航空航天地面測試行業(yè)對溫度控制的極端性、精準(zhǔn)性和可靠性有著嚴(yán)苛到近乎苛刻的要求，從發(fā)動機試車臺的高溫冷卻，到航天器熱真空試驗的深低溫模擬，再到航電設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性測試，每一個環(huán)節(jié)的溫度管理都直接影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、設(shè)備安全性和型號研制進度。冷水機作為關(guān)鍵溫控設(shè)備，需在 - 196℃至 300℃的超寬溫域內(nèi)提供 ±0.5℃的精準(zhǔn)控溫能力，同時具備抗振動沖擊、低電磁干擾和快速響應(yīng)的特性。航空航天測試用冷水機的選型與運行，是平衡測試精度、設(shè)備保護與試驗成本的核心環(huán)節(jié)，更是保障航空航天裝備研制質(zhì)量的重要支撐。

一、航空航天地面測試行業(yè)對冷水機的核心要求

（一）超寬溫域控制與極速溫變能力

極端環(huán)境模擬對溫度范圍提出極致要求：

? 發(fā)動機高空模擬試驗需實現(xiàn) - 55℃至 120℃的環(huán)境溫度控制，降溫速率≥5℃/min，溫度波動超過 ±1℃會導(dǎo)致推力測試偏差（≥2%）；

? 航天器熱平衡試驗的冷板需維持 - 196℃至 80℃，控溫精度 ±0.5℃，溫差過大會導(dǎo)致熱流密度測量誤差（≥5W/m2）；

? 航電設(shè)備高低溫沖擊測試需在 - 65℃與 150℃間快速切換（轉(zhuǎn)換時間≤5 分鐘），溫變速率不足會導(dǎo)致材料應(yīng)力測試數(shù)據(jù)失真。

某航天測試中心因冷水機溫變速率不足（僅 2℃/min），導(dǎo)致某型號衛(wèi)星熱控測試周期延長 15 天，影響發(fā)射計劃。

（二）抗強振動與低電磁干擾

復(fù)雜測試環(huán)境對設(shè)備穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

? 發(fā)動機試車臺冷卻系統(tǒng)需耐受 10g 的振動沖擊（10-2000Hz），關(guān)鍵部件連接需采用防松自鎖設(shè)計（如施必牢螺紋 + 點焊固定）；

? 微波暗室測試用冷水機電磁輻射需≤0.1μT（30MHz-1GHz），避免干擾雷達(dá)、通信設(shè)備的測試信號；

? 設(shè)備運行噪音需≤60dB（A），防止聲學(xué)測試環(huán)境受到干擾（尤其針對聲疲勞試驗）。

某航空發(fā)動機試車臺因冷卻管路振動疲勞斷裂，導(dǎo)致試車中斷，直接損失超 800 萬元。

（三）高可靠性與試驗安全保障

型號試驗的特殊性要求設(shè)備零故障運行：

? 冷水機組平均無故障時間（MTBF）需≥20000 小時，關(guān)鍵系統(tǒng)采用 2N 冗余設(shè)計，單點故障不影響試驗進程；

? 具備完善的安全聯(lián)鎖功能（超溫、超壓、斷流保護），響應(yīng)時間≤1 秒，確保試驗件和人員安全；

? 支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與應(yīng)急操作，在放射性、有毒氣體等危險測試環(huán)境中實現(xiàn)無人值守運行。

二、不同航空航天測試場景的定制化冷卻方案

（一）發(fā)動機測試：高溫與高壓冷卻

1. 航空發(fā)動機試車臺冷卻系統(tǒng)

某航空測試基地采用該方案后，發(fā)動機試車?yán)鋮s系統(tǒng)連續(xù)運行 1000 小時無故障，推力測試偏差≤0.5%。

? 核心挑戰(zhàn)：航空發(fā)動機試車時（推力 50-500kN），燃燒室排氣溫度達(dá) 1500-2000℃，需冷卻噴油嘴、尾噴管等部件，冷卻水溫需控制在 50±2℃。

? 定制方案：

? 采用高壓離心式冷水機（工作壓力 2.5MPa），制冷量 500-2000kW，為試車臺水套和換熱器供水，流量穩(wěn)定性 ±1%；

? 冷卻水路采用雙壁不銹鋼管（內(nèi)層 316L，外層 304），配備爆破片（起跳壓力 3.0MPa）和泄漏檢測裝置；

? 與試車控制系統(tǒng)聯(lián)動，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速（0-100% 額定轉(zhuǎn)速）自動調(diào)整冷卻水量，試車前預(yù)冷 30 分鐘。

1. 火箭發(fā)動機試車?yán)鋮s系統(tǒng)

? 核心挑戰(zhàn)：液體火箭發(fā)動機試車（推力 100-10000kN）時，噴管延伸段溫度達(dá) 800-1200℃，需強制冷卻防止燒蝕，冷卻水流速需≥10m/s。

? 定制方案：

? 采用超高壓冷水機組（工作壓力 4.0MPa），制冷量 1000-5000kW，為噴管水冷通道供水，水溫控制在 40±1℃；

? 冷卻介質(zhì)為去離子水（電阻率≥15MΩ?cm），添加航天級緩蝕劑（如肼類化合物），防止高溫腐蝕；

? 系統(tǒng)配備應(yīng)急儲水罐（容量≥10 分鐘用水量）和柴油發(fā)電機，確保斷電時核心冷卻不中斷。

（二）航天器測試：深低溫與熱模擬冷卻

1. 熱真空試驗箱冷卻系統(tǒng)

? 需求：航天器熱真空試驗（真空度≤1×10??Pa）需模擬太空高低溫環(huán)境（-196℃至 150℃），冷板溫度控制精度 ±0.5℃。

? 方案：

? 采用復(fù)疊式深低溫冷水機（一級 R404A + 二級 R23），制冷量 200-1000kW，最低溫度達(dá) - 196℃，控溫精度 ±0.3℃；

? 冷板采用紫銅微通道設(shè)計（換熱面積≥10m2），通過液氮輔助制冷實現(xiàn)極速降溫（速率≥10℃/min）；

? 與真空系統(tǒng)聯(lián)動，真空度達(dá)標(biāo)后啟動溫度循環(huán)，實時記錄試驗件溫度響應(yīng)曲線（采樣率 10Hz）。

1. 太陽模擬器冷卻系統(tǒng)

? 需求：太陽模擬器（輻照度 1367W/m2）的氙燈和光學(xué)系統(tǒng)需冷卻，燈體溫度需控制在 80±5℃，高溫會導(dǎo)致光譜漂移（偏差≥2%）。

? 方案：

? 采用精密水冷冷水機（制冷量 50-300kW），為氙燈冷卻套和反射鏡供水，水溫控制在 25±1℃；

? 冷卻水路采用低導(dǎo)熱率管路（減少冷量損失），配備流量傳感器（精度 ±0.5%），確保冷卻均勻；

? 與模擬器聯(lián)鎖，點燈前先通冷卻水，關(guān)燈后延時 30 分鐘關(guān)閉，避免余熱損壞光學(xué)元件。

（三）航電設(shè)備測試：環(huán)境與可靠性冷卻

1. 電子設(shè)備高低溫測試?yán)鋮s系統(tǒng)

某航電測試中心采用該方案后，設(shè)備可靠性測試數(shù)據(jù)重復(fù)性提升至 98%，通過軍方計量認(rèn)證。

? 核心挑戰(zhàn)：航電設(shè)備（雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)）高低溫循環(huán)測試需 - 65℃至 150℃溫變，循環(huán)次數(shù)≥1000 次，溫度偏差會導(dǎo)致可靠性評估失真。

? 定制方案：

? 采用多溫區(qū)冷熱一體機（制冷量 100-500kW），復(fù)疊制冷 + 電加熱實現(xiàn)寬溫域控制，控溫精度 ±0.5℃；

? 測試箱內(nèi)采用風(fēng)道 + 均熱板設(shè)計，溫度均勻性≤±1℃，滿足 GJB 150.3A 環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)；

? 系統(tǒng)支持測試曲線編程（升溫和降溫速率 0.1-10℃/min 可調(diào)），自動記錄每循環(huán)的溫度數(shù)據(jù)。

1. 振動 - 溫度復(fù)合試驗冷卻系統(tǒng)

? 需求：航空航天部件振動 - 溫度復(fù)合試驗（振動 10-2000Hz，溫度 - 55℃至 120℃）需同步控溫，避免振動影響溫度穩(wěn)定性。

? 方案：

? 采用抗振動型冷水機（振動傳遞率≤5%），制冷量 50-200kW，為振動臺夾具水冷套供水；

? 冷卻管路采用金屬波紋管（補償量≥50mm）和柔性接頭，減少振動傳遞至冷水機；

? 與復(fù)合試驗控制系統(tǒng)聯(lián)動，振動量級和溫度參數(shù)同步調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)實時關(guān)聯(lián)分析。

三、運行管理與試驗保障

（一）極端溫域控制與校準(zhǔn)

1. 溫度校準(zhǔn)體系

? 日常校準(zhǔn)：每月用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計（精度 ±0.01℃）校準(zhǔn)設(shè)備傳感器，低溫區(qū)（-196℃至 0℃）采用銠鐵電阻校準(zhǔn)；

? 動態(tài)驗證：每季度進行溫變速率測試，在全溫域內(nèi)選取 5 個典型溫度點，確保實際速率與設(shè)定值偏差≤5%；

? 計量溯源：每年送國防計量站校準(zhǔn)，獲得 CNAS 認(rèn)可證書，確保測試數(shù)據(jù)可追溯至國家基準(zhǔn)。

1. 低溫運行保障

? 制冷劑管理：深低溫系統(tǒng)采用高純度制冷劑（純度≥99.9%），定期檢測含水量（≤10ppm），避免冰堵；

? 防凍保護：冷卻水系統(tǒng)添加航天級防凍液（冰點≤-65℃），低溫啟動前預(yù)熱管路（≥5℃）；

? 真空絕熱：低溫管路采用多層真空絕熱（蒸發(fā)損失≤0.5%/ 天），法蘭連接采用低溫密封墊（如銅包覆石棉）。

某航天測試中心通過精準(zhǔn)校準(zhǔn)，熱流密度測試偏差從 3% 降至 0.5%，滿足型號鑒定要求。

（二）抗振動與電磁兼容管理

1. 振動防護設(shè)計

? 設(shè)備安裝：冷水機采用空氣彈簧減震器（阻尼比 0.04）+ 花崗巖基座，與試驗臺保持≥5 米距離或設(shè)置減振溝；

? 管路固定：采用防振支架（間距≤1m），彎頭處安裝彈性支撐，關(guān)鍵部位設(shè)置振動傳感器（報警值 5g）；

? 部件強化：壓縮機、水泵等旋轉(zhuǎn)部件進行動平衡測試（殘余不平衡量≤0.5g?mm），避免共振。

1. 電磁干擾控制

? 屏蔽措施：電氣柜采用 3mm 厚鍍鋅鋼板全屏蔽，電纜選用雙層屏蔽線（銅網(wǎng) + 鋁箔），接地電阻≤0.5Ω；

? 布局優(yōu)化：將冷水機放置在測試區(qū)域外，通過長管路連接（≤50 米），減少電磁輻射直接影響；

? 濾波設(shè)計：電源端安裝 EMI 濾波器（插入損耗≥60dB），控制回路采用光纖傳輸，避免信號干擾。

（三）可靠性保障與應(yīng)急處理

1. 預(yù)防性維護計劃

? 日常檢查：每日記錄運行參數(shù)（溫度、壓力、流量），檢查有無泄漏、異常噪音，過濾器壓差≤0.1MPa；

? 定期保養(yǎng)：每 500 小時更換過濾器濾芯和冷凍油，每 1000 小時清潔換熱器和校準(zhǔn)傳感器；

? 壽命管理：關(guān)鍵部件（壓縮機、閥門）按壽命周期更換（提前儲備備件），建立故障模式與影響分析（FMEA）庫。

1. 試驗應(yīng)急預(yù)案

? 冷卻中斷：立即啟動備用冷水機組（切換時間≤10 秒），試驗件自動切換至安全模式（如發(fā)動機減速至怠速）；

? 超溫報警：啟動應(yīng)急冷卻（如液氮噴淋），同時記錄超溫時間和幅度，評估對試驗件的影響；

? 危險環(huán)境：在有毒、放射性測試區(qū)域，配備遠(yuǎn)程操作機器人和自動滅火系統(tǒng)，人員撤離至安全區(qū)監(jiān)控。

四、典型案例：航天綜合測試中心冷卻系統(tǒng)設(shè)計

（一）項目背景

某航天綜合測試中心需建設(shè)高精度冷卻系統(tǒng)，服務(wù)于發(fā)動機試車臺、熱真空試驗箱、航電測試間等 10 類測試設(shè)備，要求系統(tǒng)控溫范圍 - 196℃至 300℃，精度 ±0.5℃，年試驗時間 5000 小時，滿足 GJB、HB 等軍工標(biāo)準(zhǔn)。

（二）系統(tǒng)配置

1. 測試?yán)鋮s架構(gòu)：

? 發(fā)動機區(qū)：3 臺 2000kW 高壓冷水機（2 用 1 備），為試車臺供水，水溫控制 50±1℃，總循環(huán)水量 5000m3/h；

? 熱真空區(qū)：4 臺 500kW 深低溫冷水機，服務(wù)試驗箱冷板，最低溫度 - 196℃，控溫精度 ±0.3℃；

? 航電區(qū)：6 臺 200kW 冷熱一體機，為高低溫測試箱供冷，溫變速率 0.1-10℃/min 可調(diào)。

1. 安全與精度設(shè)計：

? 全系統(tǒng)采用 2N 冗余設(shè)計，振動傳遞率≤5%，電磁輻射≤0.1μT，滿足軍工電磁兼容要求；

? 配備航天級監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集 1000 + 參數(shù)，數(shù)據(jù)存儲≥10 年，支持與試驗數(shù)據(jù)同步分析；

? 關(guān)鍵設(shè)備具備防核輻射能力（耐受劑量≥1×10?Gy），適應(yīng)特殊測試環(huán)境。

（三）運行效果

? 測試精度：發(fā)動機推力測試偏差≤0.5%，航天器熱流密度測量誤差≤2W/m2，航電可靠性數(shù)據(jù)重復(fù)性≥98%；

? 運行可靠性：系統(tǒng)連續(xù) 3 年無重大故障，平均無故障時間達(dá) 25000 小時，通過軍方驗收；

? 型號支撐：成功保障 5 個航天器型號、3 型發(fā)動機的研制測試，試驗數(shù)據(jù)獲國防科工局認(rèn)可。

航空航天地面測試行業(yè)的冷水機應(yīng)用，是 “極端溫域控制”“抗惡劣環(huán)境” 與 “零故障運行” 的高度統(tǒng)一，它不僅是保障測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的核心，更是推動航空航天裝備研制進程的重要支撐。隨著飛行器向高超聲速、長壽命發(fā)展，冷水機將向 “更高溫變速率（≥20℃/min）、更深低溫（≤-270℃）、智能自適應(yīng)控制” 方向突破。選擇專業(yè)的航空航天測試?yán)渌畽C，是實現(xiàn)型號研制質(zhì)量與進度雙重保障的關(guān)鍵舉措。