航空航天地面測試行業對溫度控制的極端性、精準性和可靠性有著嚴苛到近乎苛刻的要求，從發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，再到航電設備的環境適應性測試，每一個環節的溫度管理都直接影響測試數據的準確性、設備安全性和型號研制進度。冷水機作為關鍵溫控設備，需在 - 196℃至 300℃的超寬溫域內提供 ±0.5℃的精準控溫能力，同時具備抗振動沖擊、低電磁干擾和快速響應的特性。航空航天測試用冷水機的選型與運行，是平衡測試精度、設備保護與試驗成本的核心環節，更是保障航空航天裝備研制質量的重要支撐。

一、航空航天地面測試行業對冷水機的核心要求

（一）超寬溫域控制與極速溫變能力

極端環境模擬對溫度范圍提出極致要求：

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

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

? 航電設備高低溫沖擊測試需在 - 65℃與 150℃間快速切換（轉換時間≤5 分鐘），溫變速率不足會導致材料應力測試數據失真。

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

（二）抗強振動與低電磁干擾

復雜測試環境對設備穩定性構成嚴峻挑戰：

? 發動機試車臺冷卻系統需耐受 10g 的振動沖擊（10-2000Hz），關鍵部件連接需采用防松自鎖設計（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、通信設備的測試信號；

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

某航空發動機試車臺因冷卻管路振動疲勞斷裂，導致試車中斷，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備零故障運行：

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

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

? 支持遠程監控與應急操作，在放射性、有毒氣體等危險測試環境中實現無人值守運行。

二、不同航空航天測試場景的定制化冷卻方案

（一）發動機測試：高溫與高壓冷卻

1. 航空發動機試車臺冷卻系統

某航空測試基地采用該方案后，發動機試車冷卻系統連續運行 1000 小時無故障，推力測試偏差≤0.5%。

? 核心挑戰：航空發動機試車時（推力 50-500kN），燃燒室排氣溫度達 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，流量穩定性 ±1%；

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

? 與試車控制系統聯動，根據發動機轉速（0-100% 額定轉速）自動調整冷卻水量，試車前預冷 30 分鐘。

1. 火箭發動機試車冷卻系統

? 核心挑戰：液體火箭發動機試車（推力 100-10000kN）時，噴管延伸段溫度達 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；

? 系統配備應急儲水罐（容量≥10 分鐘用水量）和柴油發電機，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

? 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境（-196℃至 150℃），冷板溫度控制精度 ±0.5℃。

? 方案：

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

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

? 與真空系統聯動，真空度達標后啟動溫度循環，實時記錄試驗件溫度響應曲線（采樣率 10Hz）。

1. 太陽模擬器冷卻系統

? 需求：太陽模擬器（輻照度 1367W/m2）的氙燈和光學系統需冷卻，燈體溫度需控制在 80±5℃，高溫會導致光譜漂移（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；

? 與模擬器聯鎖，點燈前先通冷卻水，關燈后延時 30 分鐘關閉，避免余熱損壞光學元件。

（三）航電設備測試：環境與可靠性冷卻

1. 電子設備高低溫測試冷卻系統

某航電測試中心采用該方案后，設備可靠性測試數據重復性提升至 98%，通過軍方計量認證。

? 核心挑戰：航電設備（雷達、導航系統）高低溫循環測試需 - 65℃至 150℃溫變，循環次數≥1000 次，溫度偏差會導致可靠性評估失真。

? 定制方案：

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

? 測試箱內采用風道 + 均熱板設計，溫度均勻性≤±1℃，滿足 GJB 150.3A 環境試驗標準；

? 系統支持測試曲線編程（升溫和降溫速率 0.1-10℃/min 可調），自動記錄每循環的溫度數據。

1. 振動 - 溫度復合試驗冷卻系統

? 需求：航空航天部件振動 - 溫度復合試驗（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；

? 與復合試驗控制系統聯動，振動量級和溫度參數同步調節，數據實時關聯分析。

三、運行管理與試驗保障

（一）極端溫域控制與校準

1. 溫度校準體系

? 日常校準：每月用標準鉑電阻溫度計（精度 ±0.01℃）校準設備傳感器，低溫區（-196℃至 0℃）采用銠鐵電阻校準；

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

? 計量溯源：每年送國防計量站校準，獲得 CNAS 認可證書，確保測試數據可追溯至國家基準。

1. 低溫運行保障

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

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

? 真空絕熱：低溫管路采用多層真空絕熱（蒸發損失≤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校準，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. 振動防護設計

? 設備安裝：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，關鍵部位設置振動傳感器（報警值 5g）；

? 部件強化：壓縮機、水泵等旋轉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 + 鋁箔），接地電阻≤0.5Ω；

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

? 濾波設計：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）可靠性保障與應急處理

1. 預防性維護計劃

? 日常檢查：每日記錄運行參數（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：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傳感器；

? 壽命管理：關鍵部件（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. 試驗應急預案

? 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（如發動機減速至怠速）；

? 超溫報警：啟動應急冷卻（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；

? 危險環境：在有毒、放射性測試區域，配備遠程操作機器人和自動滅火系統，人員撤離至安全區監控。

四、典型案例：航天綜合測試中心冷卻系統設計

（一）項目背景

某航天綜合測試中心需建設高精度冷卻系統，服務于發動機試車臺、熱真空試驗箱、航電測試間等 10 類測試設備，要求系統控溫范圍 - 196℃至 300℃，精度 ±0.5℃，年試驗時間 5000 小時，滿足 GJB、HB 等軍工標準。

（二）系統配置

1. 測試冷卻架構：

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

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

? 航電區：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。

1. 安全與精度設計：

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

? 配備航天級監控系統，實時采集 1000 + 參數，數據存儲≥10 年，支持與試驗數據同步分析；

? 關鍵設備具備防核輻射能力（耐受劑量≥1×10?Gy），適應特殊測試環境。

（三）運行效果

? 測試精度：發動機推力測試偏差≤0.5%，航天器熱流密度測量誤差≤2W/m2，航電可靠性數據重復性≥98%；

? 運行可靠性：系統連續 3 年無重大故障，平均無故障時間達 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 型發動機的研制測試，試驗數據獲國防科工局認可。

航空航天地面測試行業的冷水機應用，是 “極端溫域控制”“抗惡劣環境” 與 “零故障運行” 的高度統一，它不僅是保障測試數據準確性的核心，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、長壽命發展，冷水機將向 “更高溫變速率（≥20℃/min）、更深低溫（≤-270℃）、智能自適應控制” 方向突破。選擇專業的航空航天測試冷水機，是實現型號研制質量與進度雙重保障的關鍵舉措。