CN103318427B - 一种空间环境模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间环境模拟试验系统，该空间环境模拟试验系统包括环境模拟容器、真空系统、氦气供应系统、液氮/气氮供应系统、低温制冷机系统、低温阀箱、若干组电加热器以及测量控制系统，所述环境模拟容器分别连接所述液氮/气氮供应系统、所述真空系统、所述氦气供应系统和所述低温阀箱，所述低温阀箱还连接所述制冷机系统，且所述若干组电加热器设置在所述环境模拟器的外壁面上，通过液氮较大的气化潜热和大温差下的显热将测试物冷却至液氮温区，再利用低温制冷机系统提供的冷气氦实现液氮温区以下的深冷要求，并根据测量控制系统的目标温度精确控制，利用电加热器以及辐射和自然对流的形式进行复温及高温试验。

Description

一种空间环境模拟试验系统

技术领域

本发明涉及空间环境测试领域，尤其涉及一种空间环境模拟试验系统。

背景技术

空间环境模拟试验系统是检测航天设备及其组件在空间环境下或者极端恶劣条件下安全性和可靠性的重要系统。通过地面的空间环境模拟试验系统，在设备离开地球之前，模拟和验证设备在极端高低温环境中静态和大速率动态温变条件下的可靠安全性是十分必要的。

一般空间环境模拟试验系统采用液氮或其他低温流体为冷源进行空间环境冷却模拟，如申请号为“200810188293.5”，名称为“空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统”的中国专利，采用液氮和酒精双介质兼容，并能安全切换的热沉系统，通过两种介质的切换使热沉的温度从-163℃—+50℃间可以调节，但是却无法满足低于液氮温区的深冷环境的需求。

另外，目前的热环境空间模拟试验系统基本上都采用高真空条件下低温热沉或电加热热屏来实现内部被测样品的降温或升温，其温度变化过程缓慢，如申请号为“201010624600.7”，公开了名称为“一种小型月球环境综合模拟系统”的中国专利，其主要由真空系统、热循环系统、月尘模拟系统、辐射环境模拟系统以及监控系统组成。其真空系统解决了在抽真空和真空保持过程中月尘模拟物损坏真空泵的问题，提高了真空系统的使用寿命；其月尘模拟系统解决了月球表面月尘环境的模拟问题。该系统在一个真空室内集成了高低温循环、月尘、真空紫外、电子辐射等多个环境因素模拟能力，可以对其中的某单一因素进行模拟试验，也可以进行多个因素的综合模拟试验。且该专利其试验舱内真空度达到10^-4Pa,利用辐射传热模拟月球高低温环境，无法满足大升降温速率的要求。

因此，为了克服以上在大升降温速率和深冷环境条件下无法试验的缺陷，提供一种可实现低于液氮温度深冷条件的，且具有高变温速率和高温度均匀性的高低温空间环境模拟试验系统已为急需。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种液氮冷却和深冷低温制冷机冷却相结合，并用电加热器复温的，能够满足液氮温区的深冷要求以及大升降温速率的空间环境模拟试验系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间环境模拟试验系统，其包括环境模拟容器、真空系统、氦气供应系统、液氮/气氮供应系统、制冷机系统、低温阀箱、若干组电加热器以及测量控制系统；其中，所述环境模拟容器分别连接所述液氮/气氮供应系统、所述真空系统、所述氦气供应系统和所述低温阀箱，所述低温阀箱还连接所述制冷机系统，且所述若干组电加热器设置在所述环境模拟器的外壁面上，通过所述液氮/气氮供应系统提供的液氮较大的气化潜热和大温差下的显热以及制冷机系统提供的冷气氦实现液氮温区以下深冷要求，并根据所述测量控制系统的目标温度精确控制，利用电加热器进行复温及高温试验。

较佳地，所述环境模拟容器包括舱体内外筒体、液氮冷屏和热沉；所述舱体内外筒体组成高真空绝热夹层，所述液氮冷屏位于所述高真空绝热夹层之间，所述热沉位于所述舱体内外筒体的内部;且该热沉是有分别可以通入液氮和冷气氦的液氮管路和低温氦气管路的两个相邻管路组成。

较佳地，所述真空系统包括罗茨泵、分子泵和手动真空蝶阀，由所述罗茨泵对所述环境模拟容器的舱体抽真空，使真空度达到10^-1Pa；并利用真空系统中包括的预留接口，以所述分子泵和所述罗茨泵相结合的形式通过所述预留接口对所述环境模拟器的高真空绝热夹层抽真空，使高真空绝热夹层的真空度为10^-2Pa。

较佳地，所述氦气供应系统包括氦气钢瓶组、氦气回收空钢瓶组，所述氦气钢瓶组设置有截止阀，通过对所述截止阀的控制，由所述氦气钢瓶组向环境模拟器往复若干次充入低压氮气，并由所述氦气回收钢瓶组回收低压氦气。

较佳地，所述液氮/气氮供应系统包括若干低温液氮储槽、液氮阀箱、增压器、水浴汽化器、空浴气化器和低温保温管路，所述液氮阀箱设置有低温截止阀，打开所述低温截止阀，使液氮通过空浴气化器气化为低温氮气，对所述环境模拟容器初步冷却；所述低温液氮储槽通过增压器对液氮进行自增压并由所述低压保温管路对所述环境模拟容器输送液氮进行冷却。

较佳地，所述低温液氮储槽至少包括两个低温液氮储槽，分别为一工作罐和一回收罐，且所述工作罐和所述回收罐可相互切换使用。

较佳地，所述制冷机系统包括一制冷机和一冷水机组，通过所述制冷机和所述冷水机组对所述环境模拟容器降温，使所述环境模拟容器的温度达到深冷要求。

较佳地，所述低温阀箱为真空保温结构，通过所述低温阀箱的阀门切换调控所述制冷机，调节制冷量的输出。

较佳地，所述若干组电加热器至少包括五组电加热器，其中四组电加热器通过可控硅控制，另外一组电加热器通过调压器控制；所述每组电加热器都沿所述热沉轴向均匀设置，且与其他各组电加热器交错放置；保证热量的均匀输入，并有利于环境模拟容器内工作空间温度的均匀性。

较佳地，所述测量控制系统采用图形化开发语言编辑测控界面程序，并采用相应的数据采集仪；本地控制采用PLC实现，且所述测量控制系统可独立完成测控任务，并通过串行通讯与外部中央控制台进行通信。

较佳地，一种空间环境模拟试验方法，利用如权利要求1所述的空间环境模拟试验系统对空间环境进行模拟试验，其步骤包括：

1）气体置换步骤：首先，开启真空系统中的罗茨泵和手动真空蝶阀，由真空系统将环境模拟器内气体抽出，达到真空度10^-1Pa，关闭手动真空蝶阀，并由氦气供应系统的氦气钢瓶组向环境模拟器中充入低压氦气1KPa；再次打开罗茨泵和手动真空蝶阀，将环境模拟容器的舱内气体抽出，如此往复置换环境模拟容器内气体三次，实现系统内气体纯化，最终由氦气供应系统向空间环境模拟容器充入低压氦气90KPa，使试验舱内处于轻度真空状态；

2）液氮降温步骤：通过液氮/气氮供应系统将液氮气化为低温氮气，并用低温氮气通过辐射和自然对流的形式实现对舱内氦气和测试物进行初步冷却；当舱内冷却至150K之后，关闭空浴气化器，调节液氮阀箱的低温截止阀，使液氮直接进入液氮冷屏和热沉，对舱体进一步冷却至85K使降温至液氮温区；

3）氦气降温步骤：打开氦气供应系统中氦气钢瓶组的截止阀，利用氦气吹除热沉内的液氮，停止氦气供给，并开启制冷机系统中的冷水机组，延时满负荷开启低温制冷机，低温氦气经过低温阀箱和低温保温管进入热沉，对环境模拟容器进一步冷却，将测试物冷却至68K，达到液氮温区的深冷环境；

4）低温保温步骤：根据温度传感器确定制冷机变频冷量的输出以及安装在热沉外壁面的电加热器的功率输出，并根据需要开启电加热器，实现目标温度精确控制，使液氮不断补充进入液氮冷屏，以维持环境模拟容器的绝热保温性能；

5）复温或升温步骤：关闭制冷机和液氮储槽阀门，开启电加热器，并通过辐射和自然对流对舱内气体和试验物进行加热，达到复温及高温要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明利用液氮/气氮供应系统液氮冷却与制冷机系统提供的低温氦气冷却相结合的方式将换将模拟容器的温度降至深冷温度，以满足空间环境对深冷温区的需要，并且采用电加热器进行复温，实现高低温空间环境的转换。

2、本发明通过辐射传热以及自然对流传热的方式使系统实现68K-373K高低温交变试验环境，大大减少了工作过程，能够满足大升降温速率的要求，且平均升降温速率较高，达到±3K/min-±10K/min的速度；并且采用真空保温结构的低温阀箱，有效调节制冷机系统的制冷量的输出。

3、本发明设计的液氮/气氮供应系统利用包括工作罐和回收罐的低温液氮储槽，实现液氮的回收和利用，且可以相互转换，大大减少了液氮浪费；且利用液氮较大的气化潜热和大温差下的显热将测试物冷却至液氮温区，操作性强，技术成熟，大大降低了成本。

4、本发明采用测量控制系统，实现目标温度的精确控制，使制冷机的输出冷量通过测量控制系统控制输出，同时控制液氮不断补充进入液氮冷屏，以维持环境模拟容器绝热保温性能。

附图说明

图1为本发明空间环境模拟试验系统的结构示意图。

符号列表：

A-环境模拟容器，B-真空系统，C-氦气供应系统，D-液氮/气氮供应系统，E-制冷机系统，F-低温阀箱；

1-舱体内外筒体，2-液氮冷屏，3-热沉，4-罗茨泵，5-分子泵，6-预留接口，7-氦气钢瓶组，8-氦气回收空钢瓶组，9-低温液氮储槽，10-低温液氮储槽，11-液氮阀箱，12-水浴汽化器，13-空浴气化器，14-制冷机，15-冷水机组。

具体实施方式：

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本技术领域的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。

现参考图1详细描述根据本发明实施的空间环境模拟试验系统，如图1所示，本发明提供的空间环境模拟试验系统，包括环境模拟容器A、真空系统B、氦气供应系统C、液氮/气氮供应系统D、制冷机系统E、低温阀箱F、若干组电加热器以及测量控制系统；其中，环境模拟容器A分别连接液氮/气氮供应系统D、真空系统B、氦气供应系统C和低温阀箱F，低温阀箱F还连接制冷机系统E，且若干组电加热器设置在环境模拟器A的外壁面上，通过液氮/气氮供应系统D提供的液氮较大的气化潜热和大温差下的显热以及制冷机系统E提供的冷气氦实现液氮温区以下深冷要求，并根据测量控制系统的目标温度精确控制，利用电加热器进行复温及高温试验。

其中，环境模拟容器A包括舱体内外筒体1、液氮冷屏2和热沉3；舱体内外筒体1组成高真空绝热夹层，液氮冷屏2由内侧焊接不锈钢板圆筒的不锈钢盘管构成，且位于高真空绝热夹层之间，热沉3为不锈钢管网和铜翅片结合的鱼骨式结构，且位于舱体内外筒体1的内部；真空系统B包括罗茨泵4、分子泵5、电磁挡板真空阀、密封式重锤安全阀和手动真空蝶阀、预留接口6，其中，利用罗茨泵4对环境模拟容器的舱体抽真空，达到真空度为10^-1Pa，预留接口6由法兰密封，需要时由分子泵5和罗茨泵4相结合的形式通过预留接口6对环境模拟器A的高真空绝热夹层抽真空，使高真空绝热夹层真空度为10^-2Pa；氦气供应系统C包括氦气钢瓶组7、氦气回收空钢瓶组8、减压器和安全阀，氦气钢瓶组7设置有截止阀，通过对截止阀的控制，由氦气钢瓶组7向环境模拟器A往复充入低压氦气，由氦气回收钢瓶组8回收低压氦气；液氮/气氮供应系统D包括一低温液氮储槽9作为工作罐、一低温液氮储槽10作为回收罐、液氮阀箱11、增压器、水浴汽化器12、空浴气化器13和低温保温管路，液氮阀箱11设置有低温截止阀，通过打开低温截止阀，使液氮通过空浴气化器13气化为低温氮气，对环境模拟容器A初步冷却，然后由低温液氮储槽9通过增压器对液氮进行自增压并由低压保温管路对环境模拟容器输送液氮进行冷却，；制冷机系统E包括一SPC-4T斯特林制冷机14和一冷水机组15，该SPC-4T斯特林制冷机14的低温泵分为第一级80K和第二级20K，通过控制真空保温结构的低温阀箱F切换SPC-4T斯特林制冷机14的两级回路，调节冷气氦的输出量，并对环境模拟容器A降温，使环境模拟容器A的温度达到深冷要求。

并且，该空间环境模拟试验系统的电加热器包括五组电加热器，该五组电热器的总功率为30W，其中四组电加热器通过可控硅控制，另外一组电加热器通过调压器控制，可以通过调压器对电加热器进行微调；其中每组电加热器都沿热沉3轴向均匀设置，且与其他各组电加热器交错放置；本发明实施的电加热器并不以此五组电加热器组进行限制，还可以以较多的电加热器进行复温需求。

另外，通过测量控制系统采用图形化开发语言编辑测控界面程序，并采用相应的数据采集仪；使本地控制采用PLC实现，且测量控制系统可独立完成测控任务，并通过串行通讯与外部中央控制台进行通信。

通过对各装置组成的空间环境模拟试验系统，将环境模拟容器作为试验舱，放入待测试物进行空间环境模拟试验，其具体步骤为：

1）气体置换步骤：首先，开启真空系统中的罗茨泵4和手动真空蝶阀，由真空系统B将环境模拟器A内气体抽出，达到真空度10-¹Pa，关闭手动真空蝶阀，并打开氦气供应系统C中氦气钢瓶组的截止阀，由氦气钢瓶组7向环境模拟器A中充入低压氦气1KPa，再次打开罗茨泵4和手动真空蝶阀，将环境模拟容器A舱内气体抽出，如此往复置换环境模拟容器A内气体三次，实现系统内气体纯化，最终打开氦气供应系统C中氦气钢瓶组7的截止阀，由氦气钢瓶组7向空间环境模拟容器A充入低压氦气90KPa，使试验舱内处于轻度真空状态；

2）液氮降温步骤：打开液氮/气氮供应系统D中液氮阀箱11的截止阀，用作工作罐的低温液氮储槽9通过自增压系统向低温保温管路输送液氮，通过液氮/气氮供应系统D将液氮气化为低温氮气，并用低温氮气通过辐射和自然对流的形式实现对舱内氦气和测试物进行初步冷却；当试验舱冷却至150K以后，关闭空浴气化器13，使液氮直接进入液氮冷屏2和热沉3，对试验舱进一步冷却至85K，使降温至液氮温区；由于热沉3和液氮冷屏2回路出口夹带或完全为液氮，可通过低温管路引致室外放空或通过调节回收进入用作回收罐的低温液氮储槽10，且当低压液氮工作罐中液氮消耗殆尽后，通过调节，将原先的低压液氮回收罐转为工作罐，提供液氮供给，由原来的低压液氮工作罐转为待用罐，回收液氮；

3）氦气降温步骤：为避免液氮继续降温使液氮固化膨胀导致热沉管道破裂，打开氦气供应系统C中氦气钢瓶组7的截止阀，利用氦气吹除热沉内的液氮，完成后关闭氦气供应，并开启制冷机系统E中的冷水机组15，延时满负荷开启低温SPC-4T斯特林制冷机14，使50K低温氦气经过低温阀箱F和低温保温管进入热沉3，对试验舱进一步冷却，将测试物冷却至68K附近，达到液氮温区的深冷环境；

4）低温保温步骤：根据温度传感器确定SPC-4T斯特林制冷机14变频冷量的输出以及安装在热沉3外壁面的电加热器的功率输出，并根据需要开启电加热器，实现目标温度精确控制，使液氮不断补充进入液氮冷屏2，以维持容器的绝热保温性能；

5）复温或升温步骤：关闭SPC-4T斯特林制冷机14和低温液氮储槽9，开启电加热器对试验舱进行加热，并通过辐射和自然对流对舱内气体和试验物进行加热，达到复温及高温要求。

本发明提供的空间环境模拟试验系统通过两种方式相互结合，将温度降至液氮温区的深冷环境，并满足了在电加热器加温以及辐射和自然对流加温的情况下，大升降温速率的要求，然而应该认识到，本发明并不以此为限，该空间环境模拟试验系统的液氮/气氮供应中低温液氮储槽并不以此为限，可以以相对多的工作罐和回收罐，使液氮的供给更加充足，实现较大环境的降温需求；且对试验舱往复置换气体的次数不以此为限，可根据试验舱进行调节使其处于真空环境。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。

Claims (8)

1.一种空间环境模拟试验系统，其特征在于，包括环境模拟容器、真空系统、氦气供应系统、液氮/气氮供应系统、制冷机系统、低温阀箱、若干组电加热器以及测量控制系统；其中，所述环境模拟容器分别连接所述液氮/气氮供应系统、所述真空系统、所述氦气供应系统和所述低温阀箱，所述低温阀箱还与所述制冷机系统相连接，且所述若干组电加热器设置在所述环境模拟器中热沉的外壁面上，通过所述液氮/气氮供应系统以及制冷机系统实现液氮温区以下深冷要求，并根据所述测量控制系统的目标温度精确控制，利用电加热器进行复温及高温试验；

所述环境模拟容器包括舱体内外筒体，所述舱体内外筒体组成高真空绝热夹层；

所述真空系统包括罗茨泵、分子泵和手动真空蝶阀，由所述罗茨泵对所述环境模拟容器的舱体抽真空；所述真空系统还设置有预留接口，以所述分子泵和所述罗茨泵相结合的形式通过所述预留接口对所述环境模拟器的高真空绝热夹层抽真空；

所述氦气供应系统包括氦气钢瓶组、氦气回收空钢瓶组，所述氦气回收空钢瓶组设置有截止阀，通过对所述截止阀的控制，由所述氦气钢瓶组向环境模拟器反复若干次充入低压氦气，并由所述氦气回收空钢瓶组回收低压氦气。

2.根据权利要求1所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述环境模拟容器包括液氮冷屏和热沉；所述液氮冷屏位于所述高真空绝热夹层之间，所述热沉位于所述舱体内外筒体的内部。

3.根据权利要求1所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述液氮/气氮供应系统包括若干低温液氮储槽、液氮阀箱、增压器、水浴汽化器、空浴气化器和低温保温管路，所述液氮阀箱设置有低温截止阀，打开所述低温截止阀，使液氮通过空浴气化器气化为低温氮气，由所述低温氮气对所述环境模拟容器初步冷却；所述低温液氮储槽通过增压器对液氮进行自增压并由所述低压保温管路对所述环境模拟容器输送液氮进行冷却。

4.根据权利要求3所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述低温液氮储槽至少包括两个低温液氮储槽，所述两个低温液氮储槽分别为一工作罐和一回收罐，且所述工作罐和所述回收罐可相互切换使用。

5.根据权利要求1所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述制冷机系统包括一制冷机和一冷水机组，通过所述制冷机和所述冷水机组对所述环境模拟容器降温，使所述环境模拟容器的温度达到深冷要求。

6.根据权利要求5所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述低温阀箱为真空保温结构，通过所述低温阀箱的阀门切换调控所述制冷机，调节制冷量的输出。

7.根据权利要求1所述的空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述若干组电加热器至少包括五组电加热器，其中四组电加热器通过可控硅控制，另外一组电加热器通过调压器控制；每组所述电加热器都沿所述热沉轴向均匀设置，且与其他各组电加热器交错放置。

8.一种空间环境模拟试验方法，利用如权利要求1所述的空间环境模拟试验系统对空间环境进行模拟试验，其特征在于，包括以下步骤：

1)气体置换步骤：首先，由真空系统将环境模拟容器内气体抽出，并由氦气供应系统向环境模拟器中充入低压氦气1KPa；如此往复置换环境模拟容器内气体三次，实现环境模拟容器内气体纯化，最终由氦气供应系统向环境模拟容器充入低压氦气90KPa，使试验舱内处于轻度真空状态；

2)液氮降温步骤：通过液氮/气氮供应系统将液氮气化为低温氮气，并用低温氮气通过辐射和自然对流的形式实现对舱内氦气和测试物进行初步冷却；之后调节液氮阀箱的低温截止阀，使液氮直接进入液氮冷屏和热沉，进一步降温至液氮温区；

3)氦气降温步骤：利用氦气吹除热沉内的液氮，并开启制冷机系统对环境模拟容器进一步冷却，将测试物冷却至液氮温区的深冷环境；

4)低温保温步骤：根据温度传感器确定制冷机变频冷量的输出以及安装在热沉外壁面的电加热器的功率输出，并根据需要开启电加热器，实现目标温度精确控制，使液氮不断补充进入液氮冷屏，以维持环境模拟容器的绝热保温性能；

5)复温或升温步骤：关闭制冷机和液氮储槽阀门，利用电加热器，并通过辐射和自然对流对舱内气体和试验物进行加热，达到复温及高温要求。