氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統特性研究.pdf

1、在地面進行空間環(huán)境模擬試驗是檢驗和保證航天器等設備安全可靠性和工作壽命的重要方法。月球或深空等復雜特殊的空間環(huán)境,如極端深冷環(huán)境和由于晝夜交替導致的極大升、降溫速率等因素,對航天器性能提出了更為苛刻的條件。本文研究工作為設計和研制了氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統,并對其進行了熱質仿真研究和試驗研究,驗證了該高低溫環(huán)境模擬系統具有大升降溫速率和高溫度均勻性的特性。主要得到以下結果:
　　(1)設計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,其主要特點為(a)艙內非高真空環(huán)境,而是充注絕對壓力90kPa氦氣;(b)工作溫度范圍為68K-373K,引入四缸兩級斯特林低溫制冷機,突破液氮冷源降溫下限。系統除了有與常規(guī)熱真空罐相同的輻射傳熱外,更重要的是允許艙內有自然對流甚至強制對流傳熱,從而大大加強傳熱速度,特別是在接近目標溫度時明顯減少對被測物的冷卻或加熱時間。這一特性使得該新型高低溫系統在結構和傳熱機理上存在與常規(guī)熱真空罐本質的區(qū)別。本系統優(yōu)點除了升降溫速率大外,

3、內部溫度均勻性也得到提升。
　　(2)進行在高溫工況和低溫工況的數值模擬分析,模擬艙內為90kPa氦氣的情況下傳熱方式為自然對流和輻射傳熱耦合時艙內溫度場和流場分布情況。計算結果表明在高溫工況時,熱沉表面及試驗艙內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溫度上高下低分布,熱沉壁面上下存在10K左右溫差,而艙內空間的上下最大溫差為23K;停止加熱后,熱沉壁面和艙內溫度趨于穩(wěn)定,最終溫度均勻性在±2K以內。低溫工況時,

4、首先計算得熱沉單管內液氮流動使熱沉壁面上下有3K溫差,再利用上述結果應用用戶自定義函數設定熱沉壁面溫度分布,計算結果表明在快速降溫結束時刻艙內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,且計算結束時刻上下溫差為±2.47K。
　　(3)在高、低溫工況下分別對整個氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統進行初步運行及調試試驗。低溫試驗,主要考察在熱沉壁面和艙內空間降溫至液氮溫區(qū)過程中,改變艙內工作介質氮氣壓力,增加強制對流等條

5、件對溫度場的影響,以及自然復溫階段的溫度均勻性分析。高溫試驗,主要考察在不同電加熱輸入功率條件下,熱沉壁面和艙內空間升溫速率和溫度分布情況。實驗結果表明,系統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,對系統的進一步詳細試驗具有指導性意義。
　　(4)采用耐高低溫的艙內攝像監(jiān)控視頻系統取代漏熱嚴重的傳統觀察窗形式。為能實時觀察監(jiān)控試驗艙內部待測設備工作情況,設計了面向-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,采用真空絕熱、熱橋阻斷和主動加熱或冷卻等絕熱保溫措施,實現了設備在目標溫度范圍內正常工作。當外部環(huán)境為低溫工況時,在攝像器件自身產熱的基礎上,調節(jié)內部電加熱進行熱量補償;當外部為高溫工況時,通過持續(xù)進出的常溫干燥氮氣冷卻攝像核心器件。兩者可連續(xù)切換。對所設計的高低溫攝像系統進行了漏熱理論計算并對其實際低溫性能進行實驗研究,結果表明該系統可勝任-196℃-+100℃高低溫工作任務,內部感光器件表面的實際溫度可控制在-30℃-