CN108827679A - 一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置及其使用方法,所述装置包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块以及测量与控制模块;将所述空间环境模拟模块和内部环境模拟模块的压力、温度调节至试验所需的状态,并利用测量与控制模块采集、传输和储存所述装置的温度、压力数据,同时控制各设备的开关,以达到在模拟空间热环境状态的情况下测试充气加压结构的热防护性能。本发明利用多级真空泵和充放气系统以及不同原理的压力类传感器,实现不同真空度和气体成分的空间环境的有效控制,同时能保证模拟的待测试的充气加压结构的工作压力与内部发热功率与真实使用情况接近,从而开展高逼真度的空间环境热试验。
Description
技术领域
本发明涉及航天环境模拟领域,具体涉及一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置及方法。
背景技术
航天器在恶劣的空间热环境中需要采取有效的热防护措施,其防护效果需要通过空间环境热试验进行评估和验证。目前对于常规卫星产品的热真空试验已形成了通用的测试方法(GJB-3758),但针对需要建立一定工作压力的充气加压结构的空间热试验,尤其是面向不同成分稀薄气体热环境的模拟,现有的测试装置不再适用。
本发明设计了一个可以模拟不同真空度和气体成分的空间热环境的装置并建立了一种测试方法,对充气加压结构进行热防护性能评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于空间环境模拟的充气加压结构热试验装置,用于对充气加压结构的热防护特性进行测试,可实现模拟不同真空度和气体成分的空间环境的热试验。
为实现以上目的,本发明的技术方案如下:
一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块以及测量与控制模块;
所述空间环境模拟模块用于模拟不同压力、温度的外部环境,包括环境模拟试验舱(1)、真空模拟系统和低温模拟系统;
所述内部环境模拟模块用于模拟待测结构的压力、温度的内部环境,包括待测试的充气加压结构(22),模拟热源(23)和内部压力控制系统;
所述测量与控制模块用于采集、传输和储存所述装置的温度、压力数据,同时控制所述模拟热源(23)的加热功率以及各设备的开关,包括计算机(25)、巡检仪(24)以及至少一个温度传感器。
进一步地,所述真空模拟系统包括机械泵(17)、分子泵(15)、电阻规(2)、电离规(3)、水银真空计(4)和压力变送器(5)、以及多个气体管路控制闸阀(6、7、12、13、14、16)。
进一步地,所述机械泵(17)和分子泵(15)用于分别构建低真空和高真空环境,并分别通过所述电阻规(2)和电离规(3)测量真空度;水银真空计(4)用于测量稀薄气体环境的真空度;压力变送器(5)用于实时监测所述环境模拟试验舱(1)的压力变化情况。
进一步地,所述低温模拟系统包括液氮储罐(9)、热沉(11)、调节阀(8)和氮气出口(10)。
进一步地,所述内部压力控制系统包括机械泵(18)、截止阀(19)、压力变送器(20)和充气阀(21)构成。
本发明的另一方面提供了一种使用上述装置的方法,包括如下步骤:
步骤1:对环境模拟试验舱(1)进行预抽真空,并动态调节充气加压结构(22)的压力;
步骤2:监测所述环境模拟试验舱(1)的压力,当达到一定阈值则用分子泵继续抽真空;监测所述充气加压结构(22)的压力,当达到工作压力后停止调节;
步骤3:向环境模拟试验舱(1)中充入预定达到试验要求的试验气体,关闭分子泵;
步骤4:调节所述环境模拟试验舱(1)和所述充气加压结构(22)的温度,当温度达到试验要求时开展试验,利用所述测量与控制模块对试验数据进行采集和存储,同时进行试验控制;
步骤5:完成试验后,恢复环境温度并停止对温度的调节;
步骤6:对所述环境模拟试验舱(1)和所述充气加压结构(22)同时进行复压,保证结构内外压力维护在合理范围内;
步骤7:将各设备关闭,各闸阀复位。
进一步地,所述步骤1具体为:依次打开机械泵(17)、前级阀(16)、预抽阀(14),对环境模拟试验舱(1)进行预抽真空;同时,打开机械泵(18),依据压力变送器(5)和压力变送器(20)的数据,动态调节截止阀(19)的打开程度,使充气加压结构(22)动态维持在合理的范围内。
进一步地,所述步骤2中,当压力变送器(5)示数低于5kPa时,打开闸阀(6),此后依据压力变送器(20)数值判断充气加压结构(22)是否达到工作压力,达到工作压力后,关闭截止阀(19)和机械泵(18);当电阻规(2)示数达到10-1Pa时,打开分子泵(15),关闭预抽阀(14),打开截止阀(13),直至电离规(3)示数达到10-3Pa。
进一步地,所述步骤3中,关闭闸阀(6),打开闸阀(7),利用充气阀(21)向试验舱内充入微量试验气体,当水银真空计(4)示值达到试验要求时,关闭充气阀(21),关闭截止阀(13)、分子泵(15)、前级阀(16)和机械泵(17)。
进一步地,所述步骤4中,打开调节阀(8),向热沉(11)通入液氮进行制冷,打开模拟热源(23),待热沉温度降低至试验要求时开展试验。
综上所述,本发明提供了一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置及其使用方法,所述装置包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块以及测量与控制模块;将所述空间环境模拟模块和内部环境模拟模块的压力、温度调节至试验所需的状态,并利用测量与控制模块采集、传输和储存所述装置的温度、压力数据,同时控制各设备的开关,以达到在模拟空间热环境状态的情况下测试充气加压结构的热防护性能。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
利用多级真空泵和充放气系统以及不同原理的压力类传感器,实现不同真空度和气体成分的空间环境的有效控制,同时能保证模拟的待测试的充气加压结构的工作压力与内部发热功率与真实使用情况接近,从而开展高逼真度的空间环境热试验。
附图说明
图1是本发明的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置的结构示意图;
图2是本发明的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置的使用方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示,一种适用于空间环境模拟的充气加压结构热试验装置,包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块、测量与控制模块。
空间环境模拟模块A用于模拟不同任务背景下的压力、温度等外部环境,由1环境模拟试验舱、真空模拟系统和低温模拟系统组成,真空模拟系统包括机械泵17、分子泵15两种抽吸装置,电阻规2、电离规3、水银真空计4和压力变送器5多种真空和压力测量装置,以及多个气体管路控制闸阀6、7、12、13、14、16。其中,利用机械泵17和分子泵15分别构建低真空和高真空环境,并分别通过电阻规2和电离规3实现真空度的测量。对于存在CO2等特殊稀薄气体环境的模拟,使用水银真空计4进行测量。压力变送器5用于实时监测试验舱从常压环境抽低压过程中的压力变化情况。低温模拟系统包括液氮储罐9、热沉11、调节阀8、氮气出口10及相关管路。
内部环境模拟模块B由待测试的充气加压结构22,模拟热源23和机械泵18、截止阀19、压力变送器20、充气阀21构成的内部压力控制系统组成,实现对待测结构内部压力、温度环境的模拟。
测量与控制模块C由计算机25、巡检仪24以及各类温度传感器组成,实现系统温度、压力等数据的采集、传输和储存,同时实现对热源加热功率以及闸阀等设备开关的控制。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1,该装置主要分为3部分:空间环境模拟模块A、内部环境模拟模块B、测量与控制模块C。
空间环境模拟模块A包括环境模拟试验舱1、真空模拟系统和低温模拟系统。真空模拟系统利用机械泵17进行预抽、利用分子泵15抽吸建立10-3Pa量级的高真空环境,分别使用电阻规2、电离规3、水银真空计4实现对不同真空度和气体成分的气体测量,压力变送器5用于实时监测舱压变化。闸阀6、闸阀7用于实现对于不同类型真空计的选择,当气体成分以氮气为主时打开闸阀6,对于CO2、Ar等为主气体环境打开闸阀7。截止阀13、预抽阀14、前级阀16用于实现对真空泵的选择与控制。低温模拟系统利用液氮对热沉11制冷、通过调节阀8控制流出液氮储罐9的液氮流量,以实现对热沉温度的控制,液氮流经热沉后气化,从氮气出口10排出。
内部环境模拟模块B由模拟热源23对待测试的充气加压结构22进行加热,根据热试验设计需要模拟功率恒定或者变化的热源。利用机械泵18、截止阀19、压力变送器20、充气阀21组成的内部压力控制系统,对充气加压结构22的内部压力进行实时控制,使结构内部和外部的压力差值始终维持在合理的范围之内,确保试验结构的安全性。
测量与控制模块C利用计算机25控制程序对热源、真空泵设备、闸阀等进行控制,利用巡检仪24采集获得各类温度传感器数据,并储存于试验计算机数据库中。
本发明的另一方面提供了一种使用上述装置的方法,包括如下步骤:
步骤1:对环境模拟试验舱1进行预抽真空,并动态调节充气加压结构22的压力;
步骤2:监测所述环境模拟试验舱1的压力,当达到一定阈值则用分子泵继续抽真空;监测所述充气加压结构22的压力,当达到工作压力后停止调节;
步骤3:向环境模拟试验舱1中充入预定达到试验要求的试验气体,关闭分子泵;
步骤4:调节所述环境模拟试验舱1和所述充气加压结构22的温度,当温度达到试验要求时开展试验,利用所述测量与控制模块对试验数据进行采集和存储,同时进行试验控制;
步骤5:完成试验后,调整模拟热源,对测试结构进行热保护,待环境温度恢复后,停止对温度的调节;对所述环境模拟试验舱1和所述充气加压结构22同时进行复压,保证结构内外压力维护在合理范围内;将各设备关闭,各闸阀复位。
以一种模拟稀薄大气环境热试验方法为具体实施例,本发明实施步骤如下:
步骤1:依次打开机械泵17、前级阀16、预抽阀14,对环境模拟试验舱1进行预抽;同时,打开机械泵18,依据压力变送器5和压力变送器20的数据,动态调节截止阀19打开程度,使充气加压结构22动态维持在合理的范围内。
步骤2:当压力变送器5示数低于5kPa时,打开闸阀6,此后依据压力变送器20数值判断充气加压结构22是否达到工作压力,达到工作压力后,关闭截止阀19和机械泵18。
步骤3:当电阻规2示数达到10-1Pa时,打开分子泵15,关闭预抽阀14,打开截止阀13,直至电离规3示数达到10-3Pa。
步骤4:关闭闸阀6,打开闸阀7,利用充气阀1向试验舱内充入微量试验气体,当水银真空计4示值达到试验要求时,关闭充气阀1,关闭截止阀13、分子泵15、前级阀16、机械泵17。
步骤5:打开调节阀8,向热沉11通入液氮进行制冷,打开模拟热源23,待热沉温度降低至试验要求时开展试验,利用测量与控制模块C进行试验控制,同时对试验数据进行采集和存储。
步骤6:完成试验后,关闭调节阀8,调整模拟热源23使结构不处于过冷状态。待热沉复温后,关闭模拟热源23。
步骤7:打开充气阀12和充气阀21,使试验舱和测试结构内部同时复压,通过充气阀21开关程度,保证结构内外压力维护在合理范围内。
步骤8:将各设备关闭,各闸阀复位。
综上所述,本发明提供了一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置及其使用方法,所述装置包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块以及测量与控制模块;将所述空间环境模拟模块和内部环境模拟模块的压力、温度调节至试验所需的状态,并利用测量与控制模块采集、传输和储存所述装置的温度、压力数据,同时控制各设备的开关,以达到在模拟空间热环境状态的情况下测试充气加压结构的热防护性能。本发明利用多级真空泵和充放气系统以及不同原理的压力类传感器,实现不同真空度和气体成分的空间环境的有效控制,同时能保证模拟的待测试的充气加压结构的工作压力与内部发热功率与真实使用情况接近,从而开展高逼真度的空间环境热试验。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,其特征在于,包括空间环境模拟模块、内部环境模拟模块以及测量与控制模块;
所述空间环境模拟模块用于模拟不同压力、温度的外部环境,包括环境模拟试验舱(1)、真空模拟系统和低温模拟系统;
所述内部环境模拟模块用于模拟待测结构的压力、温度的内部环境,包括待测试的充气加压结构(22),模拟热源(23)和内部压力控制系统;
所述测量与控制模块用于采集、传输和储存所述装置的温度、压力数据,同时控制所述模拟热源(23)的加热功率以及各设备的开关,包括计算机(25)、巡检仪(24)以及至少一个温度传感器。
2.根据权利要求1所述的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,其特征在于,所述真空模拟系统包括机械泵(17)、分子泵(15)、电阻规(2)、电离规(3)、水银真空计(4)和压力变送器(5)、以及多个气体管路控制闸阀(6、7、12、13、14、16)。
3.根据权利要求2所述的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,其特征在于,所述机械泵(17)和分子泵(15)用于分别构建低真空和高真空环境,并分别通过所述电阻规(2)和电离规(3)测量真空度;水银真空计(4)用于测量稀薄气体环境的真空度;压力变送器(5)用于实时监测所述环境模拟试验舱(1)的压力变化情况。
4.根据权利要求1所述的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,其特征在于,所述低温模拟系统包括液氮储罐(9)、热沉(11)、调节阀(8)和氮气出口(10)。
5.根据权利要求1所述的模拟空间环境的充气加压结构热试验装置,其特征在于,所述内部压力控制系统包括机械泵(18)、截止阀(19)、压力变送器(20)和充气阀(21)。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述模拟空间环境的充气加压结构热试验的装置的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:对环境模拟试验舱(1)进行预抽真空,并动态调节充气加压结构(22)的压力;
步骤2:监测所述环境模拟试验舱(1)的压力,当达到一定阈值则用分子泵继续抽真空;监测所述充气加压结构(22)的压力,当达到工作压力后停止调节;
步骤3:向环境模拟试验舱(1)中充入预定达到试验要求的试验气体,关闭分子泵;
步骤4:调节所述环境模拟试验舱(1)和所述充气加压结构(22)的温度,当温度达到试验要求时开展试验,利用所述测量与控制模块对试验数据进行采集和存储,同时进行试验控制;
步骤5:完成试验后,恢复环境温度并停止对温度的调节;对所述环境模拟试验舱(1)和所述充气加压结构(22)同时进行复压,保证结构内外压力维护在合理范围内;将各设备关闭,各闸阀复位。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤1具体为:依次打开机械泵(17)、前级阀(16)、预抽阀(14),对环境模拟试验舱(1)进行预抽真空;同时,打开机械泵(18),依据压力变送器(5)和压力变送器(20)的数据,动态调节截止阀(19)的打开程度,使充气加压结构(22)动态维持在合理的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤2中,当压力变送器(5)示数低于5kPa时,打开闸阀(6),此后依据压力变送器(20)数值判断充气加压结构(22)是否达到工作压力,达到工作压力后,关闭截止阀(19)和机械泵(18);当电阻规(2)示数达到10-1Pa时,打开分子泵(15),关闭预抽阀(14),打开截止阀(13),直至电离规(3)示数达到10-3Pa。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤3中,关闭闸阀(6),打开闸阀(7),利用充气阀(21)向试验舱内充入微量试验气体,当水银真空计(4)示值达到试验要求时,关闭充气阀(21),关闭截止阀(13)、分子泵(15)、前级阀(16)和机械泵(17)。
10.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤4中,打开调节阀(8),向热沉(11)通入液氮进行制冷,打开模拟热源(23),待热沉温度降低至试验要求时开展试验。
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