CN104374130B - 用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统 - Google Patents

用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统，包括KM6真空容器、真空容器外的冷却水泵送装置、制冷机、真空容器内的运动模拟器筒体和航天器微波负载，水铰链设置在运动模拟器筒体内，其中，水铰链并排设置有入水管路和出水管路，通过水铰链以及各筒体连接部分的软管实现旋转过程中对微波负载的冷却。运动模拟器自旋轴需要带动航天器微波负载360°连续自由转动，为了满足水路360°连续自由转动，采用在自旋轴筒体内配置水铰链，筒体内充满空气，从而实现水路的360°连续自由转动。

Description

用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统
技术领域
本发明属于航天器真空热试验技术领域，具体涉及一种空间环境模拟器与航天器微波负载之间旋转运动的水冷却系统。
背景技术
目前，在航天器热真空试验中，太阳模拟器可以提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的光辐照，是最真实准确的热流模拟手段。在使用太阳模拟器进行真空热试验时，航天器一般安装在运动模拟器上。通过运动模拟器调节试件在空间环境模拟器内的姿态，使试件以不同的角度接收太阳模拟器光束的辐照，保证试件与阳光间的角度关系与在轨飞行条件相同或相近，或者与总体设计时的外热流环境相同。
运动模拟器可以满足航天器进行热真空试验时360°连续自由转动并可垂直方向±30°摆动。微波负载的水冷系统用于冷却卫星微波负载，是一种应用于真空低温环境中以水为介质的微波负载能量传输装置，以循环水的方式将试验过程中微波负载产生的能量带到真空容器外,要求如下：
a)微波负载热负荷为6kW；
b)水流量为5m3/h；
c)微波负载有六路热负荷，微波负载的入口水温为15℃～25℃。
其中，水冷系统工作环境为：微波负载水冷系统工作在真空低温的背景环境中，容器真空度为1.3×10-3Pa，背景温度为100K。同时水冷系统通过运动模拟器连接卫星上的微波负载，运动模拟器以5°/min的摆动速度绕姿态轴摆动，摆角为±30°，运动模拟器自旋轴可以360°连续自由转动。
为了解决航天器姿态运动过程中空间环境模拟器与航天器微波负载之间的旋转运动水冷却难以实现的技术难题，本发明提出了一种可用于空间环境模拟器内旋转航天器内微波负载的水冷却系统。
发明内容
本发明旨在提供一个用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统，该系统在空间环境模拟器内安装一个独立的腔体，腔体内安装水铰链，使固定的水路转变为随航天器一同旋转的水路，从而能够保持水冷却。腔体提供常温常压的空气环境，常温常压是为了保障水铰链可正常使用。
本发明采用如下的技术方案：
用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统，包括KM6真空容器、真空容器外的冷却水泵送装置、制冷机、真空容器内的运动模拟器筒体和航天器微波负载，进行热真空试验时运动模拟器相对空间模拟器带动航天器微波负载360°连续自由转动并可垂直方向±30°摆动，水铰链设置在运动模拟器筒体内，其中，水铰链并排设置有入水管路和出水管路，在运动模拟器筒体内，入水管路进出水铰链的管路上分别设置软管二，软管三，出水管路进出水铰链的管路上设置有软管四，软管五；冷却水泵送装置的进水管通过水量控制阀与真空容器内的软管一的第一端相连，软管一的另一端穿过运动模拟器筒体与水铰链的进水管路的软管二相连，同样，运动模拟器筒体内出水管路的软管五第一端通过真空容器内的软管六的一端相连，软管六的另一端穿过真空容器与冷却水泵送装置的出水管相连，水铰链入水管路的软管三，出水管路的软管四分别穿过运动模拟器筒体，与软管七，软管八的一端相连，软管七，软管八的另一端分别与微波负载的冷却水入口端和冷却水出口端相连。
其中，真空容器与冷却水泵送装置的出水管之间设置有控制阀和流量计。
其中，微波负载的进出水管路上分别设置温度传感器。
其中，所有管路穿过筒体时都采用水管密封头进行密封。
其中，上述软管为金属软管。
其中，水铰链结构为管式机械密封水铰链。
进一步地，水铰链采用双通道旋转密封结构。
进一步地，水铰链的整体结构由0Cr18Ni9的不锈钢管和不锈钢板组成。
进一步地，水铰链由动环、定环、供水进口、供水出口、回水进口、回水出口、组合密封圈等组成，供水进口、回水出口做在定环上，供水出口、回水进口做在动环上，动环固定在运动模拟器自旋轴上腔内，随运动模拟器自旋轴一起旋转，定环固定在自旋轴下腔内，相对上KM6真空容器，只有摆动，没有旋转。
空间环境模拟器内旋转航天器内微波负载的水冷却系统用于航天器真空热试验，水冷系统位于KM6真空容器内，相对通用水冷系统，具有如下特点：
水冷系统的水路安装在真空容器内，真空度优于1.3×10-3Pa，为保证密封效果，在不需要活接的地方采用焊接，在需要活接的地方采用锥密封两端焊接式直通管接头连接，接头的密封采用锥面和橡胶圈相结合的密封形式。
水冷系统的水路安装在真空容器内，背景温度为100K，为了防止水管受低温辐射而冻裂，在真空容器内的所有水管采用多层镀铝薄膜包裹保温。
水冷系统和运动模拟器连接，运动模拟器姿态轴需要垂直方向±30°摆动，为了满足水路垂直方向±30°摆动要求，水冷系统通过金属软管一、金属软管六与运动模拟器连接，通过软管的伸缩实现水路的垂直方向±30°摆动。
运动模拟器自旋轴需要带动航天器微波负载360°连续自由转动，为了满足水路360°连续自由转动，采用在自旋轴筒体内配置水铰链，筒体内充满空气，从而实现水路的360°连续自由转动。
附图说明
图1为本发明的用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统的示意图；
图2为本发明的用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统中水铰链简图；
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明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，用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统，包括KM6真空容器、真空容器外的冷却水泵送装置、制冷机、真空容器内的运动模拟器筒体和航天器微波负载，进行热真空试验时运动模拟器相对KM6空间模拟器带动航天器微波负载360°连续自由转动并可垂直方向±30°摆动，水铰链设置在运动模拟器筒体内，其中，水铰链并排设置有入水管路和出水管路，在运动模拟器筒体内，入水管路进出水铰链的管路上分别设置软管二，软管三，出水管路进出水铰链的管路上设置有金属软管四，金属软管五；冷却水泵送装置的进水管通过水量控制阀与真空容器内的金属软管一的第一端相连，金属软管一的另一端穿过运动模拟器筒体与水铰链的进水管路的金属软管二相连，同样，运动模拟器筒体内出水管路的金属软管五第一端通过真空容器内的金属软管六的一端相连，金属软管六的另一端穿过真空容器与冷却水泵送装置的出水管相连，真空容器与冷却水泵送装置的出水管之间设置有控制阀和流量计；水铰链入水管路的金属软管三，出水管路的金属软管四分别穿过运动模拟器筒体，与金属软管七，金属软管八的一端相连，金属软管七，金属软管八的另一端分别与微波负载筒体内的冷却水入口端和冷却水出口端相连，在微波负载筒体内，微波负载的进出水管路上分别设置温度计。
在一具体的实施方式中，所有管路穿过筒体时都采用水管密封头进行密封。
在又一具体的实施方式中，水铰链结构为管式机械密封水铰链，优选水铰链采用双通道旋转密封结构。例如参见图2的水铰链简图。其中，水铰链的整体结构由0Cr18Ni9的不锈钢管和不锈钢板组成，由动环、定环、供水进口、供水出口、回水进口、回水出口、组合密封圈等组成，供水进口、回水出口做在定环上，供水出口、回水进口做在动环上，动环固定在运动模拟器自旋轴上腔内，随运动模拟器自旋轴一起旋转，定环固定在自旋轴下腔内，相对上KM6真空容器，只有摆动，没有旋转。
水冷系统用于冷却卫星的微波负载，采用水冷的方式将大功率微波信号转化的热量带走，水冷系统以循环水的方式将试验过程中微波负载产生的能量带到真空容器外，水冷却系统由水箱、过滤器、水泵、换热器、制冷机、金属软管、水饺链、微波负载水管组件、水管密封接头等组成，系统流程见图1。
循环水由水箱进入过滤器过滤后进入水泵，由水泵加压通过热交换器与制冷机进行热量交换，使其温度降低到设计要求值。然后进入KM6真空容器，采用金属软管和运动模拟器连接，由金属软管实现水路的摆动，进入运动模拟器，由水饺链实现水路的360°连续自由转动。然后再次进入KM6真空容器，通过软管连接入微波负载，来达到冷却微波负载的目的。吸收微波负载热量的循环水再次进入运动模拟器，通过水饺链实现回水管路的旋转，然后进入KM6真空容器内，通过金属软管离开真空容器，回到水箱，实现密闭循环。微波负载的热量通过循环水由换热器传递为制冷机，制冷机将微波负载的热量排出真空容器外，由制冷机提供整个系统的制冷量。
下面介绍随运动模拟器摆动的金属软管技术细节。在KM6真空容器内，冷却水通过金属软管连接运动模拟器筒体。冷却水管摆动金属软管通径为DN40mm，水管随运动模拟器的摆动同步运动，与运动模拟器相联接的金属软管，接口为焊接，材料为不锈钢。运动模拟器的水管偏离太阳光方向15°，为了保证金属软管在一个平面运动，水管接头需要偏向太阳光15°。运动模拟器以5°/min的摆动速度绕姿态轴摆动，运动速度相对缓慢，在这种运动状态下，金属软管的动态最小弯曲半径，可以按照最小静态弯曲半径进行设计。对于DN40mm的金属软管，静态最小弯曲半径为280mm。水管布置于迎光侧。金属软管在运动模拟器摆动到0°、30°、-30°位置时的弯曲状态，设计的转弯半径需满足最小转弯半径要求。由于选用的金属软管长度大于两个接口间的最大长度，且满足最小转弯半径的要求，安装过程中，需要将金属软管预先弯曲成Z字形或Ω形。
下面介绍水铰链的技术细节。水饺链用于实现微波负载水管路随运动模拟器自旋轴360°连续自由转动，自旋轴速度为快速为1r/min～12r/min，慢速为1r/24h～1r/h。水饺链安装在运动模拟器自旋轴腔体内，自旋轴腔体位于KM6真空容器内。自旋轴腔体内为空气常温常压环境，提供了水铰链的正常工作环境。水铰链的要求为水流量为5m3/h，水铰链内部共液和回液的二路总压降≤0.1MPa，静态耐压≥1MPa，温度为15～25℃。水铰链结构为管式机械密封水铰链。采用双通道旋转密封结构。水铰链的整体结构均有材料为0Cr18Ni9的不锈钢管和不锈钢板组成。水铰链由动环、定环、供水进口、供水出口、回水进口、回水出口、组合密封圈等组成。供水进口、回水出口做在定环上，供水出口、回水进口做在动环上。动环固定在运动模拟器自旋轴上腔内，随运动模拟器自旋轴一起旋转。定环固定在自旋轴下腔内，相对上KM6容器，只有摆动，没有旋转。水铰链的密封性能是水铰链中最为关键的部分，由于水铰链穿过滑环中心，且其下半部分在运动模拟器自旋轴下腔内，狭小空间内安装了许多电缆及电器设备，一旦水饺链发生泄漏就可能损坏汇电环、电缆等重要部件。水饺链的密封主要依靠密封件与水饺链壳体紧密结合来实现，所以水饺链壳体与密封件结合面的尺寸精度和表面粗糙度必须严格控制在设计要求范围内，既要保证密封可靠，水饺链运转力矩均匀，又要尽可能减少密封件材料的磨损。这样才能保证水饺链运转可靠无泄漏的同时，又能让密封件达到较高的使用寿命。水铰链的关键技术是在满足微波工质冷却的压力和流量要求的前提下，解决动环和定环之间的旋转动密封可靠，选择合适的密封圈型式，确定接触面的粗糙度以及提高密封效果和寿命。为了防止循环水泄漏，定环和动环之间密封件考虑星型密封圈结构，星形密封圈具有双重密封作用，它需要较小的初始压缩，因而在动密封处的摩擦就较小。这种密封圈摩擦力小、不易产生扭曲、密封效果好、低磨损。水铰链泄漏回收装置是机械密封水铰链的配套装置。当水饺链出现循环水泄漏时，泄漏出来的循环水进入泄漏回收装置的小水箱，由水管摆动装置传过KM6真空容器排出容器外。
下面介绍微波负载连接管道的技术细节。微波负载连接管路由一路进水分为六路水进入卫星微波负载，再汇成一路水流回运动模拟器。微波负载连接水冷需要根据星上微波负载的位置、功率大小等因素来确定。为使每个回路的负载功率尽量接近，可通过水冷管路将两个或两个以上的便于相互连接的微波负载串接起来，形成该回路的总负载。为准确连接各段水冷管路及微波负载，应依据安装有微波负载的卫星模型图及卫星在容器内的安装位置图来确定水冷管路的长度、安装高度和与星表的距离。
水冷系统的水路安装在真空容器内，为保证密封效果，在不需要活接的地方采用焊接，在需要活接的地方采用采用锥密封两端焊接式直通管接头连接，接头的密封采用锥面和橡胶圈相结合的密封形式。活接头检漏通过氦质谱仪采用氦气检漏，满足真空管路漏率小于1.0×10-7Pa.m3/s的要求为合格。
为了减少100K低温背景对管路的冷辐射，所有管道需进行保温，采用多层镀铝薄膜包裹。由于管道有冷却水流动，采用多层镀铝薄膜包裹后能够保证管道处于常温。
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，我们可以根据本发明的构想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仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于空间环境模拟器旋转航天器微波负载的水冷却系统，包括KM6真空容器、真空容器外的冷却水泵送装置、制冷机、真空容器内的运动模拟器筒体和航天器微波负载筒体，进行热真空试验时运动模拟器相对KM6真空容器带动航天器微波负载360°连续自由转动并可垂直方向±30°摆动，水铰链设置在运动模拟器筒体内，其中，水铰链并排设置有入水管路和出水管路，在运动模拟器筒体内，入水管路进出水铰链的管路上分别设置软管二，软管三，出水管路进出水铰链的管路上设置有软管四，软管五；冷却水泵送装置的进水管通过水量控制阀与真空容器内的软管一的第一端相连，软管一的另一端穿过运动模拟器筒体与水铰链的入水管路的软管二相连，同样，运动模拟器筒体内出水管路的软管五第一端通过真空容器内的软管六的一端相连，软管六的另一端穿过真空容器与冷却水泵送装置的出水管相连，水铰链的入水管路的软管三，出水管路的软管四分别穿过运动模拟器筒体，与微波负载筒体外的软管七，软管八的一端相连，软管七，软管八的另一端分别与微波负载的冷却水入口端和冷却水出口端相连。
2.如权利要求1所述的水冷却系统，其中，真空容器与冷却水泵送装置的出水管之间设置有控制阀和流量计。
3.如权利要求1所述的水冷却系统，其中，在微波负载筒体内，微波负载的进出水管路上设置温度计。
4.如权利要求1-3任一项所述的水冷却系统，其中，所有管路穿过所有筒体时都采用水管密封头进行密封。
5.如权利要求1-3任一项所述的水冷却系统，其中，所述软管为金属软管。
6.如权利要求1-3任一项所述的水冷却系统，其中，水铰链结构为管式机械密封水铰链。
7.如权利要求1-3任一项所述的水冷却系统，其中，水铰链采用双通道旋转密封结构。
8.如权利要求1-3任一项所述的水冷却系统，其中，水铰链的整体结构由0Cr18Ni9的不锈钢管和不锈钢板组成。
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