CN108226674A - 一种超导电缆模拟太空环境试验腔体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，包括由外侧真空金属管、中间悬浮热屏蔽管和内层低温辐射金属管相互套接形成的腔室，在腔室中贯穿有连接到腔室两端接线盲板上的电缆，腔室上方两侧壁开有安装工艺孔，对应安装工艺孔的腔室侧壁下方焊接有制冷机冷头安装管；外侧真空金属管上对应安装工艺孔上封装有方孔盲板，对应制冷机冷头安装管处安装有制冷机冷头，在外侧真空金属管中部上侧开有真空度测量窗口，下侧焊接真空泵安装管。本结构不仅可以模拟太空环境下的真空度和低温条件，而且通过辐射传热的方式提供了超导电缆的运行温度并带走其产生的热量。采用该试验腔体使得在地面上可以完成超导电缆的模拟太空环境运行试验。

Description

一种超导电缆模拟太空环境试验腔体
技术领域
本发明涉及超导电缆试验腔体设计技术领域，具体涉及地面模拟太空特殊环境下超导电缆试验腔体的设计领域。
背景技术
空间太阳能电站系统(SSPS)中，GW级的电能需要从太阳能电池组传输到微波发射器，如果采用传统电缆，为了减少传输过程中的热损耗则必须使用庞大的升降压装置。首先需要将太阳能电池组输出的电能升压到100kV以上，减小电缆的传输电流，从而减小传输过程中的电能损耗；其次，电能传输到微波发射装置端时，需要将电缆传输的电能降压到微波发射设备适合的低电压。由于超导电缆具有直流无阻和交流低损耗特性，而SSPS太阳能电池组产生的电流是纯直流，故适合采用超导直流电缆低电压强电流传输电能到微波发射装置，不需要庞大的升降压设备。降低了SSPS系统的重量，节省了火箭发射成本。
为了保证超导电缆在太空环境下的安全稳定运行，首先必须在地面进行模拟太空环境试验，因此需要研制超导电缆模拟太空环境试验腔体，实现对超导电缆在太空环境中运行的各类地面模拟试验。
目前，超导电缆在太空环境下应用的研究处于初级阶段，各项技术均不完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，使得在地面上完成超导电缆的模拟太空环境运行试验。
本发明为实现上述技术目的采用的技术解决方案是：
一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，该方案包括由外侧真空金属管、中间悬浮热屏蔽管和内层低温辐射金属管相互套接形成的腔室，在腔室中贯穿有连接到腔室两端接线盲板上的电缆，腔室上方两侧壁开有安装工艺孔，对应安装工艺孔的腔室侧壁下方开孔并焊接有制冷机冷头安装管；外侧真空金属管上对应安装工艺孔上封装有方孔盲板，对应制冷机冷头安装管处安装有制冷机冷头，在外侧真空金属管中部上侧开有真空度测量窗口，下侧开孔并焊接有真空泵安装管。
对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案：
进一步的，所述内层低温辐射金属管管腔中的电缆通过间隔分布的塑料密封环支撑；外侧真空金属管、中间悬浮热屏蔽管和内层低温辐射金属管之间设有交错分布塑料密封环支撑。
进一步的，所述内层低温辐射金属管外表面采用镜面抛光，内表面喷涂有发射黑漆层，靠两端上下侧面分别开设安装工艺方孔和制冷机冷头插入圆孔。
进一步的，所述制冷机冷头的两侧壁冷端面通过软连接导线与内层低温辐射金属管和中间悬浮热屏蔽管侧壁的冷壁连接。
进一步的，所述中间悬浮热屏蔽金属管的两端侧壁开工艺方形孔；在悬浮热屏蔽金属管外表面包覆多层防辐射薄膜。
进一步的，所述电缆连接到接线盲板即腔室两端的法兰板，接线盲板上安装有超导电缆的引出线供电端子及信号线真空插头。
进一步的，所述接线盲板一端接在引出线的接线端，另一端接到环形集流环上。
进一步的，所述接线盲板上设有防止热量辐射的多层金属片。
本发明的有益效果：本发明提供了一种超导电缆模拟太空环境试验腔体设计的可行技术。由于试验腔体采用了多层冷屏技术，不仅可以模拟太空环境下的真空度和低温条件，而且通过辐射传热的方式提供了超导电缆的运行温度并带走超导电缆运行过程中产生的热量。采用该试验腔体使得在地面上可以完成超导电缆的模拟太空环境运行试验。
附图说明
图1是一种超导电缆模拟太空环境试验腔体剖面图。
图2是超导电缆模拟太空环境试验腔体立体剖面图。
图3是实施例1中内层低温辐射金属管简图。
图4是实施例1中中间悬浮热屏蔽金属管简图。
图5是实施例1中接线盲板简图。
图6是实施例1中方孔盲板简图。
图中：11、内层低温辐射金属管；12、中间悬浮热屏蔽金属管；13、外侧真空金属管；14、制冷机冷头安装管；15、制冷机冷头；16、真空泵安装管；17、安装工艺孔；18、真空度测量窗口；19、排放支架；20、方孔盲板；21、塑料密封环；22、接线盲板；23、引出线供电端子；24、电缆；31、制冷机冷头插入圆孔；32、安装工艺方孔；41、制冷机冷头安装圆孔；42、工艺方形孔。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1、图2是一种超导电缆模拟太空环境试验腔体结构示意图。包括由外侧真空金属管13、中间悬浮热屏蔽金属管12和内层低温辐射金属管11相互套接形成的腔室，在腔室中贯穿有连接到腔室两端法兰(接线盲板22)上的电缆24，腔室上方两侧壁开有安装工艺孔17，对应安装工艺孔17的腔室侧壁下方开孔并焊接有制冷机冷头安装管14；外侧真空金属管13上对应安装工艺孔17上封装有方孔盲板20，对应制冷机冷头安装管14处安装有制冷机冷头15，在外侧真空金属管13中部上侧开有真空度测量窗口18，下侧开孔并焊接有真空泵安装管16。
其中，内层低温辐射金属管11管腔中的电缆24通过间隔分布的塑料密封环21支撑，外侧真空金属管13、中间悬浮热屏蔽金属管12和内层低温辐射金属管11之间设有交错分布塑料密封环21支撑；整体装置通过排放支架19支撑。
如图3所示，沿内层低温辐射金属管11侧壁开有安装工艺方孔32，对应安装工艺方孔32的下方侧壁上开有制冷机冷头插入圆孔31，使得制冷机冷头15插入孔内。内层低温辐射金属管外表面采用镜面抛光，内表面喷涂有发射黑漆层，靠两侧面开贯通孔。制冷机冷头15的两侧壁冷端面通过软连接导线与内层低温辐射金属管11和中间悬浮热屏蔽金属管12侧壁的冷壁连接，将制冷机冷头15的冷量传导给内层低温辐射金属管11和中间悬浮热屏蔽金属管12的冷屏，再由内层低温辐射金属管11的冷屏靠辐射传热方式，将冷量传递给电缆24，实现超导电缆的运行温度。由中间悬浮热屏蔽金属管12的冷屏靠辐射传热方式在管腔内提供太空环境温度。内层低温辐射金属管11安装完成后，工艺方孔32要采用方孔盲板20重新填补，以免冷量流失。内层低温辐射金属管11与中间悬浮热屏蔽金属管12之间采用塑料密封环21分离。
如图4所示，中间悬浮热屏蔽金属管12的两端侧壁开工艺方形孔42，在中间悬浮热屏蔽金属管12的下方侧壁上开有制冷机冷头安装圆孔41；中间悬浮热屏蔽金属管的作用是将内冷壁与常温外真空腔隔开，在管腔内提供太空冷背景温度，并提高绝热效果；在中间悬浮热屏蔽金属管外表面包覆多层防辐射薄膜，以实现绝热目的。与内层低温辐射金属管相同，中间悬浮热屏蔽金属管12安装完成后，工艺方形孔42要采用方孔盲板20重新填补，以免冷量流失。与内层低温辐射金属管相同，中间悬浮热屏蔽金属管也采用塑料密封环与外侧管分离支撑。
如图2所示，外侧真空金属管13两侧下部凸出部分为制冷机冷头安装管14，制冷机冷头15上方外侧真空金属管开方形安装工艺孔17，用于内部的安装操作。真空金属管腔两侧为法兰及可拆卸接线盲板22，接线盲板22上安装了超导电缆的引出线供电端子23及信号线真空插头。外侧真空金属管中间下部开孔并焊接与真空泵相匹配的抽气圆管，两侧是装置的排放支架19；真空度测量窗口18开设在外侧真空金属管中部上侧，并采用盲板封闭安装过程中的工艺开孔，采用多层绝热的方式强化绝热。
如上所述的试验腔体，其中，接线盲板22的连接方法如下：一端接在引出线的接线端，另一端接到集流环上，为超导线缆供电。法兰内侧采用多层金属片防止热量的辐射。
本实施例中采用304不锈钢材质Ф219×3mm2管做真空腔体的外侧管，含法兰和盲板全长共1900mm，两侧下部凸出部分为GM制冷机冷头安装管，冷头上方外侧真空金属管上开180×260mm2安装工艺方孔，用于内部的安装操作。外侧管两端为DN219法兰及可拆卸盲板，盲板上安装了超导电缆的引出线供电端子及两个19芯信号线真空插头。外侧管中间下部开Ф150mm真空泵安装孔，两个排放支架支撑整个试验腔体的重量。
图3是内层低温辐射管11简图，本实施例中内层低温辐射管采用Ф133×2mm2紫铜管，外表面镜面抛光，内表面喷涂发射系数ε>0.9的黑漆，冷头的冷端面通过8根软连接导线与冷壁连接，将冷头的冷量传导给冷屏，再由冷屏靠辐射传热方式，将冷量传递给内层低温辐射管内的超导电缆，实现超导电缆的运行温度。安装完成后，方形安装工艺孔采用铜板重新填补，以免冷量流失。内层低温辐射管与悬浮热屏蔽管之间采用聚四氟乙烯环分离。
图4是中间悬浮热屏蔽管12简图，本实施例中中间悬浮热屏蔽管是一根Ф180×1.5mm2的卫生级304不锈钢管，作用是将内冷壁与常温外真空腔隔开，在管腔内提供太空冷背景温度，并提高绝热效果。在中间悬浮热屏蔽管外表面包覆10单元的镀铝薄膜的多层屏蔽层，以实现绝热目的。同样，中间悬浮热屏蔽管也是用聚四氟乙烯环与外侧管分开并支撑。
图5是接线盲板22简图，本实施例中采用5×20mm2的铜排完成规定图形，一端接在引出线的接线端，另一端接到集流环上，为超导线缆供电；法兰里侧多条铜带是防辐射设计。
图6是方孔盲板20简图，主要作用是封闭安装过程的工艺开孔。安装完后须考虑尽量恢复或强化绝热效果，由于工艺开孔的位置在冷头侧上方，要特别考虑冷量的损失问题，本实施例中采用多层绝热的方式强化绝热。
本实施例中一种超导电缆模拟太空环境试验腔体的安装步骤如下：
1)将外侧真空管安装到位；
2)将中间悬浮热屏蔽管外壁套上聚四氟乙烯支撑环，包覆多层镀铝绝热膜，将其插入外侧真空管腔内，且位置对正；
3)将内层低温辐射管外壁安装上聚四氟乙烯环后，置于中间悬浮热屏蔽管内，位置对正；
4)安装制冷机冷头到14位置；
5)从方形工艺孔安装冷头与冷屏连接的软连接导线；
6)将组装好的接线法兰组件插入安装，从方孔伸手，连接铜排与集流环的螺钉；
7)安装完毕后封闭方形安装工艺孔。

Claims (8)

1.一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，包括由外侧真空金属管(13)、中间悬浮热屏蔽管(12)和内层低温辐射金属管(11)相互套接形成的腔室，在腔室中贯穿有连接到腔室两端接线盲板(22)上的电缆(24)，腔室上方两侧壁开有安装工艺孔(17)，对应安装工艺孔(17)的腔室侧壁下方开孔并焊接有制冷机冷头安装管(14)；外侧真空金属管(13)上对应安装工艺孔(17)上封装有方孔盲板(20)，对应制冷机冷头安装管(14)处安装有制冷机冷头(15)，在外侧真空金属管(13)中部上侧开有真空度测量窗口(18)，下侧开孔并焊接有真空泵安装管(16)。
2.根据权利要求1所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述内层低温辐射金属管(11)管腔中的电缆(24)通过间隔分布的塑料密封环(21)支撑；外侧真空金属管(13)、中间悬浮热屏蔽管(12)和内层低温辐射金属管(11)之间设有交错分布的塑料密封环(21)支撑。
3.根据权利要求1所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述内层低温辐射金属管(11)外表面采用镜面抛光，内表面喷涂有发射黑漆层，靠两端上下侧面分别开设安装工艺方孔(32)和制冷机冷头插入圆孔(31)。
4.根据权利要求1所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述制冷机冷头(15)的两侧壁冷端面通过软连接导线与内层低温辐射金属管(11)和中间悬浮热屏蔽管(12)侧壁的冷壁连接。
5.根据权利要求1所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述中间悬浮热屏蔽金属管(12)的两端侧壁开工艺方形孔(42)；在中间悬浮热屏蔽金属管(12)外表面包覆多层防辐射薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述电缆(24)连接到接线盲板(22)即腔室两端的法兰板，接线盲板(22)上安装有超导电缆的引出线供电端子(23)及信号线真空插头。
7.根据权利要求6所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述接线盲板(22)一端接在引出线的接线端，另一端接到环形集流环上。
8.根据权利要求6所述的一种超导电缆模拟太空环境试验腔体，其特征在于，所述接线盲板(22)上设有防止热量辐射的多层金属片。
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