CN111458170A - 用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统，包括火星环境模拟室、太阳辐照模拟系统、火星大气模拟系统、火星表面风模拟系统、温度控制系统、试验件支撑系统，其中，火星环境模拟室为卧式、胶囊型的舱体，舱体两端均有可以打开的容器大门，主要作用为形成密闭空间而不发生明显泄露，维持舱内特殊的大气环境。本发明可提供火星表面“气体氛围+风速+压力+太阳辐照+环境温度”五综合应力环境试验，易于操作且可推广性好。

Description

用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统

技术领域

本发明属于航天器地面环境模拟试验设备技术领域，具体来说，本发明涉及一种可同时模拟火星表面气体氛围、风速、压力、太阳辐照和温度环境的五综合地面综合试验设备。本发明针对火星环境热平衡试验领域，但可推广应用于平流层等兼具太阳辐照、温度、低气压、风场等环境因素的试验模拟。

背景技术

目前，火星探测已成为我国航天事业深空探测的一个重要目标，而火星探测与其他深空探测任务的差别就在于火星表面的特殊热环境。在火星表面环境中，影响热环境的主要因素包括火星表面大气、温度和太阳辐照。火星表面气压为100Pa-1400Pa，全球年平均气压为700Pa，夜间风速2m/s，白天6-8m/s。火星表面的温度范围为140K-300K，平均约为210K。火星远日点的太阳辐照度为493W/m²，近日点为717W/m²，平均值为589W/m²。区别于以往的航天器环境试验，火星探测器型号产品需进行火星表面热环境试验。火星表面热环境试验主要为低气压条件下的热平衡试验，用于验证火星探测器热控系统及其有效载荷的热设计和工作状态。由于探测器型号产品的主动热控主要依靠其在火星上白天吸收和存储太阳辐射的热量，同时被动热控要避免夜晚过低的环境温度或白天长时间的太阳辐照造成敏感元器件损坏，因此热控设计的技术状态主要取决于火星表面的热环境。综上，火星探测器型号产品热平衡试验主要模拟火星表面温度环境、大气环境(CO₂气体氛围、火星风和低气压)和太阳辐照环境。为了保证探测任务的成功，热控设计的有效性必须在尽可能真实模拟火星表面状态的环境热平衡试验中得到充分验证。

目前，我国在火星表面热环境模拟方面已具备了火星表面压力、温度、风速、气体氛围等的综合热环境，完成了火星车有风热环境试验。然而，对于火星探测器型号产品在火星表面的太阳辐照的模拟，多采用红外加热装置进行模拟，与太阳辐照相比，红外加热装置不具有准直性，且光谱的能量分布与太阳辐射有很大不同，不能准确模拟产品外表面状态对太阳辐照的吸收比。对于结构复杂、暴露在探测器舱外的火星探测器型号产品而言，用红外加热装置进行外热流模拟误差较大，因此必须使用太阳模拟器来完成热平衡试验。

因此，研制一套火星表面“气体氛围、风速、压力、太阳辐照、温度”五综合热平衡试验系统对于验证火星探测器型号产品的热设计、修正产品热分析模型等具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时模拟火星表面的气体氛围、风速、压力、太阳辐照和环境温度的五综合环境热平衡试验系统，用于进行火星探测器型号单机产品的火星环境热平衡试验：

用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统，包括火星环境模拟室、太阳辐照模拟系统、火星大气模拟系统、火星表面风模拟系统、温度控制系统、试验件支撑系统，其中，火星环境模拟室为卧式、胶囊型的舱体，舱体两端均有可以打开的容器大门，主要作用为形成密闭空间而不发生明显泄露，维持舱内特殊的大气环境(包括气压和气体组分)。

进一步地，模拟室容器上装有法兰，用于容器内、外的电信号传输。

进一步地，模拟室容器内部下侧装有导轨，用于受试产品、内嵌式风洞的承载和移动。

进一步地，模拟室容器侧壁有圆锥状引出段，引出段与模拟室焊接为一体，并与模拟室轴线呈特定夹角。引出段用于太阳辐照模拟系统光照的引入。

进一步地，模拟室筒壁内、大门内均嵌套安装热沉。

其中，太阳辐照模拟系统采用离轴、准直布局，用于为受试产品提供均匀度好、稳定度高、辐照度可调的太阳辐照模拟环境。主要由直流电源、灯室组件、光学积分器、窗口镜组件、准直镜组件等组成。直流电源用于给光源供电。灯室组件位于火星环境模拟室外侧，在常压环境下工作包括氙灯和椭球聚光镜，氙灯为太阳辐照模拟系统光源，用以提供接近太阳光谱的人造光；椭球聚光镜用以对光源辐照进行聚光，提高光源在照射方向的辐射能量。光学积分器放置在椭球聚光镜的第二焦面处，以提高辐照的均匀性。窗口镜组件安装在火星环境模拟室引出段端面，积分镜与准直镜的光路之间，与火星环境模拟室间利用螺栓和橡胶密封圈连接，在保证模拟室气密性的同时，保证辐照光的高透射率。准直镜组件包括准直镜和支撑设备，利用支撑设备将准直镜固定在火星环境模拟室端部，将窗口镜透射进来的辐射光反射为沿容器轴线的平行光束，照射在受试产品上。支撑设备具备足够刚度以抵御风压和其他振动对光路稳定性的影响，准直镜配备温控系统避免在低温环境下结霜结露。

其中，火星大气模拟系统主要用于为受试产品提供火星气体组份环境和气压环境，由高压气源、抽气系统、气压测量系统、气压控制计算机和相关阀门管路等组成。高压气源通过充气阀门和相关管路与火星环境模拟室连接，为火星环境模拟室提供所需气体组份的持续供应。抽气系统通过抽气阀门和相关管路与火星环境模拟室连接，通过抽出室内气体降低室内压力。压力测量系统由安装于火星环境模拟室舱壁的真空规管和真空计组成，用于测量室内的压力值，并传输至气压控制计算机。气压控制计算机根据气压测量值和设定值的差异，控制充气阀门和抽气阀门的开/闭，从而对室内的气压进行动态闭环调节控制。

进一步地，在试验开始时，气压控制计算机控制充气阀门关闭，抽气系统工作，将火星环境模拟室内气压降至3Pa以下后，再控制抽气阀门关闭，充气阀门打开，往模拟室内充入特定组份气体，完成模拟室内气体组份的置换。

其中，火星表面风模拟系统通过提供低气压状态下给定风速的平稳流场，用于模拟火星表面的刮风气流环境。采用紧凑型、吹气式风洞布局，内置于火星环境模拟室内的导轨上，避免干涉太阳辐照光路。火星表面风模拟系统由火星表面风模拟控制系统和风速测量系统组成。火星表面风模拟控制系统通过位于火星环境模拟室内部且直径小于热沉直径的金属圆筒，将火星环境模拟室内部空间分为内部流道和外部流道。金属圆筒沿气流方向依次包括风扇段、稳定段和收缩段。风扇段为一直径保持不变的金属圆筒，在其内部设置有轴流风扇。该轴流风扇通过直驱的方式安装在驱动电机的驱动轴上，以此带动其旋转。为了减少电机以及扇毂对风扇前后气流的干扰，在风扇段的中心设置有整流罩，该整流罩分为前整流罩和后整流罩，两者之间为风扇的扇毂，且前后整流罩的直径均与风扇扇毂的直径相同。驱动电机安装在前整流罩内。为了支撑前、后整流罩，同时导直气流，在前、后整流罩和风扇段流道之间设置了前、后支撑片。稳定段为直径保持不变的金属圆筒，在其内设置有蜂窝器和阻尼网，通过两者的作用，保证风场的气流方向角、均匀性和湍流度。；收缩段为直径逐渐变小的圆筒，其入口为稳定段的出口，出口为气流喷口。通过收缩段的作用，一方面可以提高气流喷口的速度和均匀性，另外一方面可以降低气流的湍流度，更好的模拟火星表面的气流。由于风扇段、稳定段和收缩段所组成的通道将火星环境模拟室内空间分为内流道和外流道，因此在气流循环过程中必然存在两次转向，为了减小气流阻力，提高流场品质，在风扇段的进气口附近设置有环形圆弧导流器。风速测量系统利用低气压风速探头测量风场风速，给出风速实时测量值。

进一步地，火星表面风模拟系统平行于火星环境模拟室轴线放置，平稳流场参考中轴与太阳辐照模拟系统光路中轴共线。

其中，温度控制系统主要用于控制模拟室中环境气体的温度，主要由液氮杜瓦、电加热炉、热沉、加热片回路、控温仪、直流电源、附属管路和阀门等组成；液氮杜瓦主要用于液氮的存储，附属管路将液氮杜瓦中的液氮通入电加热炉，经由电加热炉将液氮升温至设定温度的氮气，随后通入低气压容器的热沉中，热沉由液氮管路和辐射肋板焊接而成，螺接与模拟室内表面。热沉内表面涂黑，吸收率优于0.9，当有氮气在热沉内流动时，热沉与容器内的气体进行热交换，从而对模拟室内的气体进行加热或降温。加热片回路粘贴在热沉外表面，并沿氮气流动方向划分为不同的区域。在各个分区粘贴热沉表面和气温的温度传感器，温度传感器信号输入至控温仪，控温仪驱动直流电源为电加热器提供输出，实现对火星表面温度环境的闭环控制。该温度调节方式一方面可以通过分区精细调节补偿热沉沿氮气流动方向的温度差异，另一方面不会对太阳辐照场和风场造成干扰。

其中，试验件支撑系统主要用于安装固定受试试验件，并按试验要求调整试验件的辐照入射角，主要包括试验件工装和转台调姿系统。试验工装一端与受试试验件固定，一端与转台台面固定，将受试试验件固定在风场和太阳辐照场的最佳均匀区域。转台调姿系统为一可在低气压、超低温环境下工作的单轴转台，通过水平面内的转动调整受试试验件的辐照姿态和受风姿态。

进一步地，转台调姿系统具有与中国专利《航天器产品真空热试验中使用的转台系统201711344672.4》里转台系统相同的结构，在此将其全部内容以引证的方式并入本文。

优选地，火星环境模拟室为不锈钢材质加工的密封壳体，以减小材质在低气压环境下的出气率。

优选地，火星环境模拟室法兰上用于低气压风洞电机驱动的380V高压强电穿舱传输介质为包覆聚酰亚胺外壳的、直径为2mm的铜棒。

优选地，火星环境模拟室引出段轴线与模拟室轴线呈25°夹角，引出段锥度为20°。

优选地，窗口镜组件采用高透光率的玻璃钢制作。

优选地，灯室组件采用风冷方式进行冷却。

优选地，光学积分器采用水冷方式进行冷却。

优选地，高压气源选用高压二氧化碳气瓶或氮气瓶。

优选地，抽气系统选用干泵或机械泵。

优选地，火星表面风模拟控制系统前支撑片采用NACA0016翼型，后支撑片采用C4翼型。

优选地，为了使电机能够在低温和真空环境下稳定运行，上述驱动电机采用的是真空低温电机。

优选地，上述风扇段、稳定段、收缩段、环形圆弧导流器、整流罩、前支撑片、后支撑片、风扇扇毂均采用耐低温性能好的不锈钢制成。

优选地，上述风扇的扇叶采用耐低温性能好、且重量较轻的碳纤维加工而成。

优选地，为了减小洞体内、外表面的光线反射、散射，进而减小对火星环境模拟室内的照度均匀性的影响，同时避免因为油漆挥发而对凹面镜的污染，所有结构均采用无挥发的亚光黑油漆进行喷涂。

优选地，为了提高射流喷口的流场均匀性，收缩段不同位置的直径D与距离收缩段入口的轴向距离L为五次曲线。

优选地，为了减少对流场的干扰，电机供电线缆从整流罩内部通过前支撑片内部的空腔穿出火星表面风模拟控制系统。

优选地，低气压风速测量系统采用热线探头。

优选地，热沉采用黄铜材料制成。

优选地，液氮管路外敷设保温材料，以减少液氮在管路内流动时的热量散失。

优选地，测温传感器可为T型热电偶或铂电阻。

优选地，试验件工装采用铝合金材料制作，以减小热容，并采用聚酰亚胺材料与受试试验件隔开。

本发明具有如下的有益效果：

(1)可提供火星表面“气体氛围+风速+压力+太阳辐照+环境温度”五综合应力环境试验：有别于传统的真空热试验系统，本发明是一种能够进行“气体氛围、风速、压力、太阳辐照、环境温度”复合环境耦合加载的试验模拟装置，对各环境应力均能实现精细化控制，大大提高了对火星表面环境模拟的真实性，可用于考核各类火星探测用单机产品在火星表面环境中和给定工作状态下正常工作的能力，发现薄弱环节，提高完成任务的工作可靠性。

(2)可推广性好：除了火星环境外，例如地球表面平流层环境等也存在本发明所述五综合环境应力情况，且相关环境应力参数范围可被本专利发明系统性能指标覆盖。因此本发明可以方便推广应用于地球表面平流层环境等其他环境和领域中应用的单机产品试验。

(3)易于操控：本发明中，太阳辐照模拟系统、火星大气模拟系统、火星表面风模拟系统、温度控制系统、试验件支撑系统分开进行控制，方便进行不同试验量级下各类环境应力的组合加载，易于进行试验矩阵的设计和实施。

本发明所述系统的典型性能参数如下：

设备有效容积：Φ1.4m×2m；

最大试验产品包络尺寸：400mm×400mm×400mm；

气压稳定控制范围：常压～3Pa；

太阳辐照度：0～2030W/m²，照射均匀性±5％，A类光谱。

低气压风速模拟工作气压范围：10KPa～100Pa；

低气压状态下火星风模拟射流速度范围：0～30m/s；

低气压状态下火星环境温度模拟范围：-120℃(夜晚无太阳辐照状态)～55℃(一个太阳常数辐照状态)；

受试产品辐照角度：0～360°，角度控制精度优于0.1°(水平面内)。

附图说明

图1为本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统的外轮廓视图。

图2为本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统容器内的结构俯视图(显示火星表面风模拟系统内部结构)。

图3为本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统容器内的结构侧视图(显示火星表面风模拟系统外部轮廓)。

其中：1-1火星环境模拟室；1-2液氮放空管路；1-3液氮储槽；1-4液氮增压管路；1-5液氮增压气化器；1-6液氮增压阀；1-7液氮进液阀；1-8调温式液氮汽化器；1-9液氮进液管路；1-10直流程控电源；1-11控温仪；1-12控温仪信号电缆；1-13直流电源输出电缆；1-14穿舱插头组；1-15法兰；1-16火星表面风模拟系统控制电缆；1-17火星表面风模拟系统控制柜；1-18火星大气模拟系统控制柜；1-19抽气泵组；1-20充气阀门；1-21高压气源；1-22真空规；1-23抽气阀门；2-1椭球聚光镜；2-2氙灯；2-3灯室；2-4光学积分器；2-5窗口镜；2-6准直镜；2-7热沉；2-8加热片组件；2-9后支撑片；2-10蜂窝器；2-11阻尼网；2-12前整流罩；2-13前支撑片；2-14风扇；2-15真空低温电机；2-16后整流罩；2-17环形导流片；2-18大气温度传感器；2-19导轨；2-20转台调姿系统控制柜；2-21太阳辐照模拟系统控制柜；2-22转台调姿控制电缆；3-1风扇段；3-2稳定段；3-3收缩段；3-4风速探头；3-5受试产品；3-6调姿转台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统进行详细说明，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1-3，图1-3分别显示了本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统的外轮廓视图、本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统容器内的结构俯视图(显示火星表面风模拟系统内部结构)、本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统容器内的结构侧视图(显示火星表面风模拟系统外部轮廓)。根据附图显示可以知晓，本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统包括火星环境模拟室1-1；液氮放空管路1-2；液氮储槽1-3；液氮增压管路1-4；液氮增压气化器1-5；液氮增压阀1-6；液氮进液阀1-7；调温式液氮汽化器1-8；液氮进液管路1-9；直流程控电源1-10；控温仪1-11；控温仪信号电缆1-12；直流电源输出电缆1-13；穿舱插头组1-14；法兰1-15；火星表面风模拟系统控制电缆1-16；火星表面风模拟系统控制柜1-17；火星大气模拟系统控制柜1-18；抽气泵组1-19；充气阀门1-20；高压气源1-21；真空规1-22；抽气阀门1-23；椭球聚光镜2-1；氙灯2-2；灯室2-3；光学积分器2-4；窗口镜2-5；准直镜2-6；热沉2-7；加热片组件2-8；后支撑片2-9；蜂窝器2-10；阻尼网2-11；前整流罩2-12；前支撑片2-13；风扇2-14；真空低温电机2-15；后整流罩2-16；环形导流片2-17；大气温度传感器2-18；导轨2-19；转台调姿系统控制柜2-20；太阳辐照模拟系统控制柜2-21；转台调姿控制电缆2-22；风扇段3-1；稳定段3-2；收缩段3-3；风速探头3-4；受试产品3-5；调姿转台3-6。

在一实施方式中，本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统的液氮储槽1-3通过预埋地基安装在专用试验场地的地面上，火星环境模拟室1-1通过地脚螺栓安装在专用试验场地的地面上，一对导轨3-7通过螺接固定在火星环境模拟室1-1的加强底座上，桶状热沉2-7通过螺接固定在火星环境模拟室1-1内，并与火星环境模拟室1-1同轴，热沉2-7与火星环境模拟室1-1保持适当间距。液氮放空管路1-2通过法兰螺接在热沉2-7的出液口上。液氮进液管路1-9分为两段，第一段的一端通过法兰螺接在液氮储槽1-3的出液口上，另一端通过法兰螺接在调温式液氮汽化器1-8的进口上；在该段中通过焊接在管道通路上安装液氮进液阀1-7；第二段的一端通过法兰螺接在调温式液氮汽化器1-8的出口上，另一端通过法兰螺接在热沉2-7的进液口上。液氮气化器1-5通过地脚螺栓连接在液氮储槽1-3旁边的地面上，并通过法兰螺接与液氮增压管路1-4连通；液氮增压管路1-4分为两段，第一段的一端通过法兰螺接在液氮储槽1-3的增压出口上，另一端通过法兰螺接连接在液氮气化器1-5的入口上，在该段中通过焊接在管道通路上安装液氮增压阀1-6；第二段的一端通过法兰螺接连接在液氮气化器1-5的出口上，另一端通过法兰螺接在液氮储槽1-3的增压入口上。

法兰1-15通过螺接安装在火星环境模拟室1-1上，穿舱插头组1-14通过螺接固定在法兰1-15上。火星表面风模拟系统控制电缆1-16一端焊接在穿舱插头组1-14的舱外插头上，另一端通过插头卡扣与火星表面风模拟系统控制柜1-17连接。温度传感器信号舱外传输线缆1-12一端焊接在穿舱插头组1-14的舱外插头上，另一端通过螺钉压接形式与控温仪1-11连接；加热片组件2-8的舱外供电线缆1-13一端焊接在穿舱插头组1-14的舱外插头上，另一端通过螺钉压接形式与直流程控电源1-10连接；控温仪1-11和直流程控电源1-10通过螺栓连接固定在专用机柜上，该机柜利用脚轮安放在火星环境模拟室1-1旁的地面上；火星表面风模拟系统控制柜1-17利用脚轮安放在火星环境模拟室1-1旁的地面上。真空规1-22通过沟夹型快拆卡箍安装在火星环境模拟室1-1上，并通过传输线缆连接至气压控制计算机1-18，该计算机通过机柜脚轮安放在火星环境模拟室1-1旁边的地面上，计算机通过两组信号传输线缆分别与充气阀门1-20和抽气阀门1-23的电磁控制部分。充气阀门1-20和抽气阀门1-23分别焊接在一个不锈钢三通管路的两端，三通管路中安装充气阀门1-20的通路通过软管与高压气源1-21连接，安装抽气阀门1-23的通路通过沟夹型快拆卡箍与抽气泵组1-19连接。

加热片2-8为矩形薄片，分区、分段粘贴在热沉2-7的外侧壁，其加热线缆焊接在穿舱插头组1-14的舱内插头上，与舱外插头实现导通，从而与直流程控电源1-10实现电连接。大气温度传感器2-18按需要分别布置在导轨3-7两侧，用细铁丝固定在聚酰亚胺隔热底座上，聚酰亚胺隔热底座粘贴在热沉2-7内表面。每个大气温度传感器2-18与热沉2-7之间都安装一半圆形不锈钢隔热罩，以减少热沉辐射和气体流动对大气温度测量的干扰。

火星表面风模拟系统中的风扇段3-1、稳定段3-2，收缩段3-3通过螺接共同组成了的整体将火星环境模拟室1-1的内部空间分为内部流道和外部流道，各段之间通过公差配合保证密封措施。为了不遮挡火星环境模拟室1-1内部的光路传播，风扇段3-1、稳定段3-2和收缩段3-3三者所组成的圆筒总长度约为火星环境模拟室的一半，且在轴线方向上位于火星环境模拟室的一端。为了使空气在内外流道间循环流动，在风扇段3-1的内部设置有风扇2-14。为了减小风扇2-14对流场的干扰，在其两端设置有前整流罩2-12和后整流罩2-16。为了固定，在前整流罩2-12、后整流罩2-16和风扇段2-14之间分别设置有前支撑片2-13和后支撑片2-9。风扇2-14通过直驱的方式直连在低温真空电机2-15的驱动轴上，以此带动风扇2-14的高速旋转。低温真空电机2-15通过螺接在风扇段3-1内的安装支柱上固定，并在火星表面风模拟系统控制柜1-17的控制下可以实现任意转速的旋转，以实现风速的调节。为了减小风扇2-14尾迹区的湍流脉动以及气流偏角，提高气流的速度均匀性，在稳定段3-2内设置了蜂窝器2-11，阻尼网2-12，蜂窝器2-11和阻尼网2-12通过过盈配合固定在稳定段3-2的内表面。经过处理后的气流经收缩段3-3喷出，并作用在试验件3-5上，以此模拟火星的气流环境。为了减小内外通道的流阻以及提高气流稳定性，在风扇段3-1的入口处设置了环形导流片2-17，环形导流片2-17通过螺接固定在后整流罩2-16上，该导流片的截面为一半圆弧。在风扇段3-1底部安装有两对可以滚动的滚轮，使火星表面风模拟系统可以平稳放置在导轨2-19上，并可以沿导轨2-19前后调整位置；车轮内侧带有凸起的轮缘卡在导轨内侧，防止小车在移动过程中脱轨或侧翻。试验件3-5利用工装支架螺接固定在调姿转台3-6的台面上，调姿转台3-6通过两对可以滚动的滚轮平稳放置在导轨2-19上，并可以沿导轨2-19前后调整位置；车轮内侧带有凸起的轮缘卡在导轨内侧，防止小车在移动过程中脱轨或侧翻。通过在试验件3-5和调姿转台3-6的台面之间加装工装支架以调整试验件3-5的高度，使其处在风场和辐照场的中轴线位置。风速探头3-4通过支撑杆螺接固定在收缩段3-3出风口位置，并处在风场的中轴线位置。真空低温电机2-15的驱动线缆和风速探头3-4的信号线缆分别焊接在两个穿舱插头组1-14的舱内插头上，与舱外插头实现导通，从而与火星表面风模拟系统控制柜1-17实现电连接。调姿转台3-6的驱动和控制电缆分别焊接在两个穿舱插头组1-14的舱内插头上，与舱外插头实现导通，从而与转台调姿系统控制柜2-20实现电连接。

在太阳辐照模拟系统中，氙灯2-2通过螺接安装固定在椭球聚光镜2-1的焦点位置，共同组成灯室组件，并螺接固定在灯室2-3中。灯室2-3放置在在火星环境模拟室1-1旁专用试验场地的地面上。氙灯2-2通过供电线缆与太阳辐照模拟系统控制柜2-21连接。积分镜2-4镶嵌在法兰盘中心，并螺接在灯室2-3的端口处，处于椭球聚光镜2-1的第二焦面处。窗口镜通过橡胶密封圈，利用法兰环压接固定在火星环境模拟室1-1的引出段端口处。利用支撑设备将准直镜2-6螺接固定在火星环境模拟室端部的导轨上，从而将窗口镜透射进来的辐射光反射为沿容器轴线的平行光束，照射在受试产品上。

本发明的用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统的研制原理如下：

在火星环境模拟室1-1大门关闭、容器内形成封闭空间的情况下，利用火星大气模拟系统控制柜1-18控制开启抽气阀门1-23和抽气泵组1-19，利用低真空泵内高速旋转的涡轮叶片形成负压效应，将火星环境模拟室1-1内的空气向外抽出，并利用真空规1-22实时测量模拟室内的气压，使模拟室内压力达到优于3Pa的水平。此时，关闭抽气阀门1-23和抽气泵组1-19，开启充气阀门1-20，往火星环境模拟室1-1内通入指定组份的气体(如CO₂或N₂等)，使火星环境模拟室1-1内在特定的气体组份下气压缓慢回升。此后火星大气模拟系统控制柜1-18开始闭环工作，控制电路根据预设的气压条件，控制充气阀门1-20和抽气阀门1-23的开关状态和开度：当模拟室内气压高于预设气压值时，增加抽气阀门1-23开度，关闭充气阀门1-20，加快抽气泵组1-19的有效抽速，使模拟室内气压下降；当模拟室内气压低于预设值时，增加充气阀门1-20开度，关闭抽气阀门1-23，加快充入指定气体，使模拟室内气压升高。电路控制系统实时采集真空规1-22的数据，通过调整阀门开关及开度使火星环境模拟室1-1内气压维持在预设值容差范围内，建立火星表面低气压环境。

在此基础上，开启液氮增压阀1-6，使液氮储槽1-3内的液氮经液氮增压管路1-4流入液氮增压气化器1-5，在液氮增压气化器1-5中通过与外界空气的充分换热气化为氮气，自身压力升高，并经液氮增压管路1-4流回液氮储槽1-3的顶部，达到为液氮储槽1-3内增压的目的。此时，开启液氮进液阀1-7，增压后液氮储槽1-3内的液氮在压力作用下经液氮进液管路1-9流入调温式液氮汽化器1-8，调温式液氮汽化器1-8根据给定的氮气温度设定加热功率，液氮经过调温式液氮汽化器1-8气化为氮气液氮并升温至设定的温度后送入热沉2-7，在热沉2-7的管路中充分流动后，从而达到使热沉28调温，在火星环境模拟室1-1内建立气氛调温背景的目的。由于氮气在热沉2-7中流动存在换热过程，同时受流动管阻的影响，不同位置的热沉温度存在差异，大气温度传感器2-18组成的阵列测量热沉2-7不同位置处对应的容器内气体温度值，测量信号经穿舱插头组1-14和控温仪信号电缆1-12组成的信号通路传入控温仪1-11，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程控电源1-10，使直流程控电源1-10产生一定的直流电流和电压输出，并先后通过直流电源输出电缆1-13、穿舱插头组1-14形成的完整信号通路传至加热片组件2-8，使加热片组件2-8通电，从而对热沉2-7不同分区的表面输出特定的热流，对热沉2-7进行加热，改变热沉2-7的表面温度。热沉2-7温度的变化改变了大气温度传感器2-18的测量信号；控温仪1-11的控制信号随大气温度传感器2-18的测量信号实时调整，从而实现闭环控温，对热沉2-7各个部分的温度进行细微调整和精细控温，从而建立火星表面低气压的温度环境。大气温度变化造成的气压变化由火星大气模拟系统控制柜1-18调整修正。

利用火星表面风模拟系统控制柜1-17产生驱动信号，经过火星表面风模拟系统控制电缆1-16、穿舱插头组1-14形成的完整信号通路传至真空低温电机2-15，带动风扇2-14高速转动，从而在风扇段3-1、稳定段3-2和收缩段3-3分割成的内部流道和外部流道间形成闭环的大气流动循环。利用稳定段3-2内的蜂窝器2-11和阻尼网2-12，减小风扇2-14尾迹区的湍流脉动以及气流偏角，提高气流的速度均匀性。利用风扇段3-1的入口处设置的环形导流片2-17，减小内外通道的流阻并提高气流的稳定性。平稳的气流经收缩段3-3喷出，并作用在试验件3-5上。利用风速探头3-4将风速信号通过火星表面风模拟系统控制电缆1-16、穿舱插头组1-14形成的完整信号通路传至火星表面风模拟系统控制柜1-17，控制电路将风速的测量值和目标值进行比对，经过计算后改变驱动电流并传输至真空低温电机2-15，驱动电机根据风速测量值实时调整电机转速，从而实现电机转速的闭环控制，进而在试验件3-5周围形成稳定均匀的风速场，建立火星表面火星风环境。

启动太阳辐照模拟系统控制柜2-21，产生的驱动信号经过电缆传至氙灯2-2，氙灯2-2通电并产生光源，通过椭球聚光镜2-1聚光后照射至光学积分器2-4，通过光学积分器2-4后将灯光混合均匀，并经由窗口镜2-5照射至准直镜2-6，将模拟太阳辐射变为平行光束，照射到试验件3-5上。氙灯2-2的驱动电流和太阳辐照度之间的对应关系由试验前标定确定，通过调整氙灯2-2的驱动电流便能给定不同的太阳辐照度，从而建立火星表面太阳辐照环境。太阳辐照对气体温度造成的变化和波动由控温仪1-11调整补偿。

当需要调整产品的受照角度或迎风角度时，启动转台调姿系统控制柜2-20，输入需要的角度值，系统产生驱动信号，经过转台调姿控制电缆2-22、穿舱插头组1-14形成的完整信号通路传至调姿转台3-6，将受试产品调整到需要的角度。

上述火星表面“气体氛围、风速、压力、太阳辐照、温度”环境载荷的控制相互独立，又可同时施加，可为试验件3-5提供低气压+指定气体氛围+太阳辐照+高温/低温+风速综合应力试验环境，可用于验证火星探测器单机产品热设计的正确性，修正热数学模型，考核热控分系统维持航天器产品在规定工作温度范围内的能力。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (10)

1.用于火星探测器单机产品的综合环境热平衡试验系统，包括火星环境模拟室、太阳辐照模拟系统、火星大气模拟系统、火星表面风模拟系统、温度控制系统、试验件支撑系统，其中，

火星环境模拟室为卧式、胶囊型的舱体，舱体两端均有可以打开的容器大门，主要作用为形成密闭空间而不发生明显泄露，维持舱内特殊的大气环境；

太阳辐照模拟系统采用离轴、准直布局，用于为受试产品提供均匀度好、稳定度高、辐照度可调的太阳辐照模拟环境，主要由直流电源、灯室组件、光学积分器、窗口镜组件、准直镜组件组成，其中直流电源用于给光源供电，灯室组件位于火星环境模拟室外侧，在常压环境下工作包括氙灯和椭球聚光镜，氙灯为太阳辐照模拟系统光源，用以提供接近太阳光谱的人造光；椭球聚光镜用以对光源辐照进行聚光，提高光源在照射方向的辐射能量，光学积分器放置在椭球聚光镜的第二焦面处，以提高辐照的均匀性，窗口镜组件安装在火星环境模拟室引出段端面，积分镜与准直镜的光路之间，与火星环境模拟室间密封连接，准直镜组件包括准直镜和支撑设备，利用支撑设备将准直镜固定在火星环境模拟室端部，将窗口镜透射进来的辐射光反射为沿容器轴线的平行光束，照射在火星环境模拟室内的受试产品上，准直镜配备温控系统避免在低温环境下结霜结露；

火星大气模拟系统主要用于为受试产品提供火星气体组份环境和气压环境，由高压气源、抽气系统、气压测量系统、气压控制计算机和相关阀门管路组成，高压气源通过充气阀门和相关管路与火星环境模拟室连接，为火星环境模拟室提供所需气体组份的持续供应，抽气系统通过抽气阀门和相关管路与火星环境模拟室连接，通过抽出室内气体降低室内压力，压力测量系统由安装于火星环境模拟室舱壁的真空规管和真空计组成，用于测量室内的压力值，并传输至气压控制计算机，气压控制计算机根据气压测量值和设定值的差异，控制充气阀门和抽气阀门的开/闭，从而对室内的气压进行动态闭环调节控制；

火星表面风模拟系统通过提供低气压状态下给定风速的平稳流场，用于模拟火星表面的刮风气流环境，采用紧凑型、吹气式风洞布局，内置于火星环境模拟室内的导轨上，避免干涉太阳辐照光路，火星表面风模拟系统由火星表面风模拟控制系统和风速测量系统组成；

温度控制系统主要用于控制模拟室中环境气体的温度；

试验件支撑系统主要用于安装固定受试试验件，并按试验要求调整试验件的辐照入射角，主要包括试验件工装和转台调姿系统。

2.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，模拟室容器侧壁有圆锥状引出段，引出段与模拟室焊接为一体，并与模拟室轴线呈特定夹角，引出段用于太阳辐照模拟系统光照的引入。

3.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，模拟室筒壁内、大门内均嵌套安装热沉。

4.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，气压控制计算机在试验开始时控制充气阀门关闭，抽气系统工作，将火星环境模拟室内气压降至3Pa以下后，再控制抽气阀门关闭，充气阀门打开，往模拟室内充入特定组份气体，完成模拟室内气体组份的置换。

5.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，火星表面风模拟控制系统通过位于火星环境模拟室内部且直径小于热沉直径的金属圆筒，将火星环境模拟室内部空间分为内部流道和外部流道。

6.如权利要求5所述的综合环境热平衡试验系统，其中，金属圆筒沿气流方向依次包括风扇段、稳定段和收缩段，风扇段为一直径保持不变的金属圆筒，在其内部设置有轴流风扇；在风扇段的中心设置有整流罩，该整流罩分为前整流罩和后整流罩，两者之间为风扇的扇毂，且前后整流罩的直径均与风扇扇毂的直径相同，驱动电机安装在前整流罩内；稳定段为直径保持不变的金属圆筒，在其内设置有蜂窝器和阻尼网，通过两者的作用，保证风场的气流方向角、均匀性和湍流度；收缩段为直径逐渐变小的圆筒，其入口为稳定段的出口，出口为气流喷口。

7.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，火星表面风模拟系统平行于火星环境模拟室轴线放置，平稳流场参考中轴与太阳辐照模拟系统光路中轴共线。

8.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，温度控制系统主要用于控制模拟室中环境气体的温度，主要由液氮杜瓦、电加热炉、热沉、加热片回路、控温仪、直流电源、附属管路和阀门等组成；液氮杜瓦主要用于液氮的存储，附属管路将液氮杜瓦中的液氮通入电加热炉，经由电加热炉将液氮升温至设定温度的氮气，随后通入低气压容器的热沉中，热沉由液氮管路和辐射肋板焊接而成，螺接与模拟室内表面。

9.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，加热片回路粘贴在热沉外表面，并沿氮气流动方向划分为不同的区域，在各个分区粘贴热沉表面和气温的温度传感器，温度传感器信号输入至控温仪，控温仪驱动直流电源为电加热器提供输出，实现对火星表面温度环境的闭环控制。

10.如权利要求1所述的综合环境热平衡试验系统，其中，试验工装一端与受试试验件固定，一端与转台台面固定，将受试试验件固定在风场和太阳辐照场的最佳均匀区域。

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