CN103600851A - 航天器真空热试验高热流模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间环境模拟室内的航天器真空热试验的高温度高热流模拟器，主要包括红外灯阵、高温隔热组件单元、移动单元、温度测量单元和温度控制单元，其中，红外灯阵中的红外灯管带有反射屏，多支红外灯按热流密度和均匀性要求排列组合成红外灯阵，红外灯阵四周围绕有档板，在红外灯与安装底板、挡板之间加装高温多层隔热组件，将高温区域限制在试件被照面和红外灯阵高温隔热组件围成的区域内。本发明通过红外灯阵和高温隔热组件单元的独特设计，解决了航天器进行真空热试验时高温、高热流模拟的技术难点，在深空探测和天地往返等系列航天器进行真空热试验时，能够模拟高温、高热流空间环境，使航天器得到考核。

Description

航天器真空热试验高热流模拟器

技术领域

本发明属于航天器地面真空热试验领域，具体来说，本发明涉及一种用于航天器及其部组件在地面进行的高温、高热流真空热试验用热模拟系统，考核热载荷对航天器结构的热匹配、耐热等性能。

背景技术

航天器热真空试验是在规定的真空与热循环条件下验证航天器各种性能与功能的试验。它是航天器正样研制阶段多项环境模拟试验中的重要试验之一。试验的主要目的是使航天器在真空与热循环条件下暴露航天器的材料和制造工艺缺陷、排除早期失效，从而大大提高了航天器在轨运行的可靠性。

在航天器热真空试验中，除了要模拟真空条件外，还要对航天器上组件的温度进行控制，能否按规定的温度要求进行热循环，将引起航天器过试验和欠试验。过试验可能使航天器上某些仪器设备损坏或缩短工作寿命，欠试验则可导致航天器上某些仪器设备得不到应有的考验。

天地往返飞行器再入时由于气动加热，表面温度极高。高温风洞试验只能考核表面热防护材料的性能，不能模拟再入期间舱内载荷所处的热环境。必须利用红外加热方法模拟舱体表面高温边界的方法，实现在真空或低气压环境下能够将防热瓦表面加热到规定的温度。为了保证天地往返飞行器防热结构设计的完整性和可靠性，需要大量开展部件级、系统级的结构热试验项目。

深空探测系列卫星着陆器的发动机大部分位于探测器内部，点火工作时发动机燃烧室和喷管的温度很高，需要利用高温隔热屏进行隔热，减小发动机高温对着陆器本体的加热影响。着陆器发动机和推力器工作时，附近多层隔热组件的外热流增加，温度升高。为验证这些发动机工作时多层隔热组件的性能，需要进行真空条件下的隔热性能试验，持续改进高温隔热屏的隔热性能，为此，提供一种用于航天器及其部组件在地面进行的高温、高热流真空热试验用的模拟器和模拟方法非常必要。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种用于航天器及其部组件的在地面进行高温、高热流真空热试验用的模拟器。在真空、低温环境下能够将试件的温度控制在-100℃-1400℃范围内的任意温度值上并维持，在达到规定的维持时间后，关闭程控电源的输出功率，将红外灯阵及其高温隔热组件单元移离试件，让试件通过空间环境模拟器的冷背景快速降温以防止过试验。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于空间环境模拟室内的航天器真空热试验的高温度高热流模拟器，主要包括设置在试件被照面下方的红外灯阵、高温隔热组件单元、移动单元、温度测量单元和温度控制单元，其中，红外灯阵中的红外灯管带有反射屏，红外灯采用程控电源供电，多支红外灯按热流密度和均匀性要求排列组合成红外灯阵，红外灯固定在红外灯阵的安装底板上，红外灯阵四周围绕有档板，安装底板和挡板的材料为导热差的不锈钢且为高反射率状态，红外灯的接线端子设置在挡板外，在红外灯与安装底板、挡板之间加装高温多层隔热组件，将高温区域限制在试件被照面和红外灯阵高温隔热组件围成的区域内，安装底板通过支撑架设置在下方的移动单元上，温度测量单元对真空容器内的试件各测量点以及温度控制点进行温度测量并将测量结果反馈给温度控制单元，温度控制单元根据测量结果控制红外灯阵中各红外灯管的供电，来模拟需要的真空热试验高温环境，其中，高温隔热组件单元包括若干个高温多层，每个高温多层由覆盖层、反射屏和间隔层组成，覆盖层为一层不锈钢箔，反射屏为两层不锈钢箔叠加四层镍箔，间隔层为六层硅酸铝布。

其中，红外灯阵的供电电缆穿过真空容器壁上的法兰引出到程控电源的输出端，每支红外灯由一台程控电源供电。

其中，温度测量单元包括数据采集仪器、热电偶测温用的参考点装置和测量电缆，试验时，在试件上安装多支热电偶，热电偶测温用的温度参考点装置放置在真空容器内，热电偶丝在真空容器内经过热电偶参考点装置后将转换为铜导线，用铜导线将热电偶测量信号通过真空容器壁上的法兰引出到数据采集仪器的输入端。

其中，试件的被照面与红外灯阵辐照面平行且紧贴红外灯阵四周挡板，热电偶测温采用内置温度参考点。

其中，用于移动红外灯阵和高温隔热组件的移动单元，包括运动控制器，驱动电机，导轨、运动平台和位置传感器。

本发明通过红外灯阵和高温隔热组件单元的独特设计，解决了航天器进行真空热试验时高温、高热流模拟的技术难点，在深空探测和天地往返等系列航天器进行真空热试验时，能够模拟高温、高热流空间环境，使航天器得到考核。

附图说明

图1为航天器真空热试验的高温度高热流模拟器工作流程示意图；

图2未航天器真空热试验的高温度高热流模拟器结构示意图。

其中，1为安装底板；2为高温隔热组件单元；3为移动单元；4为挡板；5为试验件；6为红外灯阵。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本发明的用于空间环境模拟室内的航天器真空热试验的高温度高热流模拟器的结构图如图1、图2所示，本发明的高温度高热流模拟器，主要包括红外灯阵6高温隔热组件单元2、移动单元3、温度测量单元7、温度控制单元8，红外灯阵6中的红外灯管带有反射屏，红外灯采用程控电源供电，多支红外灯按热流密度和均匀性要求排列组合成红外灯阵6，红外灯固定在红外灯阵6的安装底板1上，红外灯阵6四周围绕有档板4，安装底板1和挡板4的材料为导热差的不锈钢且为高反射率状态，红外灯的接线端子设置在挡板4外，在红外灯与安装底板1、挡板4之间加装高温多层隔热组件单元2，将高温区域限制在试件被照面和红外灯阵6的高温隔热组件单元2围成的区域内，安装底板1通过支撑架设置在下方的移动单元3上，温度测量单元7对真空容器内的试件各测量点以及温度控制点进行温度测量并将测量结果反馈给温度控制单元8，温度控制单元8根据测量结果和目标温度值的差值，按照给定的控制算法计算出每支红外灯所需的功率，控制程控电源的输出功率。通过穿过真空容器壁上的法兰的供电电缆将程控电源的输出功率输送到红外灯阵，达到控制红外灯阵6中各红外灯管的供电大小，每支红外灯由一台程控电源供电，从而单独控制来模拟需要的真空热试验高温环境，其中，高温隔热组件单元2包括若干个高温多层，每个高温多层由覆盖层、反射屏和间隔层组成，覆盖层为一层不锈钢箔，反射屏为两层不锈钢箔叠加四层镍箔，间隔层为六层硅酸铝布。

在一具体实施方式中，本发明可采用常规的温度测量单元，包括数据采集仪器、热电偶测温用的参考点装置和测量电缆，试验时，在试件上安装多支热电偶，热电偶测温用的温度参考点装置放置在真空容器内，热电偶丝在真空容器内经过热电偶参考点装置后将转换为铜导线，用铜导线将热电偶测量信号通过真空容器壁上的法兰引出到数据采集仪器的输入端。

在一具体实施方式中，试件的被照面与红外灯阵辐照面平行且紧贴红外灯阵四周挡板，热电偶测温采用内置温度参考点。

其中，移动单元可以采用常规的结构，用于移动红外灯阵和高温隔热组件的移动单元，包括运动控制器，驱动电机，导轨、运动平台和位置传感器。其控制过程即驱动电机驱动运动平台在导轨上滑动，通过位置传感器与控制器控制运动平台的位置。

在具体实施过程中，根据试验件的大小和试验温度值及温度均匀性要求设计和加工红外灯阵及其高温隔热组件单元。即根据试验件的大小和试验温度值及温度均匀性要求计算出红外灯阵需要的热流密度，按热流密度和均匀性要求计算出红外灯阵所需的红外灯数量及其排列组合方式。

在一具体实施方式中，高温隔热组件也可以采用高纯碳毡或石墨毡材料制成。

根据试件温度测量要求，设计调试温度测量单元。即在试件上安装多支测温热电偶，热电偶测温温度参考点（冷端）设置在空间环境模拟室内，热电偶丝在空间环境模拟室内经过热电偶参考点装置（冷端）后转换为铜导线，用铜导线将热电偶测量信号通过真空容器壁上的法兰引出到数据采集仪器的输入端。不需要将热电偶丝直接引出到空间环境模拟室外。测量程序按照要求的采样周期实时从数据采集仪器上采集热电偶电压信号和布在热电偶温度参考点装置内铂电阻的电阻值，程序根据热电偶和铂电阻的分度表计算得到试件上的温度值。并将测量结果保存在计算机的硬盘上实现数据共享。

根据红外灯阵的红外灯数量，配置程控电源、一支红外灯配备一台程控电源，温度控制器（计算机）和程控电源连接在LAN局域网内，程控电源的输出端通过加热电缆与空间环境模拟室内的红外灯接线端子连接。温度控制器一方面通过人机交互界面接收并解析试验的目标温度值及温度维持时间。一方面实时读取温度测量单元获取的试件实时温度值，采用选定的控制算法调节程控电源的输出功率，使试件温度达到并维持在目标温度值上。在达到温度维持时间后，关闭程控电源。在程控电源关闭后，将红外灯阵及其高温隔热组件单元移离试件，让试件快速降温以防止过试验。

控制器调节程控电源输出功率采用并行驱动模式，即采用多线程驱动，达到快速驱动，缩短控制周期的目的。

在红外灯阵及其高温隔热组件单元，温度测量单元和温度控制单元准备完成后即可以进行试验，试验过程如下：

将试件和红外灯阵及其高温隔热组件单元安装在空间环境模拟器内。将红外灯阵及其高温隔热组件单元安装在红外灯阵及其高温隔热组件移动单元上，试件安装在空间环境模拟器内的支撑机构上，试件的被照面与红外灯阵辐照面平行且紧贴红外灯阵四周挡板，红外灯阵的供电电缆穿过真空容器壁上的法兰引出到程控电源的输出端，每支红外灯由一台程控电源供电。在试件上安装多支测温热电偶，热电偶测温采用内置温度参考点（冷端），热电偶测量信号通过真空容器壁上的法兰引出到数据采集仪器的输入端。试验时空间环境模拟器内维持真空、低温环境，采用红外灯阵作为加热热源，用高温隔热组件进行隔热、用热电偶作为测温传感器，温度测量单元进行温度测量，温度控制单元采用闭环控制方法，根据温度测量单元测得的温度值与目标温度值的差值调节红外灯阵的加热功率，使试件温度达到并维持在目标温度值上。在达到温度维持时间后，关闭程控电源的输出功率，将红外灯阵及其高温隔热组件单元移离试件，让试件快速降温以防止过试验。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.用于空间环境模拟室内的航天器真空热试验的高温度高热流模拟器，主要包括设置在试件被照面下方的红外灯阵、高温隔热组件单元、移动单元、温度测量单元和温度控制单元，其中，红外灯阵中的红外灯管带有反射屏，红外灯采用程控电源供电，多支红外灯按热流密度和均匀性要求排列组合成红外灯阵，红外灯固定在红外灯阵的安装底板上，红外灯阵四周围绕有档板，安装底板和挡板的材料为导热差的不锈钢且为高反射率状态，红外灯的接线端子设置在挡板外，在红外灯与安装底板、挡板之间加装高温多层隔热组件，将高温区域限制在试件被照面和红外灯阵高温隔热组件围成的区域内，安装底板通过支撑架设置在下方的移动单元上，温度测量单元对真空容器内的试件各测量点以及温度控制点进行温度测量并将测量结果反馈给温度控制单元，温度控制单元根据测量结果控制红外灯阵中各红外灯管的供电，来模拟需要的真空热试验高温环境，其中，高温隔热组件单元包括若干个高温多层，每个高温多层由覆盖层、反射屏和间隔层组成，覆盖层为一层不锈钢箔，反射屏为两层不锈钢箔叠加四层镍箔，间隔层为六层硅酸铝布。

2.如权利要求1所述的模拟器，其中，红外灯阵的供电电缆穿过真空容器壁上的法兰引出到程控电源的输出端，每支红外灯由一台程控电源供电。

3.如权利要求1所述的模拟器，其中，温度测量单元包括数据采集仪器、

热电偶测温用的参考点装置和测量电缆，试验时，在试件上安装多支热电偶，热电偶测温用的温度参考点装置放置在真空容器内，热电偶丝在真空容器内经过热电偶参考点装置后将转换为铜导线，用铜导线将热电偶测量信号通过真空容器壁上的法兰引出到数据采集仪器的输入端。

4.如权利要求1-3任一项所述的模拟器，其中，试件的被照面与红外灯阵辐照面平行且紧贴红外灯阵四周挡板，热电偶测温采用内置温度参考点。

5.如权利要求4所述的模拟器，其中，用于移动红外灯阵和高温隔热组件的移动单元，包括运动控制器，驱动电机，导轨、运动平台和位置传感器。

Images