航天器密封舱压力模拟控制方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:武越

  带有密封舱段的航天器进行热平衡试验时,为了模拟空间微重力下的气体换热方式,需要对密封舱内的压力进行调节与控制。文章研究了航天器密封舱压力模拟控制的特征,根据这些特征,采用特殊的方法解决了真空低温环境下远距离真空压力柔性管道的密封与绝热、密封舱内压力准确测量、密封舱内压力连续控制与调节、密封舱内环境状况分析与监测、快速抽除与收集密封舱中大量沸点较高的可凝性蒸汽等难题,成功地对大型航天器密封舱在微重力状态下的气体换热情况进行了地面模拟,使密封舱内的仪器设备经受了考核。

  由于重力所引起的自然对流的影响,在地面常重力条件下对航天器进行的地面上流动换热试验和空间实际情况存在着一定偏差。为了较准确地模拟航天器热平衡试验在空间微重力条件下的流动换热,通常采用降压法来抑制地面试验时自然对流的热影响,舱内压力越低,自然对流的影响就越小,当舱内压力降低到一定程度时,自然对流的影响可以忽略,从而减少甚至消除航天器试验与飞行状态的差别。

  基于以上研究背景,本文提出了一种航天器在地面进行热平衡试验时空间微重力下气体换热方式的模拟方法,并在某型号航天器热平衡试验中得到了成功的应用,取得了良好的效果。

1、航天器密封舱压力模拟控制的特征

  描述地面模拟对流换热的无量纲控制方程组为

航天器密封舱压力模拟控制方法研究

3、试验应用及结果分析

  压控系统研制完成后,应首先对各个子系统进行单独的调试,各子系统功能符合要求后,与模拟舱连接对整套系统进行调试,以确保压控系统的各项技术指标满足设计要求。

  整套系统调试合格后,在某型号航天器热平衡试验中得到了应用,具体过程如下:

  首先进行了密封舱内除水程序,在空间环境模拟器粗抽结束后,对航天器的密封舱进行抽气,所用时间少于4 h,满足要求。接着向密封舱内充入洁净空气至26 kPa,航天器进入自主飞行阶段,通过压控系统将舱内压力控制在25.3 ~ 27.3 kPa 之间,满足要求。最后进入留轨阶段,压控系统将密封舱压力从26kPa 抽至低于100 Pa。在除水阶段和留轨阶段,液氮冷阱内通液氮吸附水蒸汽及其它可凝性气体。航天器热试验结束后,从冷阱中放出约1.5 L 液体,水质混浊,呈浅黄色,发出异味,经化验,含有苯、硅氧烷等有机化合物,说明冷阱起到了除水及收集舱内污染物的作用,同时压控管道内未发现一滴水,说明管道的绝热设计得当,整个试验过程如图3 所示。

某型号航天器热平衡试验密封舱内压力变化曲线

图3 某型号航天器热平衡试验密封舱内压力变化曲线

4、结论

  本文研究了真空热环境下航天器密封舱压力模拟控制的特征以及舱内压力连续调节与控制的方法。成功解决了真空热环境下压力柔性管道的密封与绝热、密封舱内压力准确测量、密封舱内压力连续控制与调节、密封舱内环境状况分析与监测、快速抽除与收集密封舱内大量沸点较高的可凝性蒸汽等难题。首次对空间微重力下的气体换热方式进行了地面模拟,航天器密封舱压力模拟控制方法的成功应用,为飞船等大型航天器的热平衡试验提供了重要的技术保证。

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