CN109799421B - 宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统，包括：真空系统、低温系统、温控系统、工装系统、测试系统，真空系统的真空容器形成密闭空间，下侧装有用于受试产品的承载平台，低温系统为产品提供模拟空间低温和无反射状态的冷黑环境，温控系统下通过改变连接器表面温度，改变测温传感器的测量信号，工装系统中的加热器件固定工装放置在真空容器安装平台上，用于将加热器件固定在受试产品周围的指定位置且光缆连接器真实模拟在轨工况的安装方式与热传导路径。本发明结构简单且能进行有效控制，且方便安装调试，易于进行多种应力试验矩阵的设计和实施。

Description

宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统

技术领域

本发明属于宇航光通信器件综合环境试验技术领域，具体来说，本发明涉及一种针对宇航穿舱连接器开展地面模拟综合环境实验研究的装置。

背景技术

随着航天器在轨传输数据量显著增加，数据量在航天器上高速、准确、可靠地传输成为提高航天器通信系统性能指标的重要标志。航天器传输总线逐渐由传统电缆网向光缆网发展，随着光缆应用从舱内到舱外，光缆的应用环境变得非常严酷，如温度-150℃至150℃的高低温交变环境，而这些环境因素会影响光缆的数据传输效率，更有可能加速光缆固有缺陷的演化，造成光缆的性能退化或者失效。高温容易导致光缆的涂敷层、橡胶和有机塑料等老化，从而降低对光缆的保护作用；低温主要影响材料的物理和化学性质，导致光纤折射率发生变化，从而改变其偏振性能；高低温交变的环境使得光缆的高分子聚合物外护套产生收缩舒张效应，导致光缆的应力分布不均匀，使微裂纹扩展影响光缆的机械性能，严重时会使光缆断裂。随着我国航天事业的快速发展，近几年的航天器通讯系统度必须面对太空中严酷环境考验的问题，尤其是将光纤精确对齐的宇航穿舱光缆连接器，需要同时面临航天器舱内的热辐射环境和太空中的冷黑真空等环境。作为连接航天器外部光缆与内部光缆的关键部件，要求具有较高的可靠性水平，有必要在地面开展综合环境实验研究。

开展宇航光缆连接器的综合环境实验研究主要是对其在真实模拟在轨环境下的连接器插回损变化进行研究，开展该实验研究对研制高性能、长寿命的光缆连接器具有十分重要的意义。国内对光缆连接器在轨综合环境下的性能变化数据还没有获得，且试验环境没有统一的标准，同时也缺乏功能相对完善的测试系统，在一定程度上制约了科研人员更加科学系统地研究光缆连接器在轨的寿命特性，也制约了对光缆连接器性能的改进和提高。

如何提供一种宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统，提供真实模拟在轨综合环境实验条件及实现光缆连接器性能的在线测试是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宇航穿舱光缆连接器的综合环境实验研究系统，用于开展宇航穿舱光缆连接器在轨综合环境下性能特性及寿命研究。

本发明通过如下技术方案实现：

宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统，包括：真空系统、低温系统、温控系统、工装系统、测试系统，真空系统包括真空容器，真空容器用于形成密闭空间，真空容器内部下侧装有不锈钢安装平台，用于受试产品的承载；低温系统对真空容器内受试产品提供模拟空间低温和无反射状态的冷黑环境，温控系统在真空容器内的冷黑环境下对连接器表面输出辐射热流，改变连接器表面温度，从而改变测温传感器的测量信号；其中，工装系统由光缆连接器固定工装、加热器件固定工装组成；加热器件固定工装放置在真空容器安装平台上，加热器件固定工装通过螺栓固定在真空容器安装平台上，并通过螺接与加热器件连接，用于将加热器件固定在受试产品周围的指定位置；光缆连接器固定工装通过螺接与受试连接器连接，以保证受试产品以特定方式固定在真空容器中，真实模拟在轨工况的安装方式与热传导路径，测试系统采用MAP-200型多应用测试平台，包括MAP Morl/mlL插损/回损测试仪和一体测试计算机，测试系统将被测光纤和光缆连接器通过穿舱法兰连接与罐外标准测试光纤熔接，并套热缩管进行保护，标准测试光纤连接至插回损测试仪的输入端，插回损测试仪通过网关连接至一体测试计算机进行讯通并实时采集光纤回损数据。

其中，真空系统主要由真空容器、低真空系统、高真空系统和阀门组成，真空容器上装有法兰，用于容器内、外的电信号传输；低真空系统通过粗抽阀门与真空容器连接，用于将真空容器内的气压降至3Pa水平；高真空系统通过高阀与真空容器连接，用于将真空容器内的气压由3Pa水平降至优于1.33×10^-3Pa水平。

其中，低温系统主要由制冷机、热沉、附属管路和阀门组成，制冷机主要用于压缩空气带走热量，附属管路将制冷机和热沉连接起来，通过阀门控制管路的开、闭，从而将制冷机产生的制冷剂引入到热沉。

进一步地，上述热沉靠近真空容器内侧表面布置，形成近似封闭的“内胆”，为管路+腹板结构，热沉内侧表面喷涂黑漆，表面吸收率优于0.9，当有液氮在热沉内流动时，为受试产品提供模拟空间低温和无反射状态的冷黑环境。

其中，温控系统主要由加热器件、测温传感器、测量线缆、穿舱插头组、控制信号线缆、控温仪、加热电源、加热线缆组成，加热器件通过其固定工装固定在受试连接器舱外端，受试连接器舱内端朝热沉放置，测温传感器通过粘接方式安装在产品表面，用以测量产品温度，测温传感器与真空容器内测量线缆连接，并通过安装在真空容器法兰处的穿舱插头组与容器外测量线缆对应连接，容器外测量线缆接入控温仪；控温仪依据测温传感器的测量信号产生控制信号，并经控制信号线缆传输至加热电源，使加热电源产生一定的直流电流和电压输出，并先后通过容器外加热线缆、穿舱插头组和容器内加热线缆传输至加热器件，使加热器件通电，改变测温传感器的测量信号。

进一步地，上述控温仪的控制信号随测温传感器的测量信号实时调整，从而实现闭环控温。

优选地，真空系统可采用干泵或机械泵；

优选地，真空容器采用不锈钢制作，为卧式圆柱体；

优选地，热沉采用黄铜材料制成；

优选地，真空管道采用真空波纹管；

优选地，真空规选用满量程为1000mbar-1mbar的薄膜规，满足光缆连接器在轨的压力范围和测量精度要求；

优选地，加热器件采用红外石英灯；

优选地，测温传感器可为T型热电偶或铂电阻；

优选地，产品安装工装采用铝合金材料制作。

本发明具有如下的有益效果：

(1)结构简单：本发明的一种宇航光缆连接器综合环境实验研究系统无需对现有的环境模拟设备进行过多改造，利用现有的真空罐，并外接测试系统实现对光缆连接器的在线测试，结构简单并方便安装调试。

(2)有效控制：本发明的一种宇航光缆连接器综合环境实验研究系统中，真空系统、低温系统、温控系统、工装系统、测试系统分开进行控制，方便进行不同试验量级下真空+高温/低温/温度变化等环境应力综合作用下的光缆连接器在线性能测试及研究，易于进行多种应力试验矩阵的设计和实施。

附图说明

图1为本发明的用于宇航光缆连接器综合环境实验研究系统的外轮廓视图。

图2为本发明的用于宇航光缆连接器综合环境实验研究系统真空容器内的组成视图。

其中：1制冷机；2制冷剂回流管路；3粗抽阀门；4粗抽管路；5干泵；6制冷剂入口阀门；7制冷剂入口管路；8高真空泵阀门；9低温泵；10插回损测试仪；11一体测试机；12标准测试光纤；13法兰；14罐外插头；15控温仪电缆；16直流电源电缆；17真空容器；18控温仪；19直流电源；20产品安装平台；21热沉；22红外灯电缆；23温度传感器电缆；24光缆连接器固定工装；25光缆连接器；26被测光纤；27红外灯；28温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的宇航光缆连接器综合环境实验研究系统进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图1和图2，图1和图2分别显示了本发明的用于宇航光缆连接器综合环境实验系统的外轮廓视图和真空容器内的组成视图。根据附图显示可以知晓，本发明的用于宇航光缆连接器综合环境实验研究系统包括制冷机1；制冷剂回流管路2；粗抽阀门3；粗抽管路4；干泵5；制冷剂入口阀门6；制冷剂入口管路7；高真空泵阀门8；低温泵9；插回损测试仪10；一体测试机11；标准测试光纤12；法兰13；罐外插头14；控温仪电缆15；直流电源电缆16；真空容器17；控温仪18；直流电源19；产品安装平台20；热沉21；红外灯电缆22；温度传感器电缆23；光缆连接器固定工装24；光缆连接器25；被测光纤26；红外灯27；温度传感器28。

在一实施方案中，本发明的用于宇航光缆连接器综合环境实验研究系统的制冷机1摆放在专用试验场地的地面上，真空容器17通过地脚螺栓安装在专用试验场地的地面上，制冷剂入口管路7由制冷机1引出，另一端通过法兰螺接在热沉21的进液口上；制冷剂入口阀门6螺接在制冷剂入口管路7上；制冷剂回流管路2通过法兰螺接在热沉21的出液口上，另一端引回至制冷机1；干泵5利用底座安放在真空容器17旁的地面上，粗抽管路4分为两段，第一段的一端通过法兰螺接在干泵5的吸气口上，另一端通过法兰螺接在粗抽阀门3的前端，第二段的一端通过法兰螺接在粗抽阀门3的后端，另一端通过法兰螺接在真空容器17的粗抽口上；低温泵9通过螺接安装在高真空泵阀门8上；受试光缆连接器25通过螺接安装在连接器固定工装24上，被测光纤26通过连接器25穿舱连接；红外灯正27对着光缆连接器25的舱外端和固定工装24一起放置在产品安装平台20上；温度传感器电缆23一端与温度传感器28连接，另一端通过连接器安装在法兰13连接至罐外控温仪18；同样地，红外灯通过电缆也经由法兰13连接至罐外，经由罐外插头14连接直流电源电缆16，最终连接至直流电源19；测试系统采用市面上采购的MAP-200型多应用测试平台，包括MAP Morl/mlL插损/回损测试仪和一体测试计算机，测试系统将被测光纤和光缆连接器通过穿舱法兰连接与罐外标准测试光纤熔接，并套热缩管进行保护，标准测试光纤连接至插回损测试仪的输入端，插回损测试仪通过网关连接至一体测试计算机进行讯通并实时采集光纤回损数据。其中被测光纤26由法兰13与连接至罐外，与标准测试光纤12熔接后，连接至插回损测试仪10，并由一体测试机在线实时采集光缆连接器插回损数据。

本发明的一种宇航光缆连接器综合环境实验研究系统的研制原理如下：

在真空容器17大门关闭、容器内形成封闭空间的情况下，开启粗抽阀门3和干泵5，利用干泵内高速旋转的涡轮叶片形成负压效应，将真空容器17内的空气向外抽出，使真空容器内的压力达到由于3Pa的水平。此时，关闭粗抽阀门3和干泵5，开启低温泵9和高真空阀门8，利用低温泵内温度低于10K的冷头组件对真空容器17内剩余的气体分子进行吸附捕捉，使真空容器内的压力达到10-2Pa左右。在此基础上，开启制冷机1，使制冷剂经入口管路7流入热沉21，在热沉21的管路中充分流动后经回流管路2回到制冷机，从而达到为热沉降温，在真空容器内建立低温冷背景的目的。

在真空和冷黑背景环境中，利用测温传感器28测量光缆连接器25特定位置处的温度值，测量信号经温度传感器电缆传入控温仪18，控温仪将温度的测量值和给定的目标值进行对比，经过计算后产生控制信号传入直流电源19，使电源19产生一定的直流电流和电压输出，并先后通过红外灯电缆对其加电，从而在真空容器内的冷黑背景环境下对光缆连接器25表面输出特定的辐射热流，改变其表面温度，从而改变测温传感器28的测量信号；控温仪18的控制信号随测温传感器28的测量信号实时调整，从而实现闭环控温，使光缆连接器25的温度按照给定的温度值和变温速率实现升温、降温或温度保持，从而真实模拟连接器在轨遭受的高温、低温或温度变化环境载荷。

在真空和冷黑背景环境中，一体测试机11通过插回损测试仪10各通道引出的标准测试光纤12，和被测光纤26两端熔接，并经由穿舱插头和法兰13连接至真空容器17内的光缆连接器25，形成信号通路，实现光缆连接器插回损的实时在线测试。

上述研究系统，可为光缆连接器提供在轨真空、高温/低温/温度变化应力试验环境，并且能够实现插回损在线测试和数据实时采集，可用于宇航穿舱光缆的长寿命试验验证和评估。

本发明的实验研究系统的试验能力：环境压力(真空度)：优于1.33×10-3Pa，冷背景热沉温度：优于100K，热沉背景表面吸收率：优于0.9，试验件最大加热能力：优于150℃，试验件最大降温能力：优于-150℃，插回损数据采样频率：优于10次/分钟。

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，我们可以依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.宇航光缆连接器的综合环境实验研究系统，包括：真空系统、低温系统、温控系统、工装系统、测试系统，真空系统包括真空容器，真空容器用于形成密闭空间，真空容器内部下侧装有不锈钢安装平台，用于受试产品的承载；低温系统对真空容器内受试产品提供模拟空间低温和无反射状态的冷黑环境，温控系统在真空容器内的冷黑环境下对连接器表面输出辐射热流，改变连接器表面温度，从而改变测温传感器的测量信号；其中，工装系统由光缆连接器固定工装、加热器件固定工装组成；加热器件固定工装放置在真空容器安装平台上，加热器件固定工装通过螺栓固定在真空容器安装平台上，并通过螺接与加热器件连接，用于将加热器件固定在受试产品周围的指定位置；光缆连接器固定工装通过螺接与受试连接器连接，以保证受试产品固定在真空容器中，真实模拟在轨工况的安装方式与热传导路径，测试系统采用MAP-200型多应用测试平台，包括MAP Morl/mlL插损/回损测试仪和一体测试计算机，其中被测光纤和光缆连接器通过穿舱法兰连接与罐外标准测试光纤熔接，并套设热缩管进行保护，标准测试光纤连接至插损/回损测试仪的输入端，插损/回损测试仪通过网关连接至一体测试计算机进行通讯并实时采集光纤回损数据。

2.如权利要求1所述的系统，其中，真空系统主要由真空容器、低真空系统、高真空系统和阀门组成，真空容器上装有法兰，用于容器内、外的电信号传输；低真空系统通过粗抽阀门与真空容器连接，用于将真空容器内的气压降至3Pa水平；高真空系统通过阀门与真空容器连接，用于将真空容器内的气压由3Pa水平降至低于1.33×10^-3Pa水平。

3.如权利要求1所述的系统，其中，低温系统主要由制冷机、热沉、附属管路和阀门组成，制冷机主要用于压缩空气带走热量，附属管路将制冷机和热沉连接起来，通过阀门控制管路的开、闭，从而将制冷机产生的制冷剂引入到热沉。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述热沉靠近真空容器内侧表面布置，形成封闭的“内胆”，为管路加腹板结构，热沉内侧表面喷涂黑漆，表面吸收率大于0.9，当有液氮在热沉内流动时，为受试产品提供模拟空间低温和无反射状态的冷黑环境。

5.如权利要求1所述的系统，其中，温控系统主要由加热器件、测温传感器、测量线缆、穿舱插头组、控制信号线缆、控温仪、加热电源、加热线缆组成，加热器件通过其固定工装固定在受试连接器舱外端，受试连接器舱内端朝热沉放置，测温传感器通过粘接方式安装在产品表面，用以测量产品温度，测温传感器与真空容器内测量线缆连接，并通过安装在真空容器法兰处的穿舱插头组与容器外测量线缆对应连接，容器外测量线缆接入控温仪；控温仪依据测温传感器的测量信号产生控制信号，并经控制信号线缆传输至加热电源，使加热电源产生一定的直流电流和电压输出，并先后通过容器外加热线缆、穿舱插头组和容器内加热线缆传输至加热器件，使加热器件通电，改变测温传感器的测量信号。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述控温仪的控制信号随测温传感器的测量信号实时调整，从而实现闭环控温。

7.如权利要求1所述的系统，其中，真空系统采用机械泵，真空容器采用不锈钢制作，为卧式圆柱体。

8.如权利要求3所述的系统，其中，热沉采用黄铜材料制成。

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