KM5A空間環(huán)模試驗設(shè)備研制

彭光東，齊曉軍，陳 麗

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

為滿足衛(wèi)星研制的需求，2005年我國由上海衛(wèi)星工程研究所抓總，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等單位參與新建了一套 KM5A空間環(huán)模試驗設(shè)備。該設(shè)備為立式，尺寸φ7.6 m×13.2 m，主要由真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、熱沉、氮系統(tǒng)、測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及星上外熱流模擬系統(tǒng)6個分系統(tǒng)組成。該設(shè)備的建成可以滿足大中型航天器真空熱試驗和大型部組件展開試驗的要求，為我國航天器研制任務(wù)的快速發(fā)展提供了有力的保障[1]。

1 系統(tǒng)主要實際性能指標

1）系統(tǒng)空載極限真空度：＜7.5×10-5Pa；

2）熱沉有效尺寸：φ6.8 m×8.8 m

3）熱沉溫度：＜100 K；

4）環(huán)境參數(shù)測量通道數(shù)：800路（可擴展）；5）外熱流模擬器通道數(shù)：100路。

2 設(shè)備組成

2.1 真空容器

KM5A空間環(huán)模試驗設(shè)備的真空容器全部由不銹鋼（0Cr18Ni9）制成，結(jié)構(gòu)為立式圓柱體。容器的直徑φ7.6 m，高 13.2 m，直筒段高度為8.8 m。

容器壁厚20 mm，大門和封頭的壁厚為25 mm，容器的圓柱度為 12 mm。容器上端開有直徑達φ7.6 m的頂蓋，頂蓋用行車吊裝開啟，法蘭厚180 mm，平面度為1 mm。為了便于人員的進出，在直筒段一側(cè)開有1 m×2 m的側(cè)門，側(cè)門的門體為平面結(jié)構(gòu)，采用鉸鏈安裝方式，容器的所有密封圈均采用氟橡膠制成。容器內(nèi)表面粗糙度為0.8 ，整個容器還開有近20個法蘭孔以滿足真空設(shè)備安裝和試驗要求。為保證容器的結(jié)構(gòu)強度，在容器外側(cè)焊接有環(huán)形加強筋。真空容器的所有焊縫均通過氦質(zhì)譜法進行檢漏，總漏率小于1×10-6Pa·m3/s[2]。

真空容器內(nèi)安裝有試件支撐平臺，可承載6 000 kg的靜態(tài)試件，具有隔振功能。在容器內(nèi)設(shè)有安裝試驗件的6個吊點，每個吊點可承載最大重量為1 500 kg。

2.2 真空抽氣系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由粗抽真空機組、輔助抽氣系統(tǒng)和高真空抽氣系統(tǒng)3部分組成。系統(tǒng)原理見圖1。

粗抽機組由6臺H150滑閥泵、4臺ZJB1200羅茨泵和1只直徑φ1 m的液氮冷阱組成。單臺H150滑閥泵的抽速為150 L/s，ZJB1200型羅茨泵的抽速為1 200 L/s。整個粗抽機組可以在45 min內(nèi)將容器內(nèi)壓力由常壓抽到3 Pa。在系統(tǒng)中還配備了一套輔助抽氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1臺F250/1500渦輪分子泵、1臺 F400/3500渦輪分子泵以及一套前級機組組成，主要用于容器的輔助抽氣和真空檢漏。高真空系統(tǒng)采用3臺G-M制冷機低溫泵作為主泵，每臺低溫泵的口徑為φ1 320 mm，抽速（對氮氣）可達50 000 L/s，同時配備了無油干泵用于低溫泵的再生。在容器空載狀態(tài)下，啟動低溫泵進行高真空抽氣后，在3 h內(nèi)即可將容器內(nèi)真空度降至7.5×10-5Pa。

圖1 真空系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of vacuum pumping system

大型真空試驗設(shè)備研制成功的關(guān)鍵是控制容器的總漏率、減少容器的放氣量，為此，配備了氦質(zhì)譜檢漏儀和四極質(zhì)譜計對系統(tǒng)的總漏率進行檢測，并對容器的內(nèi)表面進行多次拋光和清潔[3-4]。

2.3 熱沉

在真空容器內(nèi)安裝有模擬空間冷黑環(huán)境的熱沉。熱沉的外側(cè)安裝有防輻射屏，內(nèi)表面噴涂特制黑漆，吸收率αs為 0.95±0.02，半球發(fā)射率εh≥0.90，熱沉液氮管通入液氮后，溫度低于100 K。主容器段熱沉直徑φ6.8 m，高8.8 m，共分為6部分，分別是頂蓋熱沉、上熱沉、中熱沉、下熱沉、底部熱沉和防污冷屏。整個熱沉共有4 000多個焊口。

熱沉的設(shè)計熱負荷為70 kW，材料選用不銹鋼異型管加紫銅翅片，管內(nèi)的最大承壓為0.8 MPa。為確保熱沉研制的一次性成功，加工階段即對所有的焊縫和接口都采用氦質(zhì)譜檢漏儀進行檢漏，對每道焊縫進行X光探傷，并對每節(jié)熱沉進行液氮冷熱沖擊后的系統(tǒng)檢漏；所有熱沉拼接安裝完成后，再次進行液氮冷熱沖擊后的檢漏，確?？偮┞市∮?1×10-7Pa·m3/s。

熱沉不僅能夠起到模擬空間冷黑環(huán)境的作用，而且在液氮溫度下對水蒸氣等氣體也有著巨大的抽速，因此也是設(shè)備獲得高真空的重要手段。一般情況下，在熱沉通入液氮后，可將系統(tǒng)的真空度提高1～2個數(shù)量級。

2.4 氮系統(tǒng)

液氮系統(tǒng)主要為熱沉提供液氮冷源，其次就是為需要用到液氮的相關(guān)設(shè)備（比如液氮冷阱、低溫泵等）提供冷源。液氮系統(tǒng)的熱負荷為 120 kW，采用單相密閉循環(huán)系統(tǒng)進行，主要由3臺液氮儲槽、2臺液氮泵、1臺過冷器組成。整個系統(tǒng)可以在液氮泵啟動后的2 h內(nèi)將熱沉的溫度降到100 K以下。本系統(tǒng)還可以在液氮泵等設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下快速地切換到開式沸騰模式進行工作。

液氮系統(tǒng)的工作原理是：整個系統(tǒng)管路及熱沉經(jīng)過充分的預(yù)冷并充滿液氮后，啟動液氮泵；液氮泵將過冷狀態(tài)下的液氮以一定的壓力和流量輸送到真空模擬室內(nèi)的熱沉中，將熱沉所吸收的熱量帶走，使熱沉的溫度保持低于 100 K；然后返回過冷器，與過冷器內(nèi)常壓下的液氮進行熱交換，重新達到過冷狀態(tài)。系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 液氮系統(tǒng)流程圖Fig.2 The flow chart of liquid nitrogen system

氣氮系統(tǒng)采用密閉循環(huán)工作模式，可將熱沉從100 K加熱到333 K，系統(tǒng)主要由1臺氮氣螺桿壓縮機、1臺換熱器、1臺冷凍干燥機、2個過濾器及管道閥門組成，其工作原理為：從熱沉返回的氮氣經(jīng)換熱器后溫度控制在0 ℃以上，然后經(jīng)冷凍干燥機、過濾器進入螺桿壓縮機；螺桿壓縮機將氣體增壓加熱并經(jīng)過過濾后送入熱沉，形成密閉循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的冷凍干燥機用來干燥循環(huán)氣體，過濾器則是用于保證循環(huán)氣體的含油量小于0.01 ppm，整個系統(tǒng)的循環(huán)氣體的加熱通過螺桿壓縮機的壓縮來實現(xiàn)。

2.5 測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責(zé)采集和記錄系統(tǒng)真空度、真空系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)、氮系統(tǒng)運行參數(shù)、熱沉溫度、星上測溫?zé)犭娕紲囟鹊葦?shù)據(jù)。

1）環(huán)境參數(shù)測量：① 熱沉溫度采用銅-康銅熱電偶測量，測溫通道80路，表面溫度優(yōu)于100 K，平均溫度90 K。② 真空度測量采用電阻真空計、寬量程熱陰極電離計并配有測量超高真空的B-A規(guī)。所有的測量數(shù)據(jù)均采用計算機統(tǒng)一監(jiān)測和控制，具有自動切換量程、數(shù)字顯示功能。③ 真空容器內(nèi)殘余氣體測量。主要用于分析真空容器內(nèi)熱沉、真空容器、輔助裝置、電纜引線等釋放出的不同氣體成分及數(shù)量和衛(wèi)星等試驗件本身的有機揮發(fā)材料的揮發(fā)物組分。測量的手段是利用四極質(zhì)譜計進行上述氣體組分的監(jiān)測，系統(tǒng)同時具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時保存、回放功能。

2）星上溫度測量：主要通過一套多通道溫度測量系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)由溫度傳感器（銅-康銅熱電偶）、多通道溫度數(shù)據(jù)采集器、測試計算機、容器外公用溫度補償點、測量電纜及接插件組成，測量原理見圖 3。多通道溫度采集器采用的是Keithley 2701數(shù)字多用表，單臺可提供80路兩線制的電壓測量通道，測量精度6.5位，掃描速率為500通道/s。整個系統(tǒng)共布置了10臺該型號數(shù)字多用表，系統(tǒng)具有擴展功能。所有溫度數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可實時顯示、存儲、打印和根據(jù)需求繪制溫度變化曲線。

3）污染監(jiān)測系統(tǒng)：在試驗件的附近安裝4只石英晶體微量天平來實時地監(jiān)測污染量。石英天平的測量靈敏度可以達到4.42×10-9g/cm2。同時在試驗件周圍安裝了多只光學(xué)試片，用于試驗后分析污染情況。

2.6 外熱流模擬系統(tǒng)

空間外熱流模擬系統(tǒng)即在地面試驗設(shè)備中配備相關(guān)裝置來模擬航天器在空間軌道上遭遇的外熱流狀態(tài)，常見的模擬方法主要有紅外加熱籠、接觸式電加熱器、太陽模擬器等。本系統(tǒng)可以提供紅外加熱器和接觸式電加熱器兩種模擬方式。整個模擬系統(tǒng)主要由直流程控電源、測控計算機、通訊網(wǎng)絡(luò)、熱流模擬裝置組成。共配置了 20臺150V/8A、30臺120V/4.5A、50臺60V/5A的直流程控電源，程控電源的控制方式為PIX控制。系統(tǒng)可以選用外熱流閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種模式，具有擴展功能。

外熱流模擬選用閉環(huán)控制時采用PID控制算法。為了找到合適的P、I、D參數(shù)，避免造成一些回路控制過程發(fā)散，系統(tǒng)采用階躍信號進行激勵；通過分析階躍信號激勵下的溫度響應(yīng)曲線,得出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益、時間常數(shù)等反應(yīng)系統(tǒng)控制特性的重要參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)確定系統(tǒng)的P、I、D參數(shù)。針對紅外加熱籠控制滯后時間長、響應(yīng)慢的特點，在控制算法中采用了溫度增量識別和溫度增量控制技術(shù)。同時為了兼顧航天器在進出光照區(qū)和陰影區(qū)時熱流的快速轉(zhuǎn)換，在控制算法中加入了背景熱流自適應(yīng)功能。用該算法控制紅外加熱籠的熱流，在某型號整星熱平衡試驗中得到了滿意的效果：控制溫度與目標溫差小于1 K，熱流密度模擬精度優(yōu)于±2 %。

3 結(jié)束語

本文介紹了 KM5A空間環(huán)模試驗設(shè)備的組成、主要性能指標和關(guān)鍵技術(shù)。該設(shè)備投入運行以來，已成功完成了多個型號的真空熱試驗。相信該設(shè)備的進一步利用將有助于提高我國航天器的研制水平。

（References）

[1]黃本誠, 馬有禮, 黃寧, 等.航天器空間環(huán)境試驗技術(shù)[M].北京： 國防工業(yè)出版社, 2002： 115-137

[2]劉波濤, 茹曉勤, 張立偉, 等.小衛(wèi)星空間模擬器KM3B 的研制[J].航天器環(huán)境工程, 2006(4)：232-235

[3]達道安, 邱家穩(wěn), 肖祥正, 等.真空設(shè)計手冊[M], 北京： 國防工業(yè)出版社, 2006, 3版： 769-789

[4]Lee Jin, Harris N S, Tenwick N, et al.Modern vacuum practice[M].3rdedition.BOC Edwards, 2000： 201-266