氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng)特性研究.pdf

1、在地面進(jìn)行空間環(huán)境模擬試驗(yàn)是檢驗(yàn)和保證航天器等設(shè)備安全可靠性和工作壽命的重要方法。月球或深空等復(fù)雜特殊的空間環(huán)境,如極端深冷環(huán)境和由于晝夜交替導(dǎo)致的極大升、降溫速率等因素,對(duì)航天器性能提出了更為苛刻的條件。本文研究工作為設(shè)計(jì)和研制了氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了熱質(zhì)仿真研究和試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)具有大升降溫速率和高溫度均勻性的特性。主要得到以下結(jié)果:
　　(1)設(shè)計(jì)和研制了具有高變溫速率的高低溫空間環(huán)境

2、模擬系統(tǒng),其主要特點(diǎn)為(a)艙內(nèi)非高真空環(huán)境,而是充注絕對(duì)壓力90kPa氦氣;(b)工作溫度范圍為68K-373K,引入四缸兩級(jí)斯特林低溫制冷機(jī),突破液氮冷源降溫下限。系統(tǒng)除了有與常規(guī)熱真空罐相同的輻射傳熱外,更重要的是允許艙內(nèi)有自然對(duì)流甚至強(qiáng)制對(duì)流傳熱,從而大大加強(qiáng)傳熱速度,特別是在接近目標(biāo)溫度時(shí)明顯減少對(duì)被測(cè)物的冷卻或加熱時(shí)間。這一特性使得該新型高低溫系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和傳熱機(jī)理上存在與常規(guī)熱真空罐本質(zhì)的區(qū)別。本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)除了升降溫速率大外,

3、內(nèi)部溫度均勻性也得到提升。
　　(2)進(jìn)行在高溫工況和低溫工況的數(shù)值模擬分析,模擬艙內(nèi)為90kPa氦氣的情況下傳熱方式為自然對(duì)流和輻射傳熱耦合時(shí)艙內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布情況。計(jì)算結(jié)果表明在高溫工況時(shí),熱沉表面及試驗(yàn)艙內(nèi)部空間隨著熱沉壁面電加熱器功率的輸入,在浮升力作用下呈現(xiàn)溫度上高下低分布,熱沉壁面上下存在10K左右溫差,而艙內(nèi)空間的上下最大溫差為23K;停止加熱后,熱沉壁面和艙內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定,最終溫度均勻性在±2K以內(nèi)。低溫工況時(shí),

4、首先計(jì)算得熱沉單管內(nèi)液氮流動(dòng)使熱沉壁面上下有3K溫差,再利用上述結(jié)果應(yīng)用用戶自定義函數(shù)設(shè)定熱沉壁面溫度分布,計(jì)算結(jié)果表明在快速降溫結(jié)束時(shí)刻艙內(nèi)氦氣上下最大溫差為41.7K,之后溫度逐漸降低至熱沉溫度附近,且計(jì)算結(jié)束時(shí)刻上下溫差為±2.47K。
　　(3)在高、低溫工況下分別對(duì)整個(gè)氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)行初步運(yùn)行及調(diào)試試驗(yàn)。低溫試驗(yàn),主要考察在熱沉壁面和艙內(nèi)空間降溫至液氮溫區(qū)過程中,改變艙內(nèi)工作介質(zhì)氮?dú)鈮毫?增加強(qiáng)制對(duì)流等條

5、件對(duì)溫度場(chǎng)的影響,以及自然復(fù)溫階段的溫度均勻性分析。高溫試驗(yàn),主要考察在不同電加熱輸入功率條件下,熱沉壁面和艙內(nèi)空間升溫速率和溫度分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)總體上滿足升溫速率和溫度均勻性要求且有良好的保溫絕熱性能,對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步詳細(xì)試驗(yàn)具有指導(dǎo)性意義。
　　(4)采用耐高低溫的艙內(nèi)攝像監(jiān)控視頻系統(tǒng)取代漏熱嚴(yán)重的傳統(tǒng)觀察窗形式。為能實(shí)時(shí)觀察監(jiān)控試驗(yàn)艙內(nèi)部待測(cè)設(shè)備工作情況,設(shè)計(jì)了面向-196℃到+100℃全溫區(qū)高低溫工作環(huán)境的緊湊型

6、攝像監(jiān)視系統(tǒng),采用真空絕熱、熱橋阻斷和主動(dòng)加熱或冷卻等絕熱保溫措施,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)正常工作。當(dāng)外部環(huán)境為低溫工況時(shí),在攝像器件自身產(chǎn)熱的基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)內(nèi)部電加熱進(jìn)行熱量補(bǔ)償;當(dāng)外部為高溫工況時(shí),通過持續(xù)進(jìn)出的常溫干燥氮?dú)饫鋮s攝像核心器件。兩者可連續(xù)切換。對(duì)所設(shè)計(jì)的高低溫?cái)z像系統(tǒng)進(jìn)行了漏熱理論計(jì)算并對(duì)其實(shí)際低溫性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明該系統(tǒng)可勝任-196℃-+100℃高低溫工作任務(wù),內(nèi)部感光器件表面的實(shí)際溫度可控制在-30℃-