CN110860530A - 适用于航天器的污染控制装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于航天器的污染控制装置与方法，包括加热屏、冷屏、真空容器、真空抽气系统及液氮系统；加热屏和冷屏设置于真空容器内部；加热屏将真空容器侧面覆盖，冷屏将真空容器的两端覆盖，加热屏与冷屏形成一个待清洁试件容纳空间；冷屏包括胀板和条形挡板，胀板由两块周边密封并通过激光焊和充压围绕激光焊点形成多个相互连通的鼓包的不锈钢板组成，液氮入口和液氮出口连通鼓包；胀板靠近加热屏的一侧设置多条条形挡板，多条条形挡板相互平行并与胀板之间具有夹角而形成百叶窗结构。本发明采用加热屏烘烤试件，对试件更具通用性，即使试件形状不规则也能高精度控温，加热挥发污染物沉积在冷屏上,避免对空间环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及空间环境模拟设备技术领域，具体地，涉及适用于航天器的污染控制装置与方法。
背景技术
随着空间技术的发展和国防、经济的需要，要求航天器具备更精确和复杂的光学、热控、导航定位控制及更长的使用寿命。航天器分系统上的任何污染沉积都会在一定程度上改变系统的性能。航天器研制、组装、试验、储存、运输等过程中，都会受到外界环境及航天器自身的污染。因此必须建立航天器研制全过程污染控制体系。各类文献等相关资料显示，传统常压烘烤除气的效率差，高温挥发出的物质由于分子平均自由程易发生二次污染，而真空烘烤除气可很大程度解决以上问题，实现减少航天器污染物的作用。
目前国内外的航天器真空烘烤除气试验通常是在环境模拟设备上进行的，而该试验会使得挥发出来的污染物直接凝结或沉积到环境模拟设备的热沉上，从而影响整个环境模拟设备的性能及后续热真空、热平衡试验的实施。且大多数烘烤除气罐采用红外灯阵配合热沉冷背景进行烘烤温度的控制，该方式具有液氮消耗量大、热沉容易受污染、灯阵所需电源数量多、通用性差、温度易超调等局限性，因此急需研发一套控温精度高、通用性好、试验效率高且成本低的航天器污染控制装置。
公开号为CN108099277A的中国专利文献公开了一种航天器用分子污染沉积控制结构，包括分子污染沉积多孔结构层、绝热层和低放气材料层共三层结构，其中绝热层设置另两个层之间且绝热层侧面向上伸出，将多孔材料层的侧面进行包覆。本发明的分子污染控制装置，可有效的实现有机分子污染的沉积，对一些敏感光学镜头的分子污染阻挡，效率可达90％以上。但是，不可避免还是有一部分污染物沉积沉积到航天器表面，此时就需要另外一种除去航天器表面沉积的污染物的装置和方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于航天器的污染控制装置与方法。
根据本发明的一个方面，提供一种适用于航天器的污染控制装置，包括加热屏、冷屏、真空容器、真空抽气系统以及液氮系统；
所述真空抽气系统包括冷阱、高真空抽气系统以及粗抽系统；
所述加热屏和冷屏设置于真空容器内部；所述粗抽系统连接真空容器，高真空抽气系统通过冷阱连接真空容器，粗抽系统与高真空抽气系统连接；所述液氮系统分别与冷屏和冷阱连接；
所述加热屏将真空容器侧面覆盖，所述冷屏将真空容器的两端覆盖，加热屏与冷屏形成一个待清洁试件容纳空间，所述冷屏与真空容器两端部之间具有间隙；
所述冷屏包括胀板以及条形挡板，所述胀板由两块不锈钢板焊接形成，两块不锈钢板的周边密封连接且中间设置有一个或多个激光焊点，在激光焊点通过激光焊接将两块不锈钢板中间连接形成夹层结构，对两个不锈钢板的夹层进行充压，使得围绕激光焊点形成多个相互连通的鼓包；所述不锈钢板在焊接时预留液氮入口和液氮出口，所述液氮入口和液氮出口连通鼓包；所述胀板靠近加热屏的一侧设置多条条形挡板，多条条形挡板相互平行并与胀板之间具有夹角而形成百叶窗结构。
优选地，所述加热屏的内壁面经过发黑处理，加热屏处于工作状态时，加热屏表面的温度高于50℃。
优选地，所述冷屏的中间设置有视窗，真空容器与冷屏的对应位置上设置有视窗；所述视窗与冷屏温度隔离。
优选地，所述冷屏和冷阱通过液氮制冷的方式实现表面温度低于-100℃。
优选地，所述真空抽气系统通过真空容器预留法兰实现与真空容器的连接，真空抽气系统对真空容器抽真空时，能够将真空容器内的真空度抽至1×10-2Pa以下。
优选地，所述液氮系统包括两个低温液氮储槽，两个低温液氮储槽分别为一工作槽和一回收槽，所述工作槽和回收槽能够相互切换使用。
根本本发明的另一个方面，提供一种适用于航天器的污染控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待清洁试件放置于真空容器内的加热屏内部，开启粗抽系统对真空容器抽真空；
步骤二：待真空容器内的真空度低于10Pa后，开启高真空抽气系统对真空容器抽真空；
步骤三：待真空容器内的真空度低于1×10-2Pa后，开启液氮系统对冷屏进行冷却降温；
步骤四：待冷屏表面温度低于-100℃后，开启加热屏；
步骤五：将加热屏加热到50℃以上，并持续48小时以上；
步骤六：打开真空容器，将试件取出，完成对试件的清洁。
优选地，采用任一项所述的适用于航天器的污染控制装置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用加热屏对试件进行烘烤加热，对试件更具通用性，即使试件形状不规则也能高精度控温；同时，加热屏提供的烘烤温度均匀性好，克服了传统烘烤罐使用红外灯阵加热方式时需要大量电源及热沉冷背景所需液氮消耗量大等问题。
2、本发明基于黑体加热原理，对加热屏的内壁面进行发黑处理，有效提高热辐射系数和吸收率。
3、本发明通过真空烘烤将试件挥发性的污染物释放出来，并通过冷屏沉积污染物，避免挥发出来的污染物直接凝结或沉积在空间环境模拟设备的热沉上，以确保整个环境模拟设备的性能及后续热真空、热平衡试验的实施。
4、本发明提供的冷屏包括胀板结构，冷屏结构简单，加工方便，与采用盘管降温方式相比，显著增加了液氮对冷屏的制冷效率和均匀性，大大降低成本，具有良好的经济效益。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明适用于航天器的污染控制装置的结构示意图。
图2为本发明冷屏与真空容器的示意图。
图3为图2沿A-A线的剖视透视图。
图4为本发明胀板一个方向的剖视图。
图5为本发明胀板另一个方向的剖视图。
图中示出：
1-大门冷屏 5-高真空抽气系统 9-大门冷屏冷板
2-加热屏 6-粗抽系统 10-大门冷屏条形挡板
3-封头冷屏 7-真空容器 11-封头冷屏冷板
4-冷阱 8-液氮系统 12-封头冷屏条形挡板
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明提供的适用于航天器的污染控制装置，是一种结合高精度控温功能、真空抽气系统及低温冷凝沉积的装置，通过真空烘烤将试件中挥发性的污染物释放出来，并通过冷屏沉积污染物，实现航天器的污染物控制。具体而言，该装置集真空、低温、热控、智能化控制等技术于一体，整体采用模块化标准设计，并采用加热屏加热的方式，对试验产品更具有通用性，烘烤温度的均匀性进一步提高，克服了传统烘烤罐使用红外灯阵加热方式时需要大量电源及热沉冷背景所需液氮消耗量大等问题，并大幅度解决航天器污染物控制问题，进一步提高烘烤除气的试验效率及成本。本发明的主要技术创新有：解决航天器不规则形状高精度控温；通过真空烘烤加低温冷屏的形式；基于黑体加热原理，实现了航天器污染控制试验高通用性及自适应性；克服传统烘烤罐使用红外灯阵加热方式时需要大量电源及热沉冷背景所需液氮消耗量大等问题。
根据本发明的一个方面，提供一种适用于航天器的污染控制装置，如图1-3所示，包括加热屏2、冷屏、真空容器7、真空抽气系统以及液氮系统8；所述真空抽气系统包括冷阱4、高真空抽气系统5以及粗抽系统6；所述加热屏2和冷屏设置于真空容器7内部；所述粗抽系统6连接真空容器7，高真空抽气系统5通过冷阱4连接真空容器7，粗抽系统6与高真空抽气系统5连接；所述液氮系统8分别与冷屏和冷阱4连接；所述加热屏2将真空容器7侧面覆盖，所述冷屏将真空容器7的两端覆盖，加热屏2与冷屏形成一个待清洁试件容纳空间；所述冷屏包括胀板以及条形挡板，所述胀板由两块不锈钢板焊接形成，两块不锈钢板的周边密封连接且中间设置有一个或多个激光焊点，在激光焊点通过激光焊接将两块不锈钢板中间连接形成夹层结构，对两个不锈钢板的夹层进行充压，使得围绕激光焊点形成多个相互连通的鼓包；所述不锈钢板在焊接时预留液氮入口和液氮出口，所述液氮入口和液氮出口连通鼓包；所述胀板靠近加热屏的一侧设置多条条形挡板，多条条形挡板相互平行并与胀板之间具有夹角而形成百叶窗结构。在污染控制过程中加热屏提供的高温使得试件上的污染物挥发出来，挥发出的污染物流向冷屏并与冷屏的条形挡板接触，从而在条形挡板上沉积。冷屏通过液氮系统8制冷，传统做法是在冷屏上盘绕管道，将管道与液氮系统连接以对冷屏进行降温，该方式使得冷屏的结构复杂，且液氮消耗量大，冷却不均匀，为克服这些问题，本发明的冷屏包括胀板结构，使冷屏具有结构简单和加工方便的优点，液氮直接通过液氮入口进入胀板夹层对冷屏进行制冷，通过两块不锈钢板激光焊点的焊接设计，胀板内部空间形成相互连通的鼓包，液氮在胀板中停留的时间长，制冷效率高，消耗量低，且制冷均匀。优选地，所述真空容器7采用圆柱形筒体设计，加热屏将真空容器7侧面覆盖，烘烤温度的均匀性提高，有利于污染物从试件中挥发出来。
所述加热屏2的内壁面经过发黑处理，加热屏2处于工作状态时，加热屏2表面的温度高于50℃。加热屏2内壁面经过发黑处理，基于黑体加热原理，能够有效提高热辐射系数和吸收率。优选地，加热屏2内壁面涂黑漆。
所述冷屏的中间设置有视窗，真空容器与冷屏的对应位置上设置有视窗；所述视窗与冷屏温度隔离。视窗的设计能够让工作人员实时监测待清洁试样的清洁情况，视窗与冷屏温度隔离，以避免污染物挥发物在视窗上沉积影响视窗作用的发挥。
所述冷屏和冷阱4通过液氮制冷的方式实现表面温度低于-100℃。所述真空抽气系统通过真空容器7预留法兰实现与真空容器7的连接，真空抽气系统对真空容器7抽真空时，能够将真空容器7内的真空度抽至1×10-2Pa以下。具体地，先用粗抽系统6对真空容器7抽真空，待真空容器7内的真空度低于10Pa后，开启高真空抽气系统5对真空容器7抽真空，直至真空容器内的真空度低于1×10-2Pa后。
所述液氮系统8包括两个低温液氮储槽，两个低温液氮储槽分别为一工作槽和一回收槽，所述工作槽和回收槽能够相互切换使用，以减少液氮能源的浪费，降低成本。
根据本发明的另一个方面，提供一种适用于航天器的污染控制方法，包括以下步骤：
步骤一：将待清洁试件放置于真空容器7内的加热屏2内部，开启粗抽系统6对真空容器7抽真空；
步骤二：待真空容器7内的真空度低于10Pa后，开启高真空抽气系统5对真空容器7抽真空；
步骤三：待真空容器7内的真空度低于1×10-2Pa后，开启液氮系统8对冷屏进行冷却降温；
步骤四：待冷屏表面温度低于-100℃后，开启加热屏2；
步骤五：将加热屏2加热到50℃以上，并持续48小时以上；
步骤六：打开真空容器7，将试件取出，完成对试件的清洁。
适用于航天器的污染控制方法采用任一项所述的适用于航天器的污染控制装置。
优选实施例：
本发明提供的适用于航天器的污染控制装置，包括冷屏、液氮系统、真空抽气系统、加热系统。本发明利用真空烘烤除气的方法，结合冷屏及液氮系统，对航天器在真空烘烤除气过程中释放的污染物进行收集沉积处理，实现航天器污染控制。
根据本发明提供的一种适用于航天器的污染控制装置，如图1-3所示，包括冷屏、加热屏2、冷阱4、高真空抽气系统5、粗抽系统6、真空容器7以及液氮系统8；所述冷屏包括大门冷屏1、封头冷屏3，所述真空容器7为装置主体结构，大门冷屏1、加热屏2、封头冷屏3安装在真空容器7内部；冷阱4与真空容器7连接；高真空抽气系统5与冷阱4连接；粗抽系统6与真空容器7及高真空抽气系统5连接；液氮系统8与大门冷屏1、封头冷屏3及冷阱4连接。
所述大门冷屏1包括大门冷屏冷板9和大门冷屏条形挡板10，所述封头冷屏3包括封头冷屏冷板11和封头冷屏条形挡板12。所述大门冷屏1和封头冷屏3在工作时，表面温度低于-100℃；加热屏2表面喷黑漆，且在工作时，表面温度高于50℃；冷阱4在工作时，表面温度低于-100℃；高真空抽气系统5可将真空容器7内的真空度抽至1×10-2Pa以下；粗抽系统6可将真空容器7内的真空度抽至10Pa以下；液氮系统8可提供温度低于-173℃的液氮；污染物控制试验需连续运行48小时以上。
进行航天器污染物控制的具体步骤如下：将航天器放置于真空容器7内后，开启粗抽系统6；待真空容器7内的真空度低于10Pa后，开启高真空抽气系统5；待真空容器7内的真空度低于1×10-2Pa后，开启液氮系统8；待冷屏1、封头冷屏3、冷阱4表面温度低于-100℃后，开启加热屏2；将加热屏2加热到50℃以上，并持续48小时以上。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，包括加热屏(2)、冷屏、真空容器(7)、真空抽气系统以及液氮系统(8)；
所述真空抽气系统包括冷阱(4)、高真空抽气系统(5)以及粗抽系统(6)；
所述加热屏(2)和冷屏设置于真空容器(7)内部；所述粗抽系统(6)连接真空容器(7)，高真空抽气系统(5)通过冷阱(4)连接真空容器(7)，粗抽系统(6)与高真空抽气系统(5)连接；所述液氮系统(8)分别与冷屏和冷阱(4)连接；
所述加热屏(2)将真空容器(7)侧面覆盖，所述冷屏将真空容器(7)的两端覆盖，加热屏(2)与冷屏形成一个待清洁试件容纳空间，所述冷屏与真空容器7两端部之间具有间隙；
所述冷屏包括胀板以及条形挡板，所述胀板由两块不锈钢板焊接形成，两块不锈钢板的周边密封连接且中间设置有一个或多个激光焊点，在激光焊点通过激光焊接将两块不锈钢板中间连接形成夹层结构，对两个不锈钢板的夹层进行充压，使得围绕激光焊点形成多个相互连通的鼓包；所述不锈钢板在焊接时预留液氮入口和液氮出口，所述液氮入口和液氮出口连通鼓包；所述胀板靠近加热屏的一侧设置多条条形挡板，多条条形挡板相互平行并与胀板之间具有夹角而形成百叶窗结构。
2.根据权利要求1所述的适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，所述加热屏(2)的内壁面经过发黑处理，加热屏(2)处于工作状态时，加热屏(2)表面的温度高于50℃。
3.根据权利要求1所述的适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，所述冷屏的中间设置有视窗，真空容器(7)与冷屏的对应位置上设置有视窗；
所述视窗与冷屏温度隔离。
4.根据权利要求1所述的适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，所述冷屏和冷阱(4)通过液氮制冷的方式实现表面温度低于-100℃。
5.根据权利要求1所述的适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，所述真空抽气系统通过真空容器(7)预留法兰实现与真空容器(7)的连接，真空抽气系统对真空容器(7)抽真空时，能够将真空容器(7)内的真空度抽至1×10-2Pa以下。
6.根据权利要求1所述的适用于航天器的污染控制装置，其特征在于，所述液氮系统(8)包括两个低温液氮储槽，两个低温液氮储槽分别为一工作槽和一回收槽，所述工作槽和回收槽能够相互切换使用。
7.一种适用于航天器的污染控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待清洁试件放置于真空容器(7)内的加热屏(2)内部，开启粗抽系统(6)对真空容器(7)抽真空；
步骤二：待真空容器(7)内的真空度低于10Pa后，开启高真空抽气系统(5)对真空容器(7)抽真空；
步骤三：待真空容器(7)内的真空度低于1×10-2Pa后，开启液氮系统(8)对冷屏进行冷却降温；
步骤四：待冷屏表面温度低于-100℃后，开启加热屏(2)；
步骤五：将加热屏(2)加热到50℃以上，并持续48小时以上；
步骤六：打开真空容器(7)，将试件取出，完成对试件的清洁。
8.根据权利要求7所述的一种适用于航天器的污染控制方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的适用于航天器的污染控制装置。
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