CN102967479A - 一种水升华器性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水升华器性能测试系统，该系统包括透明玻璃罩真空罐、不锈钢真空罐、真空机组、储箱、压力测量装置、温度测量装置、流量测量装置、质量测量装置、功率加载装置、数据采集与处理系统、程控电源、压力调节装置、高速摄像系统、液氮冷阱和安装平台，本发明的系统突破了国内航天器热控系统用水升华器地面性能测试技术，满足了水升华器研制过程中开展工作性能测试与实验的需求，为水升华器的研制提供了必不可少的技术保障；本发明两组真空室中所采用的可旋转水升华器安装平台，可以模拟水升华器的不同安装姿态，为获得不同姿态下水升华器的工作性能提供了技术保障。

Description

一种水升华器性能测试系统

技术领域

本发明涉及航天器热控技术领域，具体涉及一种水升华器性能测试系统。

背景技术

水升华器是一种利用工质的升华原理进行工作的热控装置，它通过使一种消耗性介质发生相变并最终将其排放至外太空的过程将航天器废热带走，从而实现航天器热控系统的热排散。它结构简单、体积小、重量轻，是航天器不足以提供足够的散热面、或其它热控措施不能发挥作用时必不可少的热控措施。曾经在国外的航天器热控系统，尤其是航天员出舱活动单元(EMU)生保系统(PLSS)的热控中发挥了重大作用，并且仍是目前的宇航服必不可少的组成部分之一。

随着我国探月活动及深空探测工作的逐步开展，水升华器热控技术已成为我国未来航天器热控中必不可少和必须突破的热控手段之一。在水升华器研制初期，一套可以对水升华器的工作环境进行全面模拟、对其性能进行全面监测的水升华器性能测试系统和水升华器本身同样重要。由于水升华器只能在真空环境下工作，而且伴随有消耗性工质的排放，因此水升华器性能测试系统必须满足如下几方面的条件：(1)能够在有连续工质排放的环境下，模拟并维持水升华器工作的真空环境，并满足一定的真空度要求；(2)具备模拟水升华器不同变化规律的热负荷的能力；(3)可以模拟水升华器安装姿态的变化；(4)具备温度、压力、流量、质量控制功能，并可以对温度、压力、流量、质量等多项试验数据进行实时在线监测与处理。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水升华器性能测试系统，能够解决水升华器地面性能测试试验中水升华器真空工作环境模拟及维持、热负荷加载模拟、水蒸汽捕获、水升华器安装姿态模拟及测试数据采集的技术难题。

本发明的一种水升华器性能测试系统，包括透明玻璃罩真空罐、不锈钢真空罐、真空机组、储箱、压力测量装置、温度测量装置、流量测量装置、质量测量装置、功率加载装置、数据采集与处理系统、程控电源、压力调节装置、高速摄像系统、液氮冷阱和安装平台；

其中，所述质量测量装置用于在试验前、后测量水升华器各部件的质量，得到各部件试验前、后的质量差；质量测量装置还用于测量储箱在水升华器试验前、后的储水量；

所述安装平台有两个，分别置于透明玻璃罩真空罐和不锈钢真空罐中，用于固定水升华器，并可以通过改变水升华器安装面的安装角度来模拟水升华器在航天器不同姿态时所处于的不同角度；

所述透明玻璃罩真空罐和不锈钢真空罐用于在试验中模拟水升华器工作的真空环境；当透明玻璃罩真空罐不能容纳被测试的水升华器时，由不锈钢真空罐容纳水升华器进行测试；不锈钢真空罐的两端带有对称的观察窗，其视野能够覆盖整个安装平台，使工作人员通过该观察窗观察水升华器的工作状态；

所述真空机组用于对分别通过隔离阀与其相连通的透明玻璃罩真空罐和不锈钢真空罐抽真空，模拟太空的真空度，为水升华器试验提供真空环境；

所述功率加热装置可对储箱和水升华器底板进行加热，分别用于模拟航天器中的水升华器工质的温度变化以及航天器热控系统的温度变化；功率加热装置的输出功率由与其相连的程控电源控制；

所述储箱为水升华器的工质存储装置，用于在水升华器工作时，为水升华器提供所需的工质；储箱的出水口依次串联压力调节装置、一个隔离阀和流量测量装置后分成两路，其中一路串接一个隔离阀后与透明玻璃罩真空罐内的水升华器的进水口相连通，另一路串接一个隔离阀后通过密封口接到不锈钢真空罐中，与不锈钢真空罐内的水升华器的进水口相连通；其中的压力调节装置用于根据不同水升华器的需要对储箱向水升华器输出工质的压力进行调节；其中的流量质量装置用于实时测量并记录储箱为水升华器的供水质量流量；

所述温度测量装置包括三个温度测试端，其中的一个测试端用于对储箱中的工质温度和储箱上的功率加载装置温度进行测试，另外两个测量端分别通过穿墙插头连接到透明玻璃罩真空罐和不锈钢真空罐中对其中测试对象的温度进行测试，温度测量装置将测得的温度数据实时传输回与其连接的数据采集处理系统；

所述压力测量装置的两个测量端分别对透明玻璃罩真空罐和不锈钢真空罐的真空度进行测量，并将测量值输出至数据采集与处理系统；

所述液氮冷阱有两个，分别置于真空机组和透明玻璃罩真空罐、真空机组和不锈钢真空罐之间的管路上，用于对从透明玻璃罩真空罐或不锈钢真空罐排出的蒸汽进行冷凝，辅助真空机组维持两者的真空度；

所述高速摄像系统布置在透明玻璃罩真空罐或不锈钢真空罐内部，用于对水升华器的正常工作状态和失效后的实验现象进行监测；

所述的数据采集与处理系统对采集到的水升华器不同工作模式对应的压力、工质流量和温度进行采集并存储，用于对水升华器工作性能进行分析。

本发明的一种水升华器测试系统具有如下有益效果：

（1）本发明突破了国内航天器热控系统用水升华器地面性能测试技术，满足了水升华器研制过程中开展工作性能测试与实验的需求，为水升华器的研制提供了必不可少的技术保障；

（2）本发明所采用的可视化真空罐设计，可以对被测试的水升华器进行360度观测，为实时观察和记录实验现象提供了便利；

（3）本发明两组真空室中所采用的可旋转水升华器安装平台，可以模拟水升华器的不同安装姿态，为获得不同姿态下水升华器的工作性能提供了技术保障；

（4）本发明所采用真空泵组和液氮冷阱相结合的真空获得技术，大大降低了有水蒸汽排放的环境中真空泵组的工作负荷，提高了水升华器真空工作环境的获得效率；

（5）本发明水升华器性能测试系统中的高速摄像系统可以对水升华器的工作状态或失效过程进行实时监测，可以方便对水升华器的工作过程进行记录和观察。

附图说明

图1为本发明的一种水升华器的原理图。

其中，101-不锈钢真空罐，102-透明玻璃罩真空罐；2-真空机组；3-储箱；401-温度测量装置，402-压力测量装置，403-流量测量装置；5-质量测量装置；6-功率加载装置；7-数据采集与处理系统；9-程控电源组；10-压力调节装置；11-高速摄像系统；12-液氮冷阱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水升华器性能测试系统，包括小型真空室、真空机组2、储箱3、压力测量装置402、温度测量装置401和流量测量装置403、质量测量装置5、功率加载装置6、数据采集与处理系统7、程控电源组9、压力调节装置10、高速摄像系统11、液氮冷阱12和安装平台；

其中，小型真空室包括不锈钢真空罐101和透明玻璃罩真空罐102，用于在试验中模拟水升华器工作的真空环境。透明玻璃罩真空罐102用于进行水升华器的可视化试验研究，便于全方位地观察试验现象；当透明玻璃罩真空罐102不能容纳被测试的水升华器时，由不锈钢真空罐101容纳水升华器进行测试；所述不锈钢真空罐101的两端带有对称的观察窗，其视野能够覆盖整个安装平台；

储箱3为水升华器的工质存储装置，用于在水升华器工作时，为水升华器提供所需的水工质；质量测量装置5用于在试验前、后测量水升华器部件的质量，得到试验前、后的质量差；质量测量装置5还用于测量储箱3的储水量、储箱3的剩余水量，由此得到储水减少量，用于计算水升华器的实际耗水量和散热功率；储箱3的出水口依次串联压力调节装置10、一个隔离阀和流量测量装置403后分成两路，一路串接一个隔离阀后与透明玻璃罩真空罐102内的水升华器的进水口相连通，另一路串接一个隔离阀后通过密封口接到不锈钢真空罐101中，当水升华器置于不锈钢真空罐101进行试验时，对其进行供水；其中的压力调节装置10用于根据不同水升华器的需要对储箱3向水升华器输出工质的压力进行调节；流量质量装置用于实时测量并记录储箱3为水升华器的供水质量流量，用于试验结束后对水升华器的水利用效率进行分析，以及试验过程中用于实时观测水升华器工质的消耗情况。

真空机组2用于分别通过隔离阀与其相连通的透明玻璃罩真空罐102和不锈钢真空罐101抽真空，模拟太空的真空度；

温度测量装置401包括三个温度测试端，其中的一个测试端对储箱3中的工质温度和储箱(3)上的功率加载装置温度进行测试，另外两个测量端分别通过穿墙插头连接到透明玻璃罩真空罐102和不锈钢真空罐101中，对其中测试对象的温度进行测试，温度测量装置401将测得的温度数据实时传输回与其连接的数据采集处理系统；

压力测量装置402的两个测量端分别对透明玻璃罩真空罐102和不锈钢真空罐101的真空度进行测量，并将测量值输出至数据采集与处理系统7；

功率加热装置对储箱3和水升华器底板进行加热，分别用于模拟航天器中的水升华器工质的温度变化以及航天器热控系统的温度变化；功率加热装置的输出功率由与其相连的程控电源9控制；

安装平台有两个，分别置于透明玻璃罩真空罐102和不锈钢真空罐101中，用于固定水升华器，并通过改变水升华器安装面的倾斜角度来模拟水升华器在航天器不同姿态时所处于的不同角度；

液氮冷阱12置于真空机组2的工作入口处，用于对从透明玻璃罩真空罐102或不锈钢真空罐101排出的蒸汽进行冷凝，辅助真空机组2维持两者的真空度；

高速摄像机布置在透明玻璃罩真空罐102或不锈钢真空罐101内部，用于对水升华器的正常工作状态和失效后的实验现象进行监测；

数据采集与处理系统7对采集到的水升华器不同工作模式对应的压力和温度进行采集并存储，用于对水升华器工作性能进行分析。

进行水升华器试验前，将水升华器的组件分别使用质量测量装置5进行测量，记录每个组件的质量。然后在超净室内对水升华器进行组装，并固定在真空室内进行相应的测试试验。试验结束后，将水升华器的组件分别拆开，再对其组件质量分别测量一次，得到各个组件在试验前后的质量差值，由此可分析得到各个组件在试验过程中是否生成多余物质或者是否发生腐蚀。

进行水升华器试验时，将温度测量装置401中的热电偶分别布置在水升华器的底板和储箱3上；根据被测对象水升华器的大小及不同的试验需求，将被测试对象水升华器固定于透明玻璃罩真空罐102或常规的不锈钢真空罐101中。对水升华器所在的真空罐进行密封，开启真空机组2对真空室进行抽真空，并维持一定的输出压力。控制程控电源9开启功率加载装置6，对水升华器底板和储箱3的温度进行调控，当压力测量装置402显示的真空罐内压力和温度以及储箱3中的温度满足试验要求后，开启储箱3的阀门为水升华器供水，供水的质量流量由流量测量装置进行实时测量并记录。水升华器工作过程中的温度数据将由温度测量装置401进行实时监测并记录，水升华器工作过程中排放至真空罐内的水蒸气通过液氮冷阱12时被部分冷凝，未被冷凝的部分水蒸气由真空机组2抽出，由此可以使真空罐维持一定的压力。在试验过程中，高速摄像机对升华器的正常工作状态和失效后的实验现象进行监测。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水升华器性能测试系统，其特征在于，包括透明玻璃罩真空罐（102）、不锈钢真空罐（101）、真空机组（2）、储箱（3）、压力测量装置（402）、温度测量装置（401）、流量测量装置（403）、质量测量装置（5）、功率加载装置（6）、数据采集与处理系统（7）、程控电源（9）、压力调节装置（10）、高速摄像系统（11）、液氮冷阱（12）和安装平台；

其中，所述质量测量装置（5）用于在试验前、后测量水升华器各部件的质量，得到各部件试验前、后的质量差；质量测量装置（5）还用于测量储箱（3）在水升华器试验前、后的储水量；

所述安装平台有两个，分别置于透明玻璃罩真空罐（102）和不锈钢真空罐（101）中，用于固定水升华器，并可以通过改变水升华器安装面的安装角度来模拟水升华器在航天器不同姿态时所处于的不同角度；

所述透明玻璃罩真空罐（102）和不锈钢真空罐（101）用于在试验中模拟水升华器工作的真空环境；当透明玻璃罩真空罐（102）不能容纳被测试的水升华器时，由不锈钢真空罐（101）容纳水升华器进行测试；不锈钢真空罐（101）的两端带有对称的观察窗，其视野能够覆盖整个安装平台，使工作人员通过该观察窗观察水升华器的工作状态；

所述真空机组（2）用于对分别通过隔离阀与其相连通的透明玻璃罩真空罐（102）和不锈钢真空罐（101）抽真空，模拟太空的真空度，为水升华器试验提供真空环境；

所述功率加热装置可对储箱（3）和水升华器底板进行加热，分别用于模拟航天器中的水升华器工质的温度变化以及航天器热控系统的温度变化；功率加热装置的输出功率由与其相连的程控电源（9）控制；

所述储箱（3）为水升华器的工质存储装置，用于在水升华器工作时，为水升华器提供所需的工质；储箱（3）的出水口依次串联压力调节装置（10）、一个隔离阀和流量测量装置后分成两路，其中一路串接一个隔离阀后与透明玻璃罩真空罐（102）内的水升华器的进水口相连通，另一路串接一个隔离阀后通过密封口接到不锈钢真空罐（101）中，与不锈钢真空罐（101）内的水升华器的进水口相连通；其中的压力调节装置（10）用于根据不同水升华器的需要对储箱（3）向水升华器输出工质的压力进行调节；其中的流量质量装置用于实时测量并记录储箱（3）为水升华器的供水质量流量；

所述温度测量装置（401）包括三个温度测试端，其中的一个测试端用于对储箱（3）中的工质温度和储箱(3)上的功率加载装置温度进行测试，另外两个测量端分别通过穿墙插头连接到透明玻璃罩真空罐（102）和不锈钢真空罐（101）中对其中测试对象的温度进行测试，温度测量装置（401）将测得的温度数据实时传输回与其连接的数据采集处理系统（7）；

所述压力测量装置（402）的两个测量端分别对透明玻璃罩真空罐（102）和不锈钢真空罐（101）的真空度进行测量，并将测量值输出至数据采集与处理系统（7）；

所述液氮冷阱（12）有两个，分别置于真空机组（2）和透明玻璃罩真空罐（102）、真空机组（2）和不锈钢真空罐（101）之间的管路上，用于对从透明玻璃罩真空罐（102）或不锈钢真空罐（101）排出的蒸汽进行冷凝，辅助真空机组（2）维持两者的真空度；

所述高速摄像系统（11）布置在透明玻璃罩真空罐（102）或不锈钢真空罐（101）内部，用于对水升华器的正常工作状态和失效后的实验现象进行监测；

所述的数据采集与处理系统（7）对采集到的水升华器不同工作模式对应的压力、工质流量和温度进行采集并存储，用于对水升华器工作性能进行分析。