氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng)特性研究.pdf

1、在地面進行空間環(huán)境模擬試驗是檢驗和保證航天器等設備安全可靠性和工作壽命的重要方法。月球或深空等復雜特殊的空間環(huán)境,如極端深冷環(huán)境和由于晝夜交替導致的極大升、降溫速率等因素,對航天器性能提出了更為苛刻的條件。本文研究工作為設計和研制了氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng),并對其進行了熱質(zhì)仿真研究和試驗研究,驗證了該高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)具有大升降溫速率和高溫度均勻性的特性。主要得到以下結(jié)果:
　　(1)設計和研制了具有高變溫速率的高低溫空間環(huán)境

2、模擬系統(tǒng),其主要特點為(a)艙內(nèi)非高真空環(huán)境,而是充注絕對壓力90kPa氦氣;(b)工作溫度范圍為68K-373K,引入四缸兩級斯特林低溫制冷機,突破液氮冷源降溫下限。系統(tǒng)除了有與常規(guī)熱真空罐相同的輻射傳熱外,更重要的是允許艙內(nèi)有自然對流甚至強制對流傳熱,從而大大加強傳熱速度,特別是在接近目標溫度時明顯減少對被測物的冷卻或加熱時間。這一特性使得該新型高低溫系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和傳熱機理上存在與常規(guī)熱真空罐本質(zhì)的區(qū)別。本系統(tǒng)優(yōu)點除了升降溫速率大外,

3、內(nèi)部溫度均勻性也得到提升。
　　(2)進行在高溫工況和低溫工況的數(shù)值模擬分析,模擬艙內(nèi)為90kPa氦氣的情況下傳熱方式為自然對流和輻射傳熱耦合時艙內(nèi)溫度場和流場分布情況。計算結(jié)果表明在高溫工況時,熱沉表面及試驗艙內(nèi)部空間隨著熱沉壁面電加熱器功率的輸入,在浮升力作用下呈現(xiàn)溫度上高下低分布,熱沉壁面上下存在10K左右溫差,而艙內(nèi)空間的上下最大溫差為23K;停止加熱后,熱沉壁面和艙內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定,最終溫度均勻性在±2K以內(nèi)。低溫工況時,

4、首先計算得熱沉單管內(nèi)液氮流動使熱沉壁面上下有3K溫差,再利用上述結(jié)果應用用戶自定義函數(shù)設定熱沉壁面溫度分布,計算結(jié)果表明在快速降溫結(jié)束時刻艙內(nèi)氦氣上下最大溫差為41.7K,之后溫度逐漸降低至熱沉溫度附近,且計算結(jié)束時刻上下溫差為±2.47K。
　　(3)在高、低溫工況下分別對整個氦氣氛高低溫空間環(huán)境模擬系統(tǒng)進行初步運行及調(diào)試試驗。低溫試驗,主要考察在熱沉壁面和艙內(nèi)空間降溫至液氮溫區(qū)過程中,改變艙內(nèi)工作介質(zhì)氮氣壓力,增加強制對流等條

5、件對溫度場的影響,以及自然復溫階段的溫度均勻性分析。高溫試驗,主要考察在不同電加熱輸入功率條件下,熱沉壁面和艙內(nèi)空間升溫速率和溫度分布情況。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)總體上滿足升溫速率和溫度均勻性要求且有良好的保溫絕熱性能,對系統(tǒng)的進一步詳細試驗具有指導性意義。
　　(4)采用耐高低溫的艙內(nèi)攝像監(jiān)控視頻系統(tǒng)取代漏熱嚴重的傳統(tǒng)觀察窗形式。為能實時觀察監(jiān)控試驗艙內(nèi)部待測設備工作情況,設計了面向-196℃到+100℃全溫區(qū)高低溫工作環(huán)境的緊湊型

6、攝像監(jiān)視系統(tǒng),采用真空絕熱、熱橋阻斷和主動加熱或冷卻等絕熱保溫措施,實現(xiàn)了設備在目標溫度范圍內(nèi)正常工作。當外部環(huán)境為低溫工況時,在攝像器件自身產(chǎn)熱的基礎上,調(diào)節(jié)內(nèi)部電加熱進行熱量補償;當外部為高溫工況時,通過持續(xù)進出的常溫干燥氮氣冷卻攝像核心器件。兩者可連續(xù)切換。對所設計的高低溫攝像系統(tǒng)進行了漏熱理論計算并對其實際低溫性能進行實驗研究,結(jié)果表明該系統(tǒng)可勝任-196℃-+100℃高低溫工作任務,內(nèi)部感光器件表面的實際溫度可控制在-30℃-