CN104229163B - 深冷环境试验用的气氦冷箱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深冷环境试验用的气氦冷箱系统，包括具有液氮热沉的真空容器，气氦冷箱、容器导轨和氦气进出总管，其中，容器导轨设置在真空容器底部，气氦冷箱的支撑框架的底部设置有滚轮机构，滚轮机构滚动设置在容器导轨上，氦气进出总管为气氦冷箱提供进出的氦气冷源。本发明的深冷环境用气氦冷箱，具有六面体包络式结构，可更加真实地模拟空间低温环境，其温度低于30K，可满足‑215℃温区的深冷环境试验需求，气氦冷箱的流道布置采用“三串两并”的方式，有效解决了冷箱内氦气流量分配不均的难题。
Description
技术领域
本发明属于空间环境试验技术领域，具体涉及一种深冷环境试验中使用的气氦冷却设备。
背景技术
空间深空探测是以航天器、空间站或其它行星为平台，对地球以外的宇宙天体以及远离地球的空间进行探测的活动，包括进入深空的探测活动和在太空对深空进行的探测活动。由于受航天技术发展水平的制约，目前，人类深空探测活动的主要对象是月球，利用空间探测器也只能对火星、金星、木星等少数天体进行探测，更多时候则是利用各种天文卫星或空间望远镜对广袤宇宙空间进行观测。
月球距离地球3.8×105km，而火星距离地球4×108km，其轨道环境与地球轨道环境有很大区别。月球表面温度的变化是根据纬度和月球昼夜周期的时间来确定的，其极限温度在+150℃到-180℃之间。对于软着陆的探测器而言，其周围的热量环境由太阳辐射通量、月球反射通量和月球表面的红外辐射组成。在月球白天，探测器受这些辐射加热，但到了晚上，太阳辐射通量、月球反射通量没有了，月球表面的红外辐射又非常弱，可以认为没有热量提供。而月球地面的热惯性很小，当晚上来临时，月球表面温度迅速降低，月球探测器将面临近-180℃的低温环境。火星大气比地球稀薄很多，到达火星表面的太阳福照度只有到达地球的37％-52％。火星表面大气压为560Pa，表面平均温度为210K，变化范围为140K-300K。有关文献分析，火星探测卫星在火影期间，星内单机温度将低于210K，部分星外单机温度将跌至93K以下，星外太阳帆板等单机的极端低温甚至跌至73K以下。
现有的真空热试验设备，利用液氮热沉模拟太空的冷黑环境，液氮密闭循环系统中热沉平均温度一般为90K-100K(-183℃到-173℃)，因此-183℃以下的试件温度在理论上就不能实现，实际上-160℃以下，单纯依靠辐射需要消耗的时间就已经很长了，试验经济性变差。
针对上述问题，需要开发一种深冷环境试验用的冷却系统，以为航天器舱外组件提供深冷背景，模拟航天器非地球轨道环境温度和黑度提供可能。
发明内容
本发明目的是提出了一种深冷环境试验用的气氦冷箱系统，该系统能够依靠气氦制冷系统的低温冷源为航天器舱外组件提供深冷背景，以模拟航天器非地球轨道环境温度和黑度。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种深冷环境试验用的气氦冷箱系统，包括具有液氮热沉的真空容器，气氦冷箱、容器导轨和氦气进出总管，其中，容器导轨设置在真空容器底部，气氦冷箱的支撑框架的底部设置有滚轮机构，滚轮机构滚动设置在容器导轨上，氦气进出总管为气氦冷箱提供进出的氦气冷源。
其中，气氦冷箱包括长方形支撑框架和独立设置到支撑框架六个面上的矩形冷板，气氦冷箱通过滚轮机构设置于容器导轨上并具有锁死机构，气氦冷箱与滚轮机构之间的接触部分设置有绝热垫。
其中，矩形冷板采用不锈钢管焊铜翅片的管板结构，在相对平行的两根主管之间平行设置有若干支管，主管与支管为不锈钢管，支管的布置为肋骨式结构，主管和支管的流道连接方式采用Z形连接，每对铜翅片连接处焊接有不锈钢支管。
其中，气氦冷箱正对真空容器大门的矩形冷板为整体活动门结构，可打开与关闭，门体上的氦气进出管用金属软管与气氦冷箱的氦气进出总管(对应矩形冷板的两根平行主管)连接；
其中，每片矩形冷板分别连接在支撑框架上，在支撑框架和矩形冷板之间设置有聚四氟乙烯绝热块。
其中，支撑框架上配置有增加强度的横梁，通过螺栓连接将横梁、绝热块、矩形冷板连接固定。
其中，矩形冷板上的螺栓孔位置，沿支管长度方向上开长孔，两根横梁上的对应位置在氦气进出总管的长度方向上开长孔，以免温度变化引起应力集中导致矩形冷板被拉伸变形。
其中，六个矩形冷板采取每3片矩形冷板串联，2路并联的方式，使得六个矩形冷板的相对平行的主管具有2路氦气进口、氦气排口，2路氦气进口、氦气排口并联接入氦气进出总管，使得六个矩形冷板通过支管都构成冷却壁面。
其中，冷箱底板的底部焊接不锈钢骨架，可供操作者在箱内操作。
其中，冷箱底板上预留四个圆孔，用于安装箱内导轨及试验工装的支撑结构。
其中，冷箱底板上还预留两个电缆孔。
本发明的深冷环境用气氦冷箱，具有六面体包络式结构，可更加真实的模拟空间低温环境；冷箱的有效空间2800mmх1800mmх1500mm，温度低于30K，可满足-215℃温区的深冷环境试验需求；气氦冷箱的流道布置采用“三串两并”的方式，有效的解决了冷箱内氦气流量分配不均的难题。
附图说明
图1本发明的深冷环境试验用的气氦冷箱系统示意图；
其中：1-1：具有液氮热沉的真空容器；1-2：氦气进出总管；1-3：气氦冷箱；1-4：容器导轨。
图2是本发明一实施方式的深冷环境试验用的气氦冷箱系统中气氦冷箱本体的结构示意图；其中，2-1：气氦冷板一；2-2：气氦冷板二；2-3：气氦冷板三；2-4：气氦冷板四；2-5：气氦冷板五；2-6：气氦冷板六；
图3是本发明一实施方式中气氦冷箱矩形冷板(以冷箱底部的矩形冷板为例)的结构示意图。
其中，3-1为电缆孔；3-2为试验件及工装的支撑孔，3-3为主管。
图4为本发明一实施方式的深冷环境试验用的气氦冷箱系统中不锈钢管和铜翅片的连接方式示意图。
其中，4-1为支管；4-2为一对铜翅片。
图5为本发明一实施方式的气氦冷箱氦气流道分布示意图1。
其中，5-1气氦冷板一；5-2气氦冷板二；5-3气氦冷板五；5-4氦气入口；5-5氦气出口。
图6为本发明一实施方式的气氦冷箱氦气流道分布示意图2。
其中，6-1气氦冷板三；6-2气氦冷板四；6-3气氦冷板六；6-4氦气入口；6-5氦气出口。
图7是本发明冷箱测温点布置的示意图。
其中，7-1气氦冷板一；7-2气氦冷板二；7-3气氦冷板三；7-4气氦冷板四；7-5气氦冷板五；7-6气氦冷板六。
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。
如图1所示，本发明的深冷环境试验用的气氦冷箱系统，包括具有液氮热沉的真空容器1，气氦冷箱3、容器导轨4和氦气进出总管2，其中，容器导轨4设置在真空容器1底部，气氦冷箱3的支撑框架的底部设置有滚轮机构，滚轮机构滚动设置在容器导轨4上，氦气进出总管2为气氦冷箱提供进出的氦气冷源。参见图2，图2显示了本发明一实施方式的深冷环境试验用的气氦冷箱系统中气氦冷箱的结构示意图。该实施方式中，气氦冷箱包括长方形支撑框架和独立设置到支撑框架六个面上的矩形冷板，气氦冷箱通过滚轮机构设置于容器导轨上并具有锁死机构，气氦冷箱与滚轮机构之间的接触部分设置有绝热垫。
如图3所示，以底部冷板为例，本发明气氦冷箱的六块冷板均有氦气通道，实际上是起到了换热器的作用，通过辐射等传热方式把负载设备发出的热量传给冷板壁面，通过金属材料的传导以及氦气工质的对流换热将热量带走。参见图4，冷箱的六块冷板采用不锈钢管焊铜翅片的管板结构，支管的布置为肋骨式结构，每片冷板均采用Z形连接方式。
在流量分配上，本发明气氦冷箱采取每3片冷板串联，2路并联，具有2路氦气进、排气口。既减小了流动引起的管道阻力损失，同时又减少了进、出气口的数量。根据冷箱结构设计，如图5、图6所示，冷箱第1、5、2冷板面依次串联，第6、4、3冷板面依次串联，各冷板氦气进出口管路采用Z形连接方式，两个串联通路并联接入氦气系统总管，此种结构既减小了流动引起的管道阻力损失，同时又减少了进、出气口的数量，并有效的解决了冷箱内氦气流量分配不均的难题。
如图7所示，本发明气氦冷箱共布置24个铑铁测温传感器，冷箱氦气进出口管各布置一个测温点，1、3、5、6冷板面各布置4个测温点，2和4冷板面各布置3个测温点，测温传感器要求如下，传感器测量范围不小于10K～300K，测量精度不小于±0.1K。
本发明气氦冷箱系统主要是用于模拟空间深冷环境，实现航天器深冷环境试验。经试验测试，气氦冷箱温度低于30K，温度均匀性可达±1.5K，本发明气氦冷箱系统已完成多次深冷环境试验，试件最低温度-219℃，满足深冷环境试验的要求，为深空探测提供了有力的试验保障。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (6)
1.一种深冷环境试验用的气氦冷箱系统，包括具有液氮热沉的真空容器，气氦冷箱、容器导轨和氦气进出总管，其中，容器导轨设置在真空容器底部，气氦冷箱的支撑框架的底部设置有滚轮机构，滚轮机构滚动设置在容器导轨上，氦气进出总管为气氦冷箱提供进出的氦气冷源，其中，每片矩形冷板分别连接在支撑框架上，在支撑框架和矩形冷板之间设置有聚四氟乙烯绝热块；矩形冷板采用不锈钢管焊铜翅片的管板结构，在相对平行的两根汇总管之间平行设置有若干支管，汇总管与支管为不锈钢管，支管的布置为肋骨式结构，每片冷板的汇总管与支管均采用Z形连接方式依次焊接连接，其中，支撑框架上配置有增加强度的横梁，通过螺栓连接将横梁、绝热块、矩形冷板连接固定；矩形冷板上的螺栓孔位置，沿支管长度方向上开长孔，两根横梁上的对应位置在氦气进出总管的长度方向上开长孔，以免温度变化引起应力集中导致矩形冷板被拉伸变形。
2.如权利要求1所述的气氦冷箱系统，其中，气氦冷箱包括长方形支撑框架和独立设置到支撑框架六个面上的矩形冷板，气氦冷箱通过滚轮机构设置于容器导轨上并具有锁死机构，气氦冷箱与滚轮机构之间的接触部分设置有绝热垫。
3.如权利要求1所述的气氦冷箱系统，其中，气氦冷箱正对真空容器大门的矩形冷板为整体活动门结构，可打开与关闭，门体上的氦气进出管用金属软管与相连接的邻近矩形冷板的两根平行主管连接。
4.如权利要求1所述的气氦冷箱系统，其中，六个矩形冷板采取每3片矩形冷板串联，2路并联的方式，使得六个矩形冷板的相对平行的主管具有2路氦气进口、氦气排口，2路氦气进口、氦气排口并联接入氦气进出总管，使得六个矩形冷板通过支管都构成冷却壁面。
5.如权利要求1所述的气氦冷箱系统，其中，冷箱底板的底部焊接不锈钢骨架，可供操作者在箱内操作。
6.如权利要求1所述的气氦冷箱系统，其中，冷箱底板上预留四个圆孔，用于安装箱内导轨及试验工装的支撑结构。
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