域的远离，包装容器内部的温度也趋于平稳，内部装载产品区域温度基本能维持在20.99℃到22.662℃之间。此结构也验证了包装容器保温结构设计的合理性，满足产品装载温度要求。

　　
图5 热载荷36℃稳态热力学分析图   

　　Fig. 5 Steady state thermodynamic analysis chart of 36℃ thermal load

　　图6 热载荷36℃瞬态热力学分析图

　　Fig. 6 Transient state thermodynamic analysis chart of 36℃ thermal load

　　图7 热载荷0℃稳态热力学分析图  

　　Fig. 7 Steady state thermodynamic analysis chart of 0℃ thermal load

　　图8 热载荷0℃瞬态热力学分析图

　　Fig. 8 Transient state thermodynamic analysis chart of 0℃ thermal load

　　5 试验测试

　　为考核包装容器保温结构及电控系统设计的合理性，分别对低温0℃以下和高温36℃以上进行温控试验，试验过程如下：

　　5.1 0℃以下环境试验

　　包装容器合盖后，设定半导体恒温机组温度为20℃，运行12小时后，将容器放置到0℃±5℃环境下，12小时容器内部温度值可以维持在19.5℃~20.1℃。

　　5.2 30℃以上环境试验

　　包装容器合盖后，设定半导体恒温机组温度为20℃，运行12小时后，将容器放置到30℃±5℃环境下，5小时内容器内部温度值可以维持在20.1℃~20.6℃。

　　将以上两种环境下的试验结果绘制成曲线，见图9.

　　由于前期对保温结构进行优化，同时采用高精度半导体控温，包装容器内部温度变化量达到了初期设计值±1℃。同时试验结果也较好地验证了前期的热仿真分析结果，并且在实际生产加工的过程中，必须注重产品的加工工艺尤其是保温层的安装，才能达到良好的效果。

　　
图9 试验结果图 

　　Fig. 9 Test result chart

　　5.3 同类容器空调控温试验

　　参考同类容器空调控温数据，设定空调内部温度20℃，空调运行12小时后，将容器放到在0℃±5℃环境和30℃±5℃环境下，容器内部温度可以维持在10℃~20℃，可以满足升温10℃和降温10℃要求。

　　6 结语

　　本文针对小型航天器包装容器温控要求，通过对半导体制冷技术进行研究，优化航天器包装容器的被动保温结构，采用高精度全自动智能半导体控温系统，配套箱内风循环系统方案，使内部空气循环流动更快，温度更均匀。建立航天器包装容器三维仿真模型，对高温36℃和低温0℃两种工况进行稳态和瞬态热力学分析，并对半导体恒温机组进行了试验，结果表明：半导体恒温机组在0℃~30℃温度范围内，控制精度不大于±1℃，比传统的空调控温精度高出70%左右，半导体紧密控温可以适用于未来航天器小型化、高精度、低功耗的运输需求，具有广阔的发展前景。

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