空间低温冷罩地面试验设备的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:王丽红

  空间低温冷罩地面试验设备是用于对冷罩性能进行验证的大型试验系统,具有真空系统、旋转装置、称重装置、热辐射装置、低温液体加注系统、动态和静态温度测量装置,可以模拟冷罩随飞行器在空间飞行时的真空、辐照环境及空间旋转状态。本文介绍了试验设备的组成及设计,分析了真空室压力对冷罩换热程度的影响。对研制的试验设备进行了性能测试,结果表明该设备运行稳定、可靠,满足空间低温冷罩的各项试验要求。

  空间低温冷罩是包覆在飞行器外部的一个轻薄、高效的低温容器,通过低温液体相变制冷的原理降低冷罩外表面温度,从而有效降低飞行器的红外辐射强度。空间低温冷罩地面试验装置是用来对冷罩性能进行验证的大型试验系统,用于验证冷罩在空间的传热效果、冷罩结构设计的合理性、冷罩的表面温度分布及低温维持时间等。本文介绍了空间低温冷罩地面试验设备的组成及设计,分析了真空室压力对冷罩内部换热程度的影响,给出了试验设备的性能测试结果。

1、主要技术要求及指标

  空间低温冷罩地面试验设备主要技术要求及指标如下:

  (1) 真空室可容纳低温冷罩垂直和水平放置,实现对冷罩加注低温液体期间抽真空,以防止冷罩表面结霜,也可维持冷罩加注低温液体完毕后的真空度,以模拟冷罩空间飞行时的真空环境,空载时真空室压力≤10 Pa,有载时真空室压力≤800 Pa;

  (2)垂直和水平旋转装置,可以模拟冷罩的空间自旋状态,旋转速度在(0~120)rpm 内可调,水平旋转装置上翘10°;

  (3)称重装置可以实现对低温液体蒸发量的测量,测量精度≤50g;

  (4)热辐射装置,可模拟空间辐照环境,热流密度在(200~1000)W/m2 可调;

  (5)低温液体加注系统,加注总流量≥3 L/min,加注完成后,可实现加注管路和低温冷罩之间的自动断开和自密封;

  (6)动态和静态温度测量装置,温度测量范围(77~300)K,精度±1 K,动态温度测量装置能随冷罩在旋转状态下工作,可连续工作时间>60 min,温度数据采集间隔<5 s。

2、试验设备组成及设计

  2.1、试验设备组成

  试验设备由真空室、真空机组、测温仪、电子称、低温液体加注系统及热辐射装置等组成,如图1 所示。真空室用来模拟飞行器空间飞行时的真空环境,真空抽气机组由一台ZJ-600 罗茨泵(主泵)、两台2X-70 旋片泵(前级泵) 及一台H-300A 滑阀泵(辅助泵)组成,用于对真空室抽真空,维持冷罩试验过程中真空室的压力。冷罩置于真空室内并安放在旋转台上。热电偶温度传感器粘贴在低温冷罩表面,静态测温仪置于真空室外,用于测量冷罩表面的温度分布和温度变化。电子称置于冷罩下方,用于测量冷罩加注液氮后的总重量变化。热辐射灯阵采用5 kW 碘钨灯光源进行加热,根据热量等效原则对冷罩模拟空间热辐射。

空间低温冷罩地面试验设备组成图

1. 机械泵;2. 滑阀泵;3. 罗茨泵;4. 垂直旋转机构;5. 电子称;6 . 测温仪;7.水平旋转机构;8.真空室;9.低温冷罩;10.加注管路;11.真空计;12.放空阀;13.热辐射装置;14. 液氮容器;15. 加注接头;16.活动封头;17.控制柜

图1 空间低温冷罩地面试验设备组成图

4、试验装置性能测试

  空间低温冷罩试验设备加工安装完成后,进行了性能测试试验。首先对真空室的空载动态压力进行了测试,其极限压力小于10 Pa,然后对负载状态下的真空室压力进行了测试。测试过程如下:将冷罩置于真空室内,启动真空系统的前级泵和滑阀泵,对冷罩加注液氮,加满液氮后,关闭加注阀,停止加注,通过自动控制使冷罩上的加注接头脱落,冷罩旋转,开启罗茨泵,维持真空室压力,记录冷罩表面的温度分布和低温维持时间。整个测试过程中,真空室压力变化如图2 所示。

低温冷罩试验装置真空室压力变化

图2 低温冷罩试验装置真空室压力变化

  从图2 可以看出,开启真空系统4 min 后,真空室压力降至一千多帕,冷罩开始加注液氮后,由于液氮大量汽化蒸发,真空室内的压力处于上升状态,最大压力在2 万帕左右,冷罩加满液氮后,整个冷罩中的液氮已经处于稳定蒸发状态,压力重新降至千帕。开启罗茨泵后,真空室内的压力很快降低,将真空室压力维持在约300 Pa的水平,与理论计算相符,满足低温冷罩试验的性能指标要求。

5、结束语

  空间低温冷罩地面试验设备是验证冷罩性能的最重要的大型试验系统,设备中的真空系统、旋转装置、称重装置、热辐射装置、低温液体加注系统、动态和静态温度测量装置满足空间冷罩的各项试验要求,成功地实现了对冷罩空间性能的试验验证。试验期间,设备运行稳定、可靠,获得了有效数据,为项目的顺利结题起到了重要作用。该设备还可用于其它大型低温产品的空间试验验证,具有较为广泛的用途。

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