空间用薄膜电加热器设计及热均匀性测试

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1、第30卷第4期航天器环境工程2013年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGD姬ERING417空间用薄膜电加热器设计及热均匀性测试赵凯璇，马海龙，张丽新，张维(上海卫星装备研究所，上海200240)摘要：针对空间飞行器用薄膜电加热器的实际需求，设计了不同的布线形式，并分别对其进行了数值求解和参数化绘图。使用红外热像仪对所生产电加热器样品的温度场进行了测试，结果表明电加热器温度场在单条水平线内的方均根差在2．79％以内，热均匀性较好，方程求解和绘图设计合理。此方法可应用于薄膜电加热器快速布线设计

2、，电加热器热均匀性能够满足较高的加热控制需求。关键词：薄膜电加热器；布线设计；热均匀性；数值分析；参数化绘图；红外热像仪中图分类号：v444．3+6：THl22文献标志码：B文章编号：1673—1379(2013)04一0417—04DoI：10_3969／j．issn．1673-1379．2013．04．0150引言薄膜电加热器是空间飞行器热控分系统实施主动加热控制的器件，广泛应用于航空航天热管理领域。电加热器通过使用不同阻值和尺寸的加热片，为设备相关部位提供所需热量，使其运行在一定的温度条件下，维持其工作

3、性能。一般，在柔性电加热器设计过程中，用户方只提出电加热器尺寸、阻值等参数及要求，其余参数需承制单位自行设计。传统电加热器设计需要人工计算阻值、手工绘制布线图形，整个过程周期长，且图形精度及质量难以得到保证。引入绘图软件后，绘图质量有所提升，但仍需要反复计算和修改，难以满足快速设计的需求[1】o因此，有必要引入智能化设计工具。此外，随着设备的微型化、自动化水平不断提高，对温度场的控制精度要求也越来越高，电加热器的发热均匀性需要进一步研究。目前，红外热成像测温技术[2。31具有很多优点，可以有效、直观地采集表面

4、温度数据，在航空航天、无损探伤等领域可用来深入分析电加热器热性能。本文设计不同的加热器布线形式，并对其进行数值求解，然后开发程序进行布线绘图；使用红外热像仪对所生产的电加热器样品的温度场进行测试，分析温度场的分布情况，验证设计模型和方法的合理性。1数学模型为了实现电加热器的参数化绘图，需要为电加热器建立数学模型，根据约束条件计算确定电加热器相关参数。软件计算模型如图1所示，其中，x表示电加热器宽度；y表示电加热器长度；f为边框宽度；s为边框与加热线之间的间隙宽度；6为加热电阻线的宽度(61<6<611)(下角

5、标l、h分别表示最小值和最大值)；w为加热电阻线之间的间隙宽度(wl

6、丽寺筹杀丽，(1)劢『2‘⋯厶+flf3⋯‘+‘之⋯厶+⋯+‘乞f3⋯厶一。、7收稿日期：2013．04．03；修回日期：2013—07-13基金项目：总装备部预先研究项目(编号：1151318090200)作者简介：赵凯璇(1987一)，男，硕士学位，从事航天器热控设计及相关产品开发工作。E·mail：l口【chiao@gmail．com。418航天器环境工程第30卷式中：p为加热电阻线的体电阻率；6为薄膜电加热器的厚度；，z为加热电阻线并联数；亿如，如，⋯，厶分别为加热电阻线的长度，厶=必，+y+26—2

7、r6s一6f+4"-4刀(6+们+2朋lm，其中，肌为回线次数，lth为竖线长度，c为引线接头宽度。电加热器的宽度和长度表达式分别为_仁2f+2s+lth；(2)】岳2f+2J+[2门(6+w)一w]+2，行(w+6)。(3)另外，加热线所占面积(眦)应符合如下要求：，，月、rate。

8、之间的方程；对该方程采用逐次迭代逼近方法[5】进行数值求解，结果代入式(4)校验即可。对于类中心对称方形并联电加热器，方程可简化为尺=Rl加，求解过程亦相应简化，计算效率更高。电加热器方程组中，回线次数肌并联线数疗均为整数型参数。因此，主要未知变量电阻线宽度6的求解结果为非连续、离散量。表l给出了本文所使用的计算参数。表1薄膜电加热器常用计算参数表TablelMainspecificationsof