CN111232254B - 高精度动态可控的温度模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高精度动态可控的温度模拟装置，温度模拟装置用于控制航天器载荷的温度，所述温度模拟装置包括真空冷黑环境模拟设备、低温平台、辐射边界控温结构和传导边界控温结构，所述传导边界控温结构设于所述低温平台上，航天器载荷设于所述传导边界控温结构上，所述辐射边界控温结构罩于所述航天器载荷外，辐射边界控温结构与传导边界控温结构协同对航天器载荷进行温控，控温方式多样，温度调控范围较大，温控精度较高。辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触，互不影响，控制逻辑更为便捷。

Description

高精度动态可控的温度模拟装置
技术领域
本发明一般涉及航天器载荷地面测试技术领域，具体涉及一种高精度动态可控的温度模拟装置。
背景技术
对于常规航天器载荷的温度敏感元件，为保证其正常使用，对其热控系统的需求一般为温度波动不高于±0.5℃。
随着深空探测任务的不断深入，作为载荷开展探测任务的科学仪器越来越精密，新型空间望远镜、空间引力波探测器的核心部件光学测量元件对于温度环境提出了超高精度要求。
为了验证温度环境变化对载荷内部敏感元件性能的影响，需要在模拟真空低温背景环境下提供一个可控的温度变化测试系统，从而得到温度波动与载荷超敏感元件性能之间的关系，进而对航天器热控系统提出明确的热控需求，实施合理的热控方案。在空间环境模拟试验中，现有的温度模拟装置相对粗糙，通常为控温方式单一，温度调控范围较小，温控精度较差。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高精度动态可控的温度模拟装置。
为了克服现有技术的不足，本发明所提供的技术方案是：
本发明提供一种高精度动态可控的温度模拟装置，其特殊之处在于，温度模拟装置用于控制航天器载荷的温度，所述温度模拟装置包括真空冷黑环境模拟设备、低温平台、辐射边界控温结构和传导边界控温结构；所述传导边界控温结构设于所述低温平台上，所述航天器载荷设于所述传导边界控温结构上，所述辐射边界控温结构罩于所述航天器载荷外，所述辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触；
所述传导边界控温结构包括由下至上依次设置的耐低温阻热结构、高精度调温结构和高效均温结构，所述耐低温阻热结构为能够在低温及局部高温条件下长期稳定工作的金属结构，所述高精度调温结构为具有较高控制精度的电加热片，所述高效均温结构为导热性能良好的平板。
进一步地，所述辐射边界控温结构包括正六面体外壳，所述正六面体外壳的底部设有方形开口，所述航天器载荷穿过所述方形开口伸入所述辐射边界控温结构内。
进一步地，所述正六面体外壳底部设有绝热支腿，所述绝热支腿支撑于所述低温平台上，使得所述正六面体外壳底部与所述低温平台之间形成高度差，所述高度差的大小等于所述传导边界控温结构的厚度。
进一步地，所述高效均温结构与所述辐射边界控温结构底部的方形开口处于同一水平高度上，所述方形开口的尺寸大于所述高效均温结构的截面尺寸。
进一步地，所述正六面体外壳内壁面和外壁面均喷涂吸收率高于0.9的特制黑漆，并且所述正六面体外壳的外壁面贴有电加热片。
进一步地，所述低温平台为内部通有低温工质的金属平板，所述低温工质为不同温度的液氮、液氦、导热硅油或制冷剂。
进一步地，所述辐射边界控温结构和所述传导边界控温结构均采用闭环控制电路实现温度的自动控制；所述闭环控制电路包括温度传感器接口单元、测量单元、控制单元、供电单元和电加热片接口单元，所述温度传感器接口单元将设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的所述温度传感器接入，由所述测量单元获取温度数据并传输给所述控制单元，所述控制单元将所述温度数据与目标温度进行对比运算，获得执行结果传输给所述供电单元，所述供电单元通过所述电加热片接口单元将设定的供电功率输送给设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的电加热片。
进一步地，所述真空冷黑环境模拟设备采用液氮冷却的黑辐射屏，所述黑辐射屏的模拟温度低于100K，吸收系数大于0.9。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的高精度动态可控的温度模拟装置用于控制航天器载荷的温度，所述温度模拟装置包括真空冷黑环境模拟设备、低温平台、辐射边界控温结构和传导边界控温结构，所述传导边界控温结构设于所述低温平台上，航天器载荷设于所述传导边界控温结构上，所述辐射边界控温结构罩于所述航天器载荷外，辐射边界控温结构与传导边界控温结构协同对航天器载荷进行温控，控温方式多样，温度调控范围较大，温控精度较高。辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触，互不影响，控制逻辑更为便捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的高精度动态可控的温度模拟装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高精度动态可控的温度模拟装置的立体结构图；
图3本发明实施例提供的闭环控制电路的连接示意图。
图中：1-辐射边界控温结构，101-正六面体外壳，102-绝热支腿，103-方形开口，2-传导边界控温结构，201-耐低温阻热结构，202-高精度调温结构，203-高效均温结构，3-低温平台，4-航天器载荷，5-真空冷黑环境模拟设备，6-闭环控制电路，601-温度传感器接口单元，602-测量单元,603-控制单元，604-供电单元，605-电加热片接口单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如背景技术中提到的，为了验证温度环境变化对载荷内部敏感元件性能的影响，需要在模拟真空低温背景环境下提供一个可控的温度变化测试系统，从而得到温度波动与载荷超敏感元件性能之间的关系，进而对航天器热控系统提出明确的热控需求，实施合理的热控方案。在空间环境模拟试验中，现有的温度模拟装置相对粗糙，通常为控温方式单一，温度调控范围较小，温控精度较差。
因此，如何能够解决控温方式单一，扩大温度调控范围，提高温控精度，将成为温度模拟装置的改进方向。本申请实施例提供一种高精度动态可控的温度模拟装置来有效解决上述问题。
参照图1至图3，其示出了根据本申请实施例的高精度动态可控的温度模拟装置的具体结构。温度模拟装置用于控制航天器载荷的温度，所述温度模拟装置包括真空冷黑环境模拟设备、低温平台、辐射边界控温结构和传导边界控温结构；所述传导边界控温结构设于所述低温平台上，所述航天器载荷设于所述传导边界控温结构上，所述辐射边界控温结构罩于所述航天器载荷外，所述辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触。
因此辐射边界控温结构和传导边界控温结构具有相互独立的温度控制系统。但二者的温度控制系统均采用闭环控制电路实现温度的自动控制。辐射边界控温结构通过辐射换热的方式，将热量传递给真空冷黑环境模拟设备，传导边界控温结构通过传导换热的方式，将热量传递给低温平台，辐射边界控温结构与传导边界控温结构协同对航天器载荷进行温控，控温方式多样，温度调控范围较大，温控精度较高。辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触，互不影响，控制逻辑更为便捷。
所述真空冷黑环境模拟设备采用液氮冷却的黑辐射屏，所述黑辐射屏的模拟温度低于100K，吸收系数大于0.9。真空冷黑环境为绝对压力不高于1.3×10-3Pa的真空、环境温度低于100K、表面吸收率高于0.9的环境。所述低温平台为内部通有低温工质的金属平板，所述低温工质为不同温度的液氮、液氦、导热硅油或制冷剂。
传导边界控温结构为由多种不同材质及结构组成的复合导热控温结构，其基本功能是在隔绝航天器载荷与低温平台之间较大温差的前提下，能够具备适当且可控的制冷、加热能力，满足传导边界控温结构对航天器载荷的温度控制需求。
所述辐射边界控温结构包括正六面体外壳，所述正六面体外壳内壁面和外壁面均喷涂吸收率高于0.9的特制黑漆，并且所述正六面体外壳的外壁面贴有电加热片，优选的是正六面体外壳的六个外壁面均贴有电加热片。特制黑漆在-196℃～+100℃温度范围内性质稳定，表面出气率低、粘粘性好，不发生起皮、脱落等现象。
所述传导边界控温结构包括由下至上依次设置的耐低温阻热结构、高精度调温结构和高效均温结构。需要说明的是，所述耐低温阻热结构为能够在低温及局部高温条件下长期稳定工作的金属结构，例如不锈钢、铝合金支架；所述高精度调温结构为具有较高控制精度的电加热片，用于平衡耐低温阻热结构导向低温平台的热量，使传导边界控温结构处于目标温度。所述高效均温结构采用导热性能良好的平板，使航天器载荷的底部受热均匀，例如：具有极高的导热系数的平板热管和石墨硒材料平板。
所述正六面体外壳底部设有绝热支腿，所述绝热支腿支撑于所述低温平台上，使得所述正六面体外壳底部与所述低温平台之间形成高度差，所述高度差的大小等于所述传导边界控温结构的厚度。所述正六面体外壳的底部设有方形开口，所述航天器载荷穿过所述方形开口伸入所述辐射边界控温结构内，所述高效均温结构与所述辐射边界控温结构底部的方形开口处于同一水平高度上。所述方形开口的尺寸大于所述高效均温结构的截面尺寸。因此两者并不会存在热传导，而两者间的辐射换热极小，可忽略不计。
所述辐射边界控温结构和所述传导边界控温结构均采用闭环控制电路实现温度的自动控制；所述辐射边界控温结构和所述传导边界控温结构均设有温度传感器，所述闭环控制电路包括温度传感器接口单元、测量单元、控制单元、供电单元和电加热片接口单元，所述温度传感器接口单元将设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的所述温度传感器接入，由所述测量单元获取温度数据并传输给所述控制单元，所述控制单元将所述温度数据与目标温度进行对比运算，获得执行结果传输给所述供电单元，所述供电单元通过所述电加热片接口单元将设定的供电功率输送给设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的电加热片。
本实施例的高精度动态可控温度模拟装置的安装过程为：先将低温平台放置真空冷黑环境中，再将传导边界控温结构放置在在低温平台上，然后将航天器载荷放置在传导边界控温结构上，最后将辐射边界控温结构放置在低温平台上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，温度模拟装置用于控制航天器载荷的温度，所述温度模拟装置包括真空冷黑环境模拟设备、低温平台、辐射边界控温结构和传导边界控温结构；
所述传导边界控温结构设于所述低温平台上，所述航天器载荷设于所述传导边界控温结构上，所述辐射边界控温结构罩于所述航天器载荷外，所述辐射边界控温结构与所述传导边界控温结构互不接触；
所述传导边界控温结构包括由下至上依次设置的耐低温阻热结构、高精度调温结构和高效均温结构，所述耐低温阻热结构为能够在低温及局部高温条件下长期稳定工作的金属结构，所述高精度调温结构为具有较高控制精度的电加热片，所述高效均温结构为导热性能良好的平板。
2.根据权利要求1所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述辐射边界控温结构包括正六面体外壳，所述正六面体外壳的底部设有方形开口，所述航天器载荷穿过所述方形开口伸入所述辐射边界控温结构内。
3.根据权利要求2所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述正六面体外壳底部设有绝热支腿，所述绝热支腿支撑于所述低温平台上，使得所述正六面体外壳底部与所述低温平台之间形成高度差，所述高度差的大小等于所述传导边界控温结构的厚度。
4.根据权利要求3所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述高效均温结构与所述辐射边界控温结构底部的方形开口处于同一水平高度上，所述方形开口的尺寸大于所述高效均温结构的截面尺寸。
5.根据权利要求2所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述正六面体外壳内壁面和外壁面均喷涂吸收率高于0.9的特制黑漆，并且所述正六面体外壳的外壁面贴有电加热片。
6.根据权利要求1所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述低温平台为内部通有低温工质的金属平板，所述低温工质为不同温度的液氮、液氦、导热硅油或制冷剂。
7.根据权利要求3或5所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述辐射边界控温结构和所述传导边界控温结构均采用闭环控制电路实现温度的自动控制；所述闭环控制电路包括温度传感器接口单元、测量单元、控制单元、供电单元和电加热片接口单元，所述温度传感器接口单元将设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的所述温度传感器接入，由所述测量单元获取温度数据并传输给所述控制单元，所述控制单元将所述温度数据与目标温度进行对比运算，获得执行结果传输给所述供电单元，所述供电单元通过所述电加热片接口单元将设定的供电功率输送给设于所述辐射边界控温结构或所述传导边界控温结构上的电加热片。
8.根据权利要求1所述的高精度动态可控的温度模拟装置，其特征在于，所述真空冷黑环境模拟设备采用液氮冷却的黑辐射屏，所述黑辐射屏的模拟温度低于100K，吸收系数大于0.9。
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