空间模拟装置的真空获得及热沉研究

论文摘要

空间模拟装置主要用来模拟太空的真空、冷黑、太阳辐射三大自然环境,再现或者等效模拟整星或元器件所经历的空间环境物理参数,用于卫星组件或材料的热真空、热平衡试验。目前所有新型号的航天器发射之前都必须在空间环境模拟装置内功能验证,并以此进行校核其热控制系统的设计,以提高航天器飞行的可靠性,保证航天器的工作寿命。因此空间模拟装置是航天技术必备的、重要的基础设施。为适应航空航天技术的发展,从50年代起美国、前苏联等国家及公司都在积极进行空间环境模拟装置的研制。我国于1998年研制成功KM6主模拟室直径12m、高22.4m,是当今世界三大载人航天器空间环境试验设备之一,总体性能达到国际同类设备先进水平。但是我国空间模拟装置的总体容量仍然不足,大部分环境模拟装置真空性能需要改进、加热制冷方式陈旧、冷媒采用酒精等不利因素。因此我们需要从新的真空获得方式及温控方式进行改进。本研究采用粗抽泵抽速8L/s干式涡旋泵、增压泵抽速30L/s干式罗茨泵组成无油前级真空机组,主抽泵采用抽速5000L/s的低温泵保证空间环境清洁真空品质特性真空获得系统。真空建立时间能够满足从常压降低到1.3Pa大于10分钟进行真空放电实验的要求,并能够采用低温泵预冷与前级泵组并行工作提高极限真空度≤5×10-5Pa建立时间小于3.5小时。同时低温泵口与热沉之间采用隔辐射障板使低温泵可以在以热辐射为主的热状态下应用。本研究从满足真空室有效尺寸Φ900mm×1000mm的空间环境模拟装置出发,针对真空度高于10-2Pa的空间环境下热辐射效应为主要传导方式的特性,采用绝缘隔热材料将热沉与真空室内不锈钢轨道进行隔离,对流和热传导忽略进行设计。热沉采用其“鱼骨架”式结构浴液经1413mm半圆弧同步由下向上汇总,保证热稳定性及温度场均匀性。温控系统采用加热、制冷体化MagNum91型温控设备,其加热制冷功率可调整,从而满足升降温速率。实验结果表明,热沉升温速率在-60℃～+100℃能满足>1.2℃/min；降温速率能够（-35～+80℃）时>1℃/min,（-50～-35℃,+80～+100℃）时>0.5℃/min。热沉稳定性能在0.2℃/h,整体设计性能效果较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 空间环境模拟装置简介
• 1.2 国内外发展水平及现状
• 1.2.1 国内发展动态
• 1.2.2 国外发展动态
• 1.3 研究的目的、意义和内容
• 1.3.1 研究的目的和意义
• 1.3.2 本论文主要工作
• 第二章 空间模拟装置的研制
• 2.1 空间模拟装置的环境参数
• 2.1.1 真空环境
• 2.1.2 冷黑环境
• 2.1.3 空间外热流环境
• 2.2 空间环境模拟装置的组成
• 2.2.1 真空容器
• 2.2.2 真空获得系统
• 2.2.3 热沉及温度控制系统
• 2.2.4 数据采集与控制系统
• 2.3 空间模拟装置的研制指标
• 2.3.1 真空室及真空性能指标
• 2.3.2 热沉及温度性能指标
• 2.3.3 测量及控制精度指标
• 第三章 真空室及真空获得系统设计
• 3.1 真空室的设计
• 3.1.1 真空室材料及结构设计
• 3.1.2 真空室接口及密封设计
• 3.2 真空获得系统设计
• 3.2.1 真空建立时间计算
• 3.2.2 真空获得系统选择
• 3.2.3 真空管道及阀门选择
• 3.3 真空系统工艺
• 3.3.1 制造工艺
• 3.3.2 表面处理工艺
• 3.3.3 检漏及安装工艺
• 3.4 设计结果及分析
• 3.4.1 真空获得设备确定
• 3.4.2 真空系统检漏结果
• 3.4.3 真空系统性能分析
• 3.4.4 真空系统设计结论
• 第四章 热沉的设计
• 4.1 热沉设计概述
• 4.1.1 热沉概述
• 4.1.2 热沉材料选择
• 4.1.3 热沉调温方式选择
• 4.1.4 热沉温度均匀性和稳定性的措施
• 4.1.5 热沉温调系统设计
• 4.1.6 热沉结构的确定
• 4.1.7 热沉热容量计算
• 4.1.8 制冷量及功率设计
• 4.1.9 工作介质量计算
• 4.2 热沉工艺
• 4.2.1 热沉制造工艺
• 4.2.2 检漏及除气工艺
• 4.3 设计结果
• 第五章 控制与数据采集系统设计
• 5.1 真空测量及温度测量器件的选择
• 5.2 泵、计、阀标识定义
• 5.3 控制系统硬件选择及实现
• 5.4 软件系统功能设计及实现
• 第六章 装置验收试验
• 6.1 设备验收试验
• 6.1.1 热真空试验
• 6.1.2 深冷试验
• 6.2 设备检定流程
• 6.3 检定数据及分析
• 6.3.1 热真空指标数据
• 6.3.2 热真空数据分析
• 6.3.3 深冷试验数据
• 6.3.4 深冷数据分析
• 第七章 结论
• 7.1 分析与结论
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间从事科学研究项目