CN109573116B - 一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统 - Google Patents

一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统 Download PDF

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Abstract

一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，包括低冲击空间对接性能测试装置、加热/制冷循环机、真空泵、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置、电子束和质子束辐照环境模拟装置以及紫外辐照环境模拟装置；原子氧和等离子体辐照环境模拟装置、电子束和质子束辐照环境模拟装置、紫外辐照环境模拟装置用于模拟太空相应的辐照环境；加热/制冷循环机用于提供各种温度条件下的模拟试验环境；真空泵用于提供太空真空环境的模拟；低冲击空间对接性能测试装置用于模拟低冲击空间对接密封试件在各种载荷、速度、位移边界下的交会对接过程。本发明能够模拟各种太空工况环境，在地面对对接性能进行充分验证。

Description

一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统
技术领域
本发明涉及一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，属于航天器空间对接领域。
背景技术
包括我国在内的各航天大国均在研制具有低冲击、高可靠性、规范性、多功能性、轻质高效以及智能化等典型技术特征的新一代航天器空间对接系统，因其最大特点为柔性对接，对接接触过程撞击载荷较小，故将新一代航天器空间对接系统统称为低冲击对接系统(具体结构形式各国均不相同)。
密封是航天器空间交会对接过程的主要环节之一，追踪飞行器和目标飞行器对齐拉紧后，两个对接系统进行密封、锁合并建立刚性连接，形成一个密封的输送通道。安装在两对接系统接口处的对接密封装置即是保证对接密封性能的主要部件，该装置除保证对接过程及完成后舱内空气等物质的极低泄漏外，还应在太空环境下具有低载荷、易对接、易分离、冗余密封以及反复使用等特性。
低冲击空间对接密封装置较小的密封载荷是低冲击空间对接系统实现低冲击接触对接的主要前提之一，在满足密封要求的同时，对接密封之间的挤压力和粘着力应尽量小，且两者的指标要求也必须满足。如对接密封装置挤压力较大，则对低冲击空间对接系统的拉紧力提出更高要求，对低冲击空间对接系统的整体性能及功能实现造成较大影响；如对接密封之间的粘着力较大，可导致密封结构撕裂失效，甚至导致对接飞行器无法分离。另外，低冲击空间对接密封装置需满足多次重复配合、长周期配合等对接工况，以及满足在轨航天器寿命周期内多次使用的要求，因此要求其在对接分离过程中具有良好的摩擦磨损性能。为研究低冲击空间对接密封装置对接力学性能及摩擦磨损特性，在其产品研制过程中，需开发试验系统模拟各种太空工况环境，在地面对对接性能进行充分验证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，能够模拟各种太空工况环境，在地面对对接性能进行充分验证。
本发明的技术解决方案是：
一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，包括低冲击空间对接性能测试装置、加热/制冷循环机、真空泵、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置、电子束和质子束辐照环境模拟装置以及紫外辐照环境模拟装置；
原子氧和等离子体辐照环境模拟装置用于模拟太空原子氧和等离子体的辐照环境；电子束和质子束辐照环境模拟装置用于模拟太空电子束和质子束辐照环境；紫外辐照环境模拟装置用于模拟太空紫外线辐照环境；
加热/制冷循环机与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供各种温度条件下的模拟试验环境；
真空泵与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供太空真空环境的模拟；
低冲击空间对接性能测试装置用于模拟低冲击空间对接密封试件在各种载荷、速度、位移边界下的交会对接过程。
低冲击空间对接性能测试装置包括目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、测力传感器、隔热轴、拉压力传感器、电动直线加载系统、电动直线加载系统防振基座、环境箱底板、立柱和环境箱；
目标飞行器端密封试件放置于目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中，追踪飞行器端密封试件放置于追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中；目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，所述目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件完全对接，形成对接密封装置；
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置固定在立柱上，立柱固定在环境箱底板上，环境箱罩在上述目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和立柱形成的整体结构外侧，且环境箱固定在高低温/真空环境箱底板上；隔热轴一端与追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置连接，另一端穿出环境箱后与电动直线加载系统连接，隔热轴上设置有测力传感器和拉压力传感器，所述电动直线加载系统位于电动直线加载系统防振基座上。
追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第一外填充环、第一密封卡板和第一内填充环；
第一密封卡板上开有圆环形凹槽，追踪飞行器端密封试件放置于所述圆环形凹槽中；在所述圆环形凹槽中，追踪飞行器端密封试件的两侧放置有第一外填充环和第一内填充环，且第一内填充环的位置靠近追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第二外填充环、第二密封卡板和第二内填充环；
第二密封卡板上开有圆环形凹槽，目标飞行器端密封试件放置于所述圆环形凹槽中；在所述圆环形凹槽中，目标飞行器端密封试件的两侧放置有第二外填充环和第二内填充环，且第二内填充环的位置靠近目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，在目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件对接面的中心设置有位移传感器。
隔热轴与环境箱相接触的部位进行密封和保温处理。
环境箱与环境箱底板形成密封空间。
环境箱箱壁内设计有夹层，所述夹层通过加热/制冷循环机接管嘴与加热/制冷循环机连通，通过夹层内加热/制冷介质的循环流动，为低冲击空间对接性能测试装置提供所需温度环境。
环境箱通过真空泵接管嘴与真空泵连接，利用真空泵的抽吸功能，将环境箱内的密闭空间抽吸至指定真空度。
环境箱上盖上设置有电子束和质子束辐照环境模拟装置接口、紫外辐照环境模拟装置接口、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置接口，试验时电子束和质子束辐照环境模拟装置、紫外辐照环境模拟装置以及原子氧和等离子体辐照环境模拟装置的模拟辐照束将汇聚于目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件的对接面上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明给出了一种用于开展航天器新型低冲击空间对接密封装置对接性能的测试系统，解决了目前没有同种功能产品或技术方案的问题。
(2)本发明可模拟低冲击空间对接密封装置空间对接过程中所面临的原子氧、紫外线、电离辐射等太空辐照环境，满足低冲击空间对接密封试件辐照条件下的模拟试验环境要求。
(3)本发明可模拟低冲击空间对接密封装置空间对接过程中所面临的高、低温及温度交变工况环境，满足低冲击空间对接密封试件各种温度条件下的模拟试验环境要求。
(4)本发明可模拟低冲击空间对接密封装置空间对接过程中的真空环境，满足低冲击空间对接密封试验件各种工况下的真空环境模拟试验要求。
(5)本发明可在线检测低冲击空间对接密封试件对接过程中的挤压力、分离过程中的粘着力，以及线下分析试件的摩擦磨损情况，可评价和验证低冲击空间对接密封装置各种工况下的对接性能，并满足其测试范围及精度要求。
(6)本发明具有通用性，通过改变内、外填充环大小，可以安装不同规格对接密封试件，可满足当前及计划研制各种规格产品的试验需要。
附图说明
图1为本发明对接性能测试系统组成框图；
图2为低冲击空间对接性能测试装置示意图。
具体实施方式
本发明针对航天器新型低冲击空间对接密封装置的结构特点、工作环境以及对接分离要求，提出了一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，可模拟航天器空间对接过程中的真空、温度及辐照环境，开展不同规格密封试件各种工况下的对接性能试验，系统、全面地验证低冲击空间对接密封装置的对接性能，包括对接进行与保持中的挤压力、分离过程中的粘着力以及对接分离过程中的摩擦磨损情况等，为低冲击空间对接密封装置的材料选择、结构设计、组件装配以及工程应用等提供试验支持。
如图1所示，本发明包括低冲击空间对接性能测试装置、加热/制冷循环机、真空泵、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置、电子束和质子束辐照环境模拟装置和紫外辐照环境模拟装置。
航天器交会对接过程中，追踪飞行器和目标飞行器的对接密封装置将裸露于太空中，原子氧、紫外线、电离辐射等太空环境因素均会对密封装置产生较大影响。
原子氧和等离子体辐照环境模拟装置用于模拟太空原子氧和等离子体的辐照环境；电子束和质子束辐照环境模拟装置用于模拟太空电子束和质子束辐照环境；紫外辐照环境模拟装置用于模拟太空紫外线辐照环境。相关技术参数包括：原子氧和等离子体辐照环境模拟装置产生的原子氧束流，平均动能应达5eV、通量密度应该达到5×1015atom/cm2s；产生的氧等离子体环境，电子温度可达5eV、电子密度可达3×1016/m3；电子束和质子束辐照环境模拟装置产生的电子和质子的总流强均可达到10mA量级，平均束流密度为500μA/cm2；紫外辐照环境模拟装置产生的紫外辐照强度，可达300W/m2。
航天器空间交会对接所面临的太空温度环境存在高、低温及温度交变，温度范围-120～+125℃，本发明采用加热/制冷循环机与低冲击空间对接性能测试装置连接，实现太空环境温度条件的模拟。所用加热/制冷循环机具有加热和制冷双重功能，可根据需求在-150～+300℃范围内自动加热或制冷至指定温度，并可长时间保持温度恒定。加热/制冷循环机与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供各种温度条件下的模拟试验环境。
航天器交会对接过程中，对接密封装置裸露于太空真空环境中，真空度为1.3×10-4～10-7Pa，本发明采用真空泵实现太空真空环境的模拟。真空泵与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供太空真空环境的模拟。所采用真空泵可根据试验要求在1.0×10-1～10-8Pa范围内调节真空度。
航天器空间交会对接过程通过低冲击空间对接性能测试装置模拟。
如图2所示，低冲击空间对接性能测试装置包括目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、测力传感器5、隔热轴6、拉压力传感器7、电动直线加载系统8、电动直线加载系统防振基座9、环境箱底板10、立柱21和环境箱22；
目标飞行器端密封试件17放置于目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中，追踪飞行器端密封试件2放置于追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中；目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，所述目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件完全对接，形成对接密封装置；
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置固定在立柱21上，立柱21固定在环境箱底板10上，环境箱22罩在上述目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和立柱21形成的整体结构外侧，且环境箱22固定在高低温/真空环境箱底板10上；隔热轴6一端与追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置连接，另一端穿出环境箱22后与电动直线加载系统8连接，隔热轴6上设置有测力传感器5和拉压力传感器7，所述电动直线加载系统8位于电动直线加载系统防振基座9上。电动直线加载系统隔热轴穿过环境箱，通过有效密封及保温措施，将隔热轴往复运动对箱内环境影响降到最低。
具体地，追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第一外填充环1、第一密封卡板3和第一内填充环4。
第一密封卡板3上开有圆环形凹槽，追踪飞行器端密封试件2放置于所述圆环形凹槽中；在圆环形凹槽中，追踪飞行器端密封试件2的两侧放置有第一外填充环1和第一内填充环4，且第一内填充环4的位置靠近追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第二外填充环16、第二密封卡板18和第二内填充环20；
第二密封卡板18上开有圆环形凹槽，目标飞行器端密封试件17放置于所述圆环形凹槽中；在圆环形凹槽中，目标飞行器端密封试件17的两侧放置有第二外填充环16和第二内填充环20，且第二内填充环20的位置靠近目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，在目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件对接面的中心设置有位移传感器19。
环境箱22与环境箱底板10形成密封空间。环境箱22箱壁内设计有夹层，所述夹层通过加热/制冷循环机接管嘴12与加热/制冷循环机连通，通过夹层内加热/制冷介质的循环流动，为低冲击空间对接性能测试装置提供所需温度环境。
环境箱22通过真空泵接管嘴11与真空泵连接，利用真空泵的抽吸功能，将环境箱22内的密闭空间抽吸至指定真空度。
环境箱22上盖上设置有电子束和质子束辐照环境模拟装置接口13、紫外辐照环境模拟装置接口14、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置接口15，试验时电子束和质子束辐照环境模拟装置、紫外辐照环境模拟装置以及原子氧和等离子体辐照环境模拟装置的模拟辐照束将汇聚于目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件的对接面上。
目标飞行器端和追踪飞行器端的密封试件、外填充环、内填充环完全相同；对接密封试件由前端密封、后端密封和保持架组成；通过改变内、外填充环大小，可以安装不同规格对接密封试件。
测力传感器安装在隔热轴上，用于检测低冲击空间对接密封试件之间对接过程中的挤压力和分离过程中的粘结力。位移传感器安装在目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件的对接面上，用于检测两对接密封试件之间的间距。完成对接性能测试的试件可从试验装置中取出，利用白光干涉形貌仪等设备检测及评价其摩擦磨损情况。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：包括低冲击空间对接性能测试装置、加热/制冷循环机、真空泵、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置、电子束和质子束辐照环境模拟装置以及紫外辐照环境模拟装置；
原子氧和等离子体辐照环境模拟装置用于模拟太空原子氧和等离子体的辐照环境；电子束和质子束辐照环境模拟装置用于模拟太空电子束和质子束辐照环境；紫外辐照环境模拟装置用于模拟太空紫外线辐照环境；
加热/制冷循环机与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供各种温度条件下的模拟试验环境；
真空泵与低冲击空间对接性能测试装置连接，用于为低冲击空间对接性能测试装置提供太空真空环境的模拟；
低冲击空间对接性能测试装置用于模拟低冲击空间对接密封试件在各种载荷、速度、位移边界下的交会对接过程；
低冲击空间对接性能测试装置包括目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、测力传感器(5)、隔热轴(6)、拉压力传感器(7)、电动直线加载系统(8)、电动直线加载系统防振基座(9)、环境箱底板(10)、立柱(21)和环境箱(22)；
目标飞行器端密封试件(17)放置于目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中，追踪飞行器端密封试件(2)放置于追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置中；目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，所述目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件完全对接，形成对接密封装置；
目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置固定在立柱(21)上，立柱(21)固定在环境箱底板(10)上，环境箱(22)罩在上述目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置、追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和立柱(21)形成的整体结构外侧，且环境箱(22)固定在环境箱底板(10)上；隔热轴(6)一端与追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置连接，另一端穿出环境箱(22)后与电动直线加载系统(8)连接，隔热轴(6)上设置有测力传感器(5)和拉压力传感器(7)，所述电动直线加载系统(8)位于电动直线加载系统防振基座(9)上。
2.根据权利要求1所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第一外填充环(1)、第一密封卡板(3)和第一内填充环(4)；
第一密封卡板(3)上开有圆环形凹槽，追踪飞行器端密封试件(2)放置于所述圆环形凹槽中；在所述圆环形凹槽中，追踪飞行器端密封试件(2)的两侧放置有第一外填充环(1)和第一内填充环(4)，且第一内填充环(4)的位置靠近追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
3.根据权利要求1所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置包括第二外填充环(16)、第二密封卡板(18)和第二内填充环(20)；
第二密封卡板(18)上开有圆环形凹槽，目标飞行器端密封试件(17)放置于所述圆环形凹槽中；在所述圆环形凹槽中，目标飞行器端密封试件(17)的两侧放置有第二外填充环(16)和第二内填充环(20)，且第二内填充环(20)的位置靠近目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置的中心。
4.根据权利要求1所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：目标飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置和追踪飞行器端低冲击空间对接密封模拟装置对接后，在目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件对接面的中心设置有位移传感器(19)。
5.根据权利要求1所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：隔热轴(6)与环境箱(22)相接触的部位进行密封和保温处理。
6.根据权利要求5所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：环境箱(22)与环境箱底板(10)形成密封空间。
7.根据权利要求6所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：环境箱(22)箱壁内设计有夹层，所述夹层通过加热/制冷循环机接管嘴(12)与加热/制冷循环机连通，通过夹层内加热/制冷介质的循环流动，为低冲击空间对接性能测试装置提供所需温度环境。
8.根据权利要求6所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：环境箱(22)通过真空泵接管嘴(11)与真空泵连接，利用真空泵的抽吸功能，将环境箱(22)内的密闭空间抽吸至指定真空度。
9.根据权利要求6所述的一种低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，其特征在于：环境箱(22)上盖上设置有电子束和质子束辐照环境模拟装置接口(13)、紫外辐照环境模拟装置接口(14)、原子氧和等离子体辐照环境模拟装置接口(15)，试验时电子束和质子束辐照环境模拟装置、紫外辐照环境模拟装置以及原子氧和等离子体辐照环境模拟装置的模拟辐照束将汇聚于目标飞行器端密封试件和追踪飞行器端密封试件的对接面上。
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