真空多層絕熱的性能好壞直接影響到低溫貯箱的安全性。根據(jù)修正的Lockheed 模型，計(jì)算冷邊界溫度、熱邊界溫度、層密度等對(duì)均勻?qū)用芏榷鄬咏^熱性能影響，并對(duì)三區(qū)域變密度的多層絕熱性能進(jìn)行分析，最后針對(duì)在軌、地面狀態(tài)時(shí)對(duì)低溫貯箱漏熱方面的要求提出采用復(fù)合多層絕熱的概念，得出復(fù)合多層絕熱具有優(yōu)良的隔熱性能。

引言

　　隨著科技的快速發(fā)展和低溫技術(shù)的普及，液氧、液氮、液氫等低溫液體在航天技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從作為推進(jìn)劑的燃料、宇航員呼吸用的氧和氮，以及其他用途的氬、甲烷等，都可以低溫液體的形式貯存。

　　低溫液體的存儲(chǔ)溫度很低，外界環(huán)境的漏熱導(dǎo)致貯箱內(nèi)低溫液體蒸發(fā)，縮短了存儲(chǔ)周期，同時(shí)增加了低溫貯箱的破壞性風(fēng)險(xiǎn)。為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出采用主動(dòng)制冷和被動(dòng)絕熱的方法以降低蒸發(fā)損失。其中，被動(dòng)絕熱中多層絕熱技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，有必要研究這種絕熱方法。常規(guī)的多層絕熱材料由防輻射屏和間隔材料交替組合而成，其中防輻射屏一般為鋁箔或者雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜，而間隔材料通常采用熱導(dǎo)率較低的尼龍網(wǎng)或填碳紙等。在真空環(huán)境下，氣體導(dǎo)熱和熱對(duì)流的影響很小，防輻射屏可有效降低輻射帶來(lái)的熱流，因此采用多層絕熱可大大降低低溫貯箱的漏熱。

　　國(guó)內(nèi)關(guān)于多層絕熱方面的研究人員較多，大多都采用Layer-by-layer 模型進(jìn)行仿真計(jì)算，隨著研究的逐步深入，國(guó)外研究學(xué)者提出了幾種Lock⁃heed模型，此模型計(jì)算方便，引入層密度的概念，可進(jìn)行多種區(qū)域模型計(jì)算。馬歇爾空間飛行中心的Steven G. Sutherlin[6]通過(guò)對(duì)液態(tài)甲烷做了多層絕熱方面的試驗(yàn)得出了一種修正的Lockheed模型，此種模型更接近實(shí)際。B. A. E. Auburn 大學(xué)在肯尼迪空間中心采用蒸發(fā)量熱法測(cè)試了多種多層絕熱系統(tǒng)性能。采用現(xiàn)有的幾種Lockheed計(jì)算方法得出的MLI性能基本與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。Hastings等進(jìn)行了變密度多層絕熱方面的研究，并針對(duì)處于地面和空間環(huán)境下的低溫貯箱系統(tǒng)提出了泡沫塑料與變密度多層絕熱相結(jié)合的復(fù)合多層絕熱概念，但國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)的模擬計(jì)算。

　　采用修正的Lockheed模型計(jì)算不同的絕熱層厚度、層密度對(duì)總漏熱的影響效果，研究三區(qū)域?qū)用芏确植茧S各參數(shù)的變化情況，最后提出復(fù)合多層絕熱的概念，并進(jìn)行了相關(guān)對(duì)比計(jì)算，從理論上驗(yàn)證了采用此種方法的可行性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作將在后續(xù)展開(kāi)。

1、理論模型

　　目前提出了兩種多層絕熱模型：Layer-by-Layer模型和Lockheed模型。兩者都假設(shè)多層絕熱內(nèi)傳熱為一維傳熱，并且兩者建模都是基于3種傳熱機(jī)理：兩輻射屏之間的輻射換熱、氣體導(dǎo)熱和固體導(dǎo)熱。Layer-by-Layer模型基于傳統(tǒng)的分析方法，以每一層為結(jié)點(diǎn)，分析每一層的3種傳熱，最后得出總的傳熱，而Lockheed模型引入了總層數(shù)，層密度的分析，成為國(guó)外研究人員的研究熱點(diǎn)。文章重點(diǎn)討論根據(jù)修正的Lockheed模型采用不同冷邊界溫度時(shí)多層絕熱性能變化情況。

　　對(duì)于多層絕熱中的固體導(dǎo)熱，采用公式(1)計(jì)算熱流密度：

　　式中：A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；N* 為層密度；Tm為冷熱邊界平均溫度，Tm=(Th+Tc)/2；Th為熱邊界溫度；Tc為冷邊界溫度；Ns為輻射屏數(shù)。

　　在分子流作用下(克努曾數(shù)Kn>10)氣體導(dǎo)熱表達(dá)式：

　　式中：P 為氣體壓力，Pa；m 為分子質(zhì)量；γ 為比熱率；β 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

　　打孔的輻射屏之間輻射換熱表達(dá)式：

　　式中：ε 為輻射屏發(fā)射率；B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

　　通過(guò)調(diào)研大量的文獻(xiàn)，得出通過(guò)絕熱層總熱流密度的三種表達(dá)式分別為：

　　式中：Cs=2.4e-4；Cr=4.944e-10；Cg=14 600。上述三式都可以較好的預(yù)測(cè)多層絕熱層總熱流，但是當(dāng)間隔材料采用尼龍網(wǎng)時(shí)，公式(4)和(5)在計(jì)算方面出現(xiàn)了偏差[7]，因此采用公式(6)修正的Lockheed模型計(jì)算多層絕熱性能參數(shù)。

2、結(jié)論

　　采用修正的Lockheed模型主要對(duì)應(yīng)用于低溫存儲(chǔ)系統(tǒng)的多層絕熱性能進(jìn)行理論分析，主要得出以下結(jié)論：

　　(1)采用均勻?qū)用芏葧r(shí)，隨多層絕熱厚度增加，熱流密度逐漸降低，降低幅度逐漸減��；當(dāng)層密度從5~25層/cm時(shí)存在一個(gè)最佳層密度使得熱流密度最小；

　　(2)上述主要是針對(duì)均勻?qū)用芏葋?lái)講，根據(jù)前期的計(jì)算，提出三區(qū)域模型計(jì)算各區(qū)域采用不同層密度時(shí)漏熱變化(即變密度多層絕熱：VD-MLI)，得出選用層密度3時(shí)熱流密度最小，并分析了冷邊界溫度、層間壓力不同時(shí)總熱流變化情況，得出壓力小于0.01 Pa大于100 Pa時(shí)熱流密度趨于平緩；

　　(3)最后根據(jù)在地面和空間中遇到的實(shí)際情況，提出了復(fù)合多層絕熱的概念：SOFI/VD-MLI，并從理論上證明了采用此種方法的有效性，將在后期的試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。