CN113371236B - 一种宽温区空间环境模拟试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽温区空间环境模拟试验系统，包括真空容器、外热沉、内热沉、低温电磁阀、GM制冷机和程序控温模块；外热沉和内热沉依次安装固定在真空容器内部，外热沉内设有液氮管路，低温电磁阀连接到外热沉的液氮管路中，GM制冷机与内热沉相连接。本发明通过液氮系统和GM制冷机的结合，设置外热沉和内热沉，并通过对内热沉外表面的抛光镀亮镍处理，有效减小了20K下外热沉对内热沉的热辐射负载，从而实现了大型真空容器内部低于20K极低温环境的获得；通过设置电磁接触开关，弥补了GM制冷机在高温工况下制冷功率的不足。

Description

一种宽温区空间环境模拟试验系统及方法
技术领域
本发明涉及空间环境测试的技术领域，具体地，涉及一种宽温区空间环境模拟试验系统及方法。
背景技术
空间环境模拟试验系统是模拟高空及太空的低压真空环境、太阳辐照环境和冷黑环境等的设备，随着军工领域航天器的新技术发展，如暗物质探测，引力波探测，高分辨率光学观测等新的载荷发展以及临近空间探测技术的潜在需求，对空间环境模拟试验的温度范围和温度控制精度等，提出了更高的要求。
在公开号为CN101576359A的中国发明中公开了一种用于空间环境模拟试验设备低温流程系统的部件，特别涉及空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统。该热沉系统可允许液氮和酒精共用同一流道，并能安全切换，通过二种介质的切换使热沉的温度从-163℃～+50℃间可调。热沉系统由热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、酒精加热器、波纹软管外圆周测温电阻传感器、排酒精阀、辅助排酒精箱、氮气吹除阀和氮气气源组成。热沉主体为鱼骨式结构，由上总管、下总管、带肋片支管、波纹软管、辅助排液管焊接而成；带肋片支管由金属管和金属肋片焊接而成；波纹软管部位安装蒸发酒精加热器。
因此，将温度范围拓宽至20K-400K，并实现温度的高精度控制，以同时满足更多大型航天器，比如大型光学遥感载荷、深空探测航天器部组件和电推进系统等组件的试验要求，可以实现宽温区内连续可控、高精度和高均匀性的大型(直径大于2m)空间环境模拟试验系统已为急需。
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宽温区空间环境模拟试验系统及方法。
根据本发明提供的一种宽温区空间环境模拟试验系统，包括真空容器、外热沉、内热沉、低温电磁阀、GM制冷机和程序控温模块；
所述外热沉和内热沉依次安装固定在真空容器内部，所述外热沉内设有液氮管路，所述低温电磁阀连接到外热沉的液氮管路中，所述GM制冷机与内热沉相连接。
优选地，所述外热沉由外到内分别由防辐射屏、电阻式加热丝、液氮管路、紫铜板和电磁接触开关组成；
防辐射屏为两面抛光的不锈钢板，防辐射屏内表面通过聚四氟乙烯垫块绝热安装电阻式加热丝，紫铜板外表面焊接液氮管路。
优选地，所述外热沉的周向分为四个区；每个区布置一路液氮管路，每路液氮管路通过低温电磁阀单独通液氮进行冷却；每个区布置一路电阻式加热丝，每路电阻式加热丝通过程序控温模块单独进行供电加热。
优选地，所述电磁接触开关固定安装在外热沉紫铜板内表面，通过柔性导热带连接到内热沉外表面，通过通断电控制电磁接触开关的吸合、断开，控制外热沉对内热沉的冷量传递。
优选地，所述内热沉分为四个区，每个区表面积相同，每个区外表面通过导热棒连接到一个GM制冷机上，每个区内表面连接一路电阻式加热片；每相邻两个区通过半圆形的柔性连接片连接在一起。
优选地，所述内热沉和柔性连接片材料为无氧铜，外表面抛光镀亮镍，发射率小于0.1，内表面喷黑漆，发射率＞0.9。
优选地，所述电阻式加热丝和电阻式加热片都连接到程序控温模块中的加热电源，外热沉每个分区布置一个PT100温度传感器，内热沉每个分区布置一个硅二极管温度传感器。
本发明还提供一种宽温区空间环境模拟试验方法，所述方法应用上述中的一种宽温区空间环境模拟试验系统，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：抽真空，开启真空容器连接的真空泵，对真空容器进行抽真空；
步骤S2；降温，将外热沉每一分区液氮管路连接的低温电磁阀打开，向外热沉液氮管路中通入液氮，外热沉开始降温；
步骤S3：升温，关闭GM制冷机，关闭低温电磁阀，并通过程序控温模块中的加热电源对电阻式加热丝和电阻式加热片进行供电加热；
步骤S4：控温，在极限低温和极限高温之间设定一个任意温度，程序控温模块通过读取温度传感器的温度，并通过与设定温度值进行比较，若温度低于设定温度，则自动控制每一个分区对应的低温电磁阀，通入液氮进行降温；若温度高于设定温度，则自动控制加热电源的功率，对每一个分区对应的电阻式加热丝和电阻式加热片进行加热。
优选地，所述步骤S1中实验舱内处于小于0.0001Pa的真空环境。
优选地，所述步骤S2中当外热沉降温到100K时，开启GM制冷机，对内热沉进行降温，闭合电磁接触开关，通过外热沉对内热沉进行辅助制冷；监控温度传感器，当内热沉降温到100K以下时，断开电磁接触开关，只依靠GM制冷机对内热沉进行制冷降温，获得极限低温。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过液氮系统和GM制冷机的结合，设置外热沉和内热沉，并通过对内热沉外表面的抛光镀亮镍处理，有效减小了20K下外热沉对内热沉的热辐射负载，从而实现了大型真空容器(直径大于2m)内部低于20K极低温环境的获得；
2、本发明通过设置电磁接触开关，弥补了GM制冷机在高温工况下(＞100K)制冷功率的不足，并加快了内热沉的降温速度。由于真空容器尺寸很大，内热沉降温过程中，受到的背景热辐射功率较大，远远大于GM制冷机本身的制冷功率，将液氮通入外热沉后，通过闭合电磁接触开关，利用柔性导热带实现外热沉与内热沉的热传导，从而辅助内热沉初始阶段的降温；
3、本发明通过外热沉、内热沉、液氮系统、GM制冷机与程序控温模块的结合，并对外热沉、内热沉分多个区，利用PID算法对每个分区的温度进行监测和控制，从而实现20K～400K宽温区的高精度(优于±1℃)、高均匀性(优于±3℃)的温度控制。
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为系统整体示意图；
图2为系统截面示意图；
图3为程序控温模块流程示意图。
其中：
Figure BDA0003142399500000031
Figure BDA0003142399500000041
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。
参照图1和图2，本发明提供一种宽温区空间环境模拟试验系统，包括真空容器1(直径大于2m)、外热沉2、内热沉3、低温电磁阀4、GM制冷机5、程序控温模块6。外热沉2、内热沉3依次绝热安装固定在真空容器1内部。低温电磁阀4连接到外热沉2的液氮管路9中，GM制冷机5连接到内热沉3。真空容器1通过真空泵获得高真空环境。低温电磁阀4与GM制冷机5配合程序控温模块6可以使真空容器1内部试验空间获得20K-400K极低温和高温环境。
外热沉2由外到内分别由防辐射屏7、电阻式加热丝8、液氮管路9、紫铜板10、电磁接触开关11组成。防辐射屏7为两面抛光的不锈钢板，可以隔绝真空容器常温壁面对外热沉的热辐射，防辐射屏7内表面通过聚四氟乙烯垫块绝热安装电阻式加热丝8，紫铜板10外表面焊接液氮管路9。
外热沉2周向分为至少4个区。每个区布置1路液氮管路9，每路液氮管路可以通过低温电磁阀4单独通液氮进行冷却；每个区布置1路电阻式加热丝8，每路电阻式加热丝8可以通过程序控温模块6单独进行供电加热。
电磁接触开关11固定安装在外热沉紫铜板内表面，通过柔性导热带12连接到内热沉外表面，通过通断电控制电磁接触开关11的吸合、断开，从而控制外热沉对内热沉的冷量传递，实现内热沉降温阶段的辅助制冷，并加快内热沉的降温速度。
内热沉3分为至少4个区，每个区表面积相同，每个区外表面通过导热棒13连接到1个GM制冷机上，每个区内表面连接1路电阻式加热片14，从而可以保证内热沉温度均匀性。每相邻两个区通过半圆形的柔性连接片15连接在一起，一方面加固结构强度，减小GM制冷机工作时的振动，另一方面可以补偿低温下每个区的变形。
内热沉3及柔性连接片15材料为无氧铜，外表面抛光镀亮镍，发射率小于0.1，内表面喷黑漆，发射率＞0.9。经过如此处理后，可显著减小外热沉2对内热沉3的热辐射，并能满足内部试验空间冷黑环境的要求。
Figure BDA0003142399500000051
式中，
Q—内热沉3受到外热沉2的辐射热量；
σ—史蒂芬-玻尔兹曼常数；
T1—外热沉2温度；
T2—内热沉3温度；
ε1—内热沉3外表面发射率；
ε2—外热沉2内表面发射率；
A—内热沉3外表面。
电阻式加热丝8和电阻式加热片14，都连接到程序控温模块6中的加热电源，外热沉2每个分区布置1个PT100温度传感器，内热沉3每个分区布置1个硅二极管温度传感器，通过程序控温模块6的PID算法，自动控制加热电源功率增减，及低温电磁阀4的开关，从而实现温度的自动调节控制。
参照图3，本发明还提供一种宽温区空间环境模拟试验方法，利用上述中的一种宽温区空间环境模拟试验系统对空间环境进行模拟试验，包括以下步骤：
步骤S1：抽真空，开启真空容器1连接的真空泵，对真空容器1进行抽真空，使试验舱内处于小于0.0001Pa的真空环境。
步骤S2：降温，将外热沉2每一分区液氮管路9连接的低温电磁阀4打开，向外热沉2液氮管路9中通入液氮，外热沉2开始降温；当外热沉2降温到100K时，开启GM制冷机5，对内热沉3进行降温，同时闭合电磁接触开关11，通过外热沉2对内热沉3进行辅助制冷；监控温度传感器，当内热沉3降温到100K以下时，断开电磁接触开关11，只依靠GM制冷机5对内热沉进行制冷降温，获得极限低温。
步骤S3：升温，关闭GM制冷机5，关闭低温电磁阀4，并通过程序控温模块6中的加热电源对电阻式加热丝8和电阻式加热片14进行供电加热，实现外热沉2和内热沉3的升温，获得极限高温。
步骤S4：控温，在极限低温和极限高温之间设定一个任意温度，程序控温模块6通过读取温度传感器的温度，并通过与设定温度值进行比较，若温度低于设定温度，则自动控制每一个分区对应的低温电磁阀4，通入液氮进行降温；若温度高于设定温度，则自动控制加热电源的功率，对每一个分区对应的电阻式加热丝8和电阻式加热片14进行加热，此过程根据程序PID算法自动执行，从而实现高精度高均匀性的控温。
本发明通过液氮系统和GM制冷机的结合，设置外热沉和内热沉，并通过对内热沉外表面的抛光镀亮镍处理，有效减小了20K下外热沉对内热沉的热辐射负载，从而实现了大型真空容器(直径大于2m)内部低于20K极低温环境的获得；本发明通过设置电磁接触开关，弥补了GM制冷机在高温工况下(＞100K)制冷功率的不足，并加快了内热沉的降温速度。由于真空容器尺寸很大，内热沉降温过程中，受到的背景热辐射功率较大，远远大于GM制冷机本身的制冷功率，将液氮通入外热沉后，通过闭合电磁接触开关，利用柔性导热带实现外热沉与内热沉的热传导，从而辅助内热沉初始阶段的降温；本发明通过外热沉、内热沉、液氮系统、GM制冷机与程序控温模块的结合，并对外热沉、内热沉分多个区，利用PID算法对每个分区的温度进行监测和控制，从而实现20K～400K宽温区的高精度(优于±1℃)、高均匀性(优于±3℃)的温度控制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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)

1.一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，包括真空容器(1)、外热沉(2)、内热沉(3)、低温电磁阀(4)、GM制冷机(5)和程序控温模块(6)；
所述外热沉(2)和内热沉(3)依次安装固定在真空容器(1)内部，所述外热沉(2)内设有液氮管路(9)，所述低温电磁阀(4)连接到外热沉(2)的液氮管路(9)中，所述GM制冷机(5)与内热沉(3)相连接；
所述外热沉(2)由外到内分别由防辐射屏(7)、电阻式加热丝(8)、液氮管路(9)、紫铜板(10)和电磁接触开关(11)组成；
防辐射屏(7)为两面抛光的不锈钢板，防辐射屏(7)内表面通过聚四氟乙烯垫块绝热安装电阻式加热丝(8)，紫铜板(10)外表面焊接液氮管路(9)。
2.根据权利要求1所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述外热沉(2)的周向分为四个区；每个区布置一路液氮管路(9)，每路液氮管路(9)通过低温电磁阀(4)单独通液氮进行冷却；每个区布置一路电阻式加热丝(8)，每路电阻式加热丝(8)通过程序控温模块(6)单独进行供电加热。
3.根据权利要求1所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述电磁接触开关(11)固定安装在外热沉(2)紫铜板(10)内表面，通过柔性导热带(12)连接到内热沉(3)外表面，通过通断电控制电磁接触开关(11)的吸合、断开，控制外热沉(2)对内热沉(3)的冷量传递。
4.根据权利要求1所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述内热沉(3)分为四个区，每个区表面积相同，每个区外表面通过导热棒(13)连接到一个GM制冷机(5)上，每个区内表面连接一路电阻式加热片(14)；每相邻两个区通过半圆形的柔性连接片(15)连接在一起。
5.根据权利要求4所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述内热沉(3)和柔性连接片(15)材料为无氧铜，外表面抛光镀亮镍，发射率小于0.1，内表面喷黑漆，发射率＞0.9。
6.根据权利要求4所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，其特征在于，所述电阻式加热丝(8)和电阻式加热片(14)都连接到程序控温模块(6)中的加热电源，外热沉(2)每个分区布置一个PT100温度传感器，内热沉(3)每个分区布置一个硅二极管温度传感器。
7.一种宽温区空间环境模拟试验方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-6任一项所述的一种宽温区空间环境模拟试验系统，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：抽真空，开启真空容器(1)连接的真空泵，对真空容器(1)进行抽真空；
步骤S2；降温，将外热沉(2)每一分区液氮管路(9)连接的低温电磁阀(4)打开，向外热沉(2)液氮管路(9)中通入液氮，外热沉(2)开始降温；所述步骤S2中当外热沉(2)降温到100K时，开启GM制冷机(5)，对内热沉(3)进行降温，闭合电磁接触开关(11)，通过外热沉(2)对内热沉(3)进行辅助制冷；监控温度传感器，当内热沉(3)降温到100K以下时，断开电磁接触开关(11)，只依靠GM制冷机(5)对内热沉进行制冷降温，获得极限低温；
步骤S3：升温，关闭GM制冷机(5)，关闭低温电磁阀(4)，并通过程序控温模块(6)中的加热电源对电阻式加热丝(8)和电阻式加热片(14)进行供电加热，实现外热沉和内热沉的升温，获得极限高温；
步骤S4：控温，在极限低温和极限高温之间设定一个任意温度，程序控温模块(6)通过读取温度传感器的温度，并通过与设定温度值进行比较，若温度高于设定温度，则自动控制每一个分区对应的低温电磁阀(4)，通入液氮进行降温；若温度低于设定温度，则自动控制加热电源的功率，对每一个分区对应的电阻式加热丝(8 )和电阻式加热片(14)进行加热。
8.根据权利要求7所述的一种宽温区空间环境模拟试验方法，其特征在于，所述步骤S1中实验舱内处于小于0.0001Pa的真空环境。
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