CN104015942A - 航天器真空热试验超高温度热流模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真空容器内的航天器真空热试验超高温度热流模拟系统，主要包括半圆柱形的石墨加热阵、高反射率高温隔热组件单元、石墨加热阵安装支架、超高温度测量单元、调功器功率控制单元，多支石墨加热棒按热流密度和均匀性要求排列组合成半圆柱形的石墨加热阵，石墨加热棒由石墨发热体和石墨电极组成，采用交流供电，接线电极引线穿过设置真空低温环境模拟容器的容器壁上的大电流穿舱供电法兰，并分别与温度测量单元和调功器功率控制单元电连接。本发明通过石墨加热阵、高反射率高温隔热组件单元、超高温度测量单元的独特设计，解决了空间环境模拟容器内1800℃以上温度的测量和控制、本发明也适用于各型航天器真空热试验中高温、高热流环境模拟需求。

Description

航天器真空热试验超高温度热流模拟系统

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空间环境模拟容器内进行的真空热试验中超高温、极高热流条件加热模拟系统。

背景技术

航天器真空热试验是航天器研制工作中的重要程序，一般分为航天器热平衡试验和航天器热真空试验两部分。通过航天器热平衡试验可以获取航天器温度分布数据和验证热设计的正确性以及修改热分析数学模型，检验航天器轨道飞行中的温度分布，并考核航天器热控分系统维持航天器组件、分系统和整个航天器在规定工作温度范围内的能力。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，可以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。

随着我国航天器型号任务增加，特别是在深空探测和天地往返飞行器的型号任务研制过程中，航天器及其组件会遇到高温热环境，最大热流密度可达420个太阳常数，最高温度达1800℃以上。为了能够完成此类试验任务，需要开展相关技术研究，在真空低温环境下进行高热流模拟和高温度控制，对相关材料和结构进行真空热试验考核。

天地往返飞行器再入大气时由于气动加热，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。必须研究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将防热瓦表面加热到1800℃。针对我国天地往返飞行器环境试验需求，开展真空低温环境下极高热流模拟技术研究，掌握极高热流模拟方法，掌握极高热流模拟、实现1600℃以上温度控制的试验能力非常必要。

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的超高温、极高热流真空热试验用的热流模拟系统。在真空、低温环境下能够实现极高热流施加、1800℃超高温度的实现和控制。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于真空容器内的航天器真空热试验的超高温度极高热流模拟系统，主要包括半圆柱形的石墨加热阵、高反射率高温隔热组件单元、石墨加热阵安装支架、超高温度测量单元、调功器功率控制单元，多支石墨加热棒按热流密度和均匀性要求排列组合成半圆柱形的石墨加热阵，石墨加热棒由石墨发热体和石墨电极组成，采用交流供电，半圆柱形的石墨加热阵安装在上部呈半圆柱体配合结构的石墨加热阵支架上，加热阵安装支架的周围均设置高反射率高温隔热组件单元，以封闭石墨加热阵加热区域并实现和外部环境绝热；高反射率高温隔热组件单元由若干层石墨毡隔热层和最内层的高反射率镜面钨板组成，石墨加热阵的接线电极设置在高反射率高温隔热组件单元外，加热阵安装支架架设在真空低温环境模拟容器内；测温引线和电极引线穿过设置于真空低温环境模拟容器的容器壁上的测温法兰和大电流穿舱供电法兰，分别与温度测量单元和调功器功率控制单元电连接，温度测量单元用于测量试件的测点温度，并将测量结果反馈给调功器功率控制单元，调功器功率控制单元根据测量结果调整石墨加热阵的供电电流来模拟所需要的加热热流，控制温度变化速率和试件目标温度。

其中，容器壁、供电穿舱法兰、接线电极均相互绝缘。

其中，温度测量通过高温钨-铼热电偶实现，高温热电偶通过固定于被测试件上，温度测量单元将热电偶测试结果反馈给调功器功率控制单元，调功器控制单元通过调节供电电流实现石墨加热阵功率控制。

其中，石墨加热阵均采用石墨材质，单根石墨加热棒安装在两块石墨安装板之间，两端采用带螺纹石墨电极拧紧固定，石墨电极和石墨安装板之间采用陶瓷柱绝缘。

其中，加热器加热电缆通过穿舱供电法兰连接，穿舱供电法兰上的供电接线柱与法兰绝缘，接线柱之间绝缘，穿舱供电法兰与真空低温环境模拟容器的容器壁绝缘。

其中，钨-铼热电偶可采取特种胶粘贴安装、石墨螺钉固定安装和喷涂固定安装三种方式。

其中，钨-铼热电偶采用真空低温环境模拟容器内置控温参考点方式，控制方式采用控温仪和远程计算机控制结合方式。

本发明通过石墨加热阵和高反射率高温隔热组件结合的结构设计，解决了航天器进行真空热试验时超高温极高热流模拟的技术难题，在模拟系统设计中解决了超高温度测量和控制、钨-铼热电偶高温环境下安装、大电流穿舱供电的难题。针对我国深空探测和天地往返航天器真空热试验需求，本发明能够实现极高热流的和1800℃超高温度的模拟，保证试验顺利开展。

附图说明

图1为本发明用于真空容器内的航天器真空热试验的超高温度极高热流模拟系统的结构示意图；

其中，1为石墨加热阵；2为高反射率高温隔热组件单元；3为石墨安装支架；4为超高温测量单元；5为调功器功率控制单元；6为真空低温环境模拟容器；7为大电流穿舱供电法兰，8为测温穿舱法兰。

图2为本发明的用于真空容器内的航天器真空热试验的超高温度极高热流模拟系统的电连接示意图。

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，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。

本发明是用于真空低温环境模拟容器内的航天器真空热试验的超高温度极高热流模拟系统，结构图如图1所示，

本发明的超高温度极高热流模拟系统，主要包括半圆柱形的石墨加热阵1、高反射率高温隔热组件单元2、石墨加热阵安装支架3、超高温度测量单元4、调功器功率控制单元5，多支石墨加热棒按热流密度和均匀性要求排列组合成半圆柱形的石墨加热阵1，石墨加热棒由石墨发热体和石墨电极组成，采用交流供电，半圆柱形的石墨加热阵1设置在上部呈半圆柱体结构的石墨加热阵安装支架3上，加热阵安装支架3的周围均设置高反射率高温隔热组件单元2，以封闭石墨加热阵1并和外部绝热，高反射率高温隔热组件单元由若干层石墨毡隔热层和最内层的高反射率镜面钨板组成，石墨加热阵的接线电极设置在高反射率高温隔热组件单元2外，加热阵安装支架3架设在真空低温环境模拟容器6内，温度测量接线和电极引线穿过设置真空低温环境模拟容器6容器壁上的测温穿舱法兰8和大电流穿舱供电法兰7，并分别与温度测量单元4和调功器功率控制单元5电连接，温度测量单元4用于测量试件的测点温度，并将测量结果反馈给调功器功率控制单元5，调功器功率控制单元5根据测量结果通过调整石墨加热阵的供电电流来模拟所需要的加热热流，控制温度变化速率和试件目标温度。

在一实施方式中，石墨加热阵的安装结构框架均采用了石墨材质，保证强度的同时可以耐受高温，单根石墨加热棒安装在两块石墨安装板之间，两端采用带螺纹石墨电极拧紧固定，石墨电极和石墨安装板之间采用陶瓷柱绝缘。

在一实施方式中，高反射率高温隔热组件单元由若干层石墨毡隔热层和最内层的高反射率镜面钨板组成，其中隔热层也可采用其它材质隔热材料。

在一实施方式中，加热器加热电缆通过专用穿舱供电法兰连接，穿舱供电法兰上的供电接线柱与法兰绝缘，接线柱之间绝缘，穿舱供电法兰与环境模拟容器壁绝缘。

在一实施方式中，温度测量单元采用了钨-铼热电偶内置参考点的方式，其中，钨-铼热电偶可以采用特种胶粘贴安装、石墨螺钉固定安装或喷涂固定安装方式。钨-铼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穿过容器壁上的测量穿舱法兰引出到控温仪，远程测量计算机再从控温仪读取温度，进行实时显示。

在一实施方式中，钨-铼热电偶测温采用内置温度参考点方式。

具体实施时，根据试验件大小、试验温度、热流大小要求进行石墨加热阵设计和加工，根据试验件的物性、试验温度、热流大小要求计算出所需石墨阵加热热流密度，按热流密度要求计算出石墨加热阵所需的石墨棒的阻值、数量及其结构安装方式。

根据超高温度测量需求，设计了钨-铼热电偶温度测量单元。使用时在试件上采用超高温条件下热电偶安装工艺安装多支测温热电偶，钨-铼热电偶测温温度参考点设置在空间环境模拟室内，钨-铼热偶丝在容器内经过测温参考点装置后转换为铜线引出，热电偶测量信号通过焊接到容器壁穿舱法兰上的铜线传输到控温仪输入端。远程测量计算机和控温仪实时通讯获取试件温度，并在测量计算机实时显示测量结果并保存。

根据石墨加热阵中石墨加热棒的数量，配置调功器功率控制单元，若干根石墨加热棒以串并联的方式为一组，通过调功器控制输出电压进行功率调节，实际输出电压为0～110V可调交流电压。调功器的实际控制方式可采用控温仪控制或远程计算机算法控制，通过超高温数据采集单元反馈的温度数据，采用选定的控温仪或控制算法调节调功器输出电压来调整加热器输出热流密度，以达到试件所需的目标温度或热流值。

超高温极高热流模拟系统在真空低温环境模拟容器中进行试验的实际过程如下：

试验件安装在加热阵底部固定支架上，安装钨-铼超高温测量热电偶，热偶丝引出加热阵外部，再安装石墨加热阵至安装支架上，然后分别安装顶面、侧面和底面高反射率高温隔热组件。加热系统组装完成后，整体推入真空低温环境模拟容器内固定安装。石墨加热阵供电电缆通过环境模拟容器壁供电穿舱法兰上的大功率接线柱引入，容器内供电电缆分别引至单根石墨加热棒石墨电极处连接。钨-铼超高温测量热偶丝引出石墨加热阵后接入到放置在容器内部的温度参考点，转为铜线后引出温度参考点，再通过铜线将测量信号通过容器壁上的测量法兰引出到数据采集单元。试验过程中，空间环境模拟器内维持真空、低温环境，石墨加热阵作为加热源对试验件加热至1800℃或相应温度值，用高反射率高温隔热组件单元进行隔热。温度控制单元采用控温仪或者计算机控制程序，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调功器输出电压来调整石墨加热阵加热功率。

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 (7)

1.用于真空容器内的航天器真空热试验超高温度极高热流模拟系统，主要包括半圆柱形的石墨加热阵、高反射率高温隔热组件单元、石墨加热阵安装支架、超高温度测量单元、调功器功率控制单元，多支石墨加热棒按热流密度和均匀性要求排列组合成半圆柱形的石墨加热阵，石墨加热棒由石墨发热体和石墨电极组成，采用交流供电，半圆柱形的石墨加热阵设置在上部呈半圆柱体配合结构的石墨加热阵安装支架上，加热阵安装支架的周围均设置高反射率高温隔热组件单元，以封闭石墨加热阵并和外部绝热，高反射率高温隔热组件单元由若干层石墨毡隔热层和最内层的高反射率镜面钨板组成，石墨加热阵的接线电极设置在高反射率高温隔热组件单元外，加热阵安装支架架设在真空低温环境模拟容器内，接线电极引线穿过设置真空低温环境模拟容器的容器壁上的大电流穿舱供电法兰，并分别与温度测量单元和调功器功率控制单元电连接，温度测量单元用于测量试件的测点温度，并将测量结果反馈给调功器功率控制单元，调功器功率控制单元根据测量结果通过调整石墨加热阵的供电电流来模拟所需要的加热热流，控制温度变化速率和试件目标温度。

2.如权利要求1所述的模拟系统，其中，容器壁、供电穿舱法兰、接线电极均相互绝缘。

3.如权利要求1所述的模拟系统，其中，温度测量通过高温钨-铼热电偶实现，高温热电偶通过固定于被测试件上，温度测量单元将热电偶测试结果反馈给调功器功率控制单元，调功器控制单元通过调节供电电流实现石墨加热阵功率控制。

4.如权利要求1-3任一项所述的模拟系统，其中，石墨加热阵均采用石墨材质，单根石墨加热棒安装在两块石墨安装板之间，两端采用带螺纹石墨电极拧紧固定，石墨电极和石墨安装板之间采用陶瓷柱绝缘。

5.如权利要求1-3任一项所述的模拟系统，其中，加热器加热电缆通过穿舱供电法兰连接，穿舱供电法兰上的供电接线柱与法兰绝缘，接线柱之间绝缘，穿舱供电法兰与真空低温环境模拟容器的容器壁绝缘。

6.如权利要求1-3任一项所述的模拟系统，其中，钨-铼热电偶采取耐高温胶粘贴安装、石墨螺钉固定安装和喷涂固定安装三种方式。

7.如权利要求1-3任一项所述的模拟系统，其中，钨-铼热电偶采用真空低温环境模拟容器内置控温参考点方式，控制方式采用控温仪和远程计算机控制结合方式。