采用Lockheed 模型，對變密度多層絕熱的傳熱過程進(jìn)行了理論分析，提出了最佳層密度的概念，重點(diǎn)討論了層密度與邊界溫度關(guān)系、層密度區(qū)域劃分、層密度配置和最佳層密度下熱流密度的變化。分析得出較優(yōu)的3 區(qū)域?qū)用芏冉^熱結(jié)構(gòu)和影響熱流密度變化的熱邊界溫度范圍。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果與計(jì)算的結(jié)果較好的吻合。

1、引言

　　隨著深空探測任務(wù)的進(jìn)行，未來月球探測、火星探測、更遠(yuǎn)距離星際探測航天器根據(jù)目標(biāo)任務(wù)的不同在軌運(yùn)行周期從幾十天到十幾年不等。要保證深空探測任務(wù)的完成，首先必須解決低溫推進(jìn)劑在軌存儲(chǔ)。在空間環(huán)境下，多層絕熱方式是解決低溫推進(jìn)劑在軌存儲(chǔ)的理想絕熱方式。

　　近年來在傳統(tǒng)多層絕熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型絕熱技術(shù)，即變密度多層絕熱(Variable-Density Multilayer Insulation，簡稱‘VD-MLI’)技術(shù)。目前，國外此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展比較完善，進(jìn)行了一系列地面模擬試驗(yàn)，并且取得了一定的成果。國內(nèi)上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所也開展了相關(guān)研究。目前NASA 提出了兩種理論分析模型：Layer-by-Layer 模型和Lockheed 模型，并沒有相關(guān)的分析計(jì)算過程。國內(nèi)目前只有上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所采用了Layer-by-Layer 模型對其進(jìn)行了分析。而對于采用Lockheed 模型進(jìn)行理論分析，在國內(nèi)還沒有看到相關(guān)文獻(xiàn)。基于Lockheed 理論模型提出了最佳層密度的概念并分析得出較優(yōu)的3 區(qū)域?qū)用芏冉^熱結(jié)構(gòu)和影響熱流密度變化的熱邊界溫度范圍。

2、傳熱模型建立

　　對于Layer-by-Layer 模型和Lockheed 模型不同之處在于Layer-by-Layer 模型基于傳統(tǒng)分析方法，以每一層為結(jié)點(diǎn)，然后分析每一層3 種傳熱效果，最后獲得總的傳熱量，這一理論模型不能直接反應(yīng)出密度變化對傳熱的影響。Lockheed 模引入了總層數(shù)，層密度的分析正是基于總層數(shù)而展開，這樣為層密度分析奠定了理論基礎(chǔ)，直接反應(yīng)了層密度變化對絕熱效果的影響。

圖6 熱流密度與熱邊界溫度變化�嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕�

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)中采用總層數(shù)分別為30 層、60 層。采用3 區(qū)域密度結(jié)構(gòu)，密度依次為：4 層/cm、6 層/cm、8 層/cm。冷邊界溫度為77 K，變化熱邊界溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在200 ～ 300 K 能較好的吻合計(jì)算結(jié)果。在200 K 以下出現(xiàn)一定的誤差，當(dāng)熱邊界溫度低于160 K 時(shí)，誤差達(dá)到近10% 以上。由于當(dāng)熱邊界溫度低于160 K 時(shí)熱流密度低于0.1 W/m²，此時(shí)熱邊界條件對熱流密度影響很小，可以忽略。因此，此模型能較好的吻合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

5、總結(jié)

　　變密度多層絕熱技術(shù)通過絕熱結(jié)構(gòu)變化可以有效的提高絕熱效果。通過變密度絕熱Lockheed 模型分析，可以得到以下結(jié)論：(1) 在靠近熱邊界區(qū)域，輻射換熱占據(jù)主導(dǎo)地位。在靠近冷邊界區(qū)域，固體導(dǎo)熱占據(jù)主要地位。通過改變層密度可以提高絕熱效果；(2) 影響層密度變化的主要因素是邊界溫度；當(dāng)邊界溫度確定以后，可確定對應(yīng)邊界溫度的最佳層密度；(3) 3 區(qū)域變密度結(jié)構(gòu)是比較合理的結(jié)構(gòu)；(4) 當(dāng)熱溫度邊界條件低于160K 時(shí)，對熱流密度影響很小。�嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕嚕�