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空间环境试验设备中的低温技术

shdaohan 在线
shdaohan
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    在大型航天器的研制过程中,为了在地面上试验航天器在各种空间环境的性能,必须利用空间环境试验设备。当今世界各航天大国均建有先进
的空间环境试验设备,例如美国休斯敦航天中心的容器A,直径19.8M,高24.4M,曾为阿波罗飞船等大型航天器进行过载人空间环境试验。这些
设备主要是通过模拟实际空间的高真空、冷黑和太阳辐射环境来达到对航天器进行空间环境试验的目的。大型空间环境试验设备一般由容器、热
沉、真空、液氮、气氮和太阳模拟器等多个系统组成,主要技术指标有系统真空度、实际试验空间、热沉温度、热沉表面发射系数等。大型空间
环境试验设备本身就是一个大型低温设备,设备中所采用的低温真空技术决定着大型空间环境试验设备的先进程度。
    以下介绍一下我国最新研制的某大型空间环境试验设备中所采用的低温技术。此大型空间环境试验设备由11个系统组成。其中与低温技术关系
密切的有液氮系统、热沉系统、氦系统、真空系统、气氮系统和载人试验系统等。这台设备的容器由主容器、辅助容器和特殊试验容器三部分组
成。主容器真径达12M,高22.4M.容器内部布置有纯铝热沉,热沉内表面涂有表面发射系数的特制黑漆。铝热沉在通有液氮 和正常试验热负荷时
,表面温度可低于95K.热沉的冷源由液氮系统提供。试验设备的高真空系统,由内装式氦制冷低温真空系统和外置式制冷机低温泵高真空系统共
同组成。内装式氦制冷真空系统的冷源由大型氦制冷系统提供 。热沉还可通过气氮系统来实现零下一百到一百度范围的温度调节。以满足热沉升
温和特殊试验要求。该设备还有红外加热系统与总控制系统等。
1.液氮系统中的低温技术
液氮系统的主要功能是在试验期间为热沉提供稳定的液氮,使热沉的温度低于95K.系统主要由液氮泵、文丘利管、过冷器、液氮储槽、低温阀
门和液氮管道等组成。液氮系统和热沉一起构成液氮的密闭循环回路。系统采用了文丘利管稳压技术,并采用PLC全自动控制和手操器半自动控
制两套控制方法。在正常试验情况下,系统压力低于0.8MPA,使用两台液氮泵时,流量为100m/h,在试验期间每天平均耗费液氮>70m.
2.热沉系统中的低温技术
热沉是大型空间环境试验设备的核心装置。其主要功能是模拟实际空间的冷黑和分子沉环境。如严格按空间环境温度低于4.2K,吸收系数和发
射系数大于0.99设计,则工程上非常困难,造价和运转费用高昂。经计算,只要环境温度低于100K,吸收和发射系数大于0.9,则热沉模拟误差
对航天器热试验的影响是可以接受的。主容器热沉由顶部热沉、上部热沉、中部热沉、下部热沉及底部热沉等几部分固定和活动热沉组成。热沉
研制的技术难点,是解决大型热沉在非均匀传热条件下的温度均匀性、液氮流动均匀性、由工作温差较大引起的热胀冷缩,以及加工过程中的焊
接密封等问题。为了模拟空间环境的分子沉效应,在上部热沉中,还布置有大型内装式氦制冷低温真空系统。该真空系统对氮气抽速大于1.5*10L
/S还可兼用作空间环境试验设备的主要高真空设备。内装式氦制冷低温真空系统的工作温度为20K.所需要的冷源由氦系统提供 ,设计正常降温时
间为6H,低温抽气前沿面积为80平米。
3.氦系统中的低温技术
氦系统是大型内装式氦制冷低温真空系统的冷源。氦系统的螺杆压缩机、干燥器、纯化器、换热器、大型透平膨胀机和冷箱等组成。氦系统主
要技术指标为:总制冷功率为1200W,出口温度低于16K.氦系统氦气泄漏量小于总漏量的(3~6)*10~-6.可实现自动纯化和再生,系统由PLC进行
自动控制。氦系统的技术难点是大型氦压缩机,透平膨胀机和冷箱等关键部件的研制,特别是对氦泄漏量的控制。
4.其它系统的低温技术
现代真空技术和低温技术联系密切,在大型空间环境试验设备中尤其体现了这一点。除了大型内装式低温真空系统的冷源由氦制冷系统提供外,真空系统还配有8台氦制冷机低温泵。气氮 系统主要作用是对热沉进行升温,并在负一百到一百度的温度范围内,对热沉进行温度调节。气氮系统由风机、电加热器、换热器等部分组成,流量为90M/min。可使热温度从-173度加热到60度。气氮系统的技术难点,在于使用热容较小的氮 气来调节热容较大的热沉温度。在特殊试验 系统中,除了真空、热沉、液氮设备中使用与主容器相同的低温技术外,还在紧急复压和环控系统中使用了低温技术。主要涉及到液氮、液氧、液空等低温液体汽化和低温气体流量、组分的精确调节。
陈小姐 18939769079 电话:021-31252306

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