VM800型（xíng）熱真（zhēn）空試驗設備的研製咗

VM800型熱真空試驗設（shè）備的研（yán）製

隨著我國航天工程的發展（zhǎn），各（gè）種航天器件及整機的（de）研發也層（céng）出（chū）不窮，隨之而來的用於航天器件（jiàn）及整（zhěng）機試驗（yàn）設備的需求也（yě）越來越多。由（yóu）於航天器件（jiàn）工作（zuò）環境的特殊（shū）性，航天（tiān）器件在（zài）升必須在模擬環境中進行各種空間環境模擬試驗，進行產品的熱真空高低溫及熱平衡等多種綜合性能測試，以驗證航天器件及整機在熱真空環境下的應用可行性、可靠性。我們為（wéi）中國（guó）電科某研（yán）宄（guǐ）所設計、製造的VM800型熱真空試驗設備主要用於星載器件的空間環境（jìng）模（mó）擬試驗，在高真空環境下對試驗器件進行高低溫循環衝擊、高溫保持、低溫保持等全過程試驗，考察（chá）器件的可靠性。該（gāi）試驗箱實（shí）現了操作人機界麵化，具有功能全麵、操（cāo）作簡單直觀（guān）、運行成本低等特點。　　2.1設備組成試驗設備包括高真空艙（cāng）體、真空的獲得和保（bǎo）障係統、低溫製冷係統、高溫加熱係統、數據采集和顯（xiǎn）示（shì）控製係統及冷卻水、氣源等輔助係統等6部分組成。　　準（zhǔn）600mmx700mm；設備極（jí）限壓力：小於5xPa；工作壓力：小於1.3xPa；溫度（dù）範圍：-65T~+150T；升降溫速率：在-55T~+125T範（fàn）圍內，空載時平均升降溫（wēn）速率（lǜ）2T/min. 3技術方案3.1真空艙體的設計（jì）本試驗設備真空度指標高，其真（zhēn）空艙體及內部結構件所用的材料應滿足一（yī）般真空的要求，即氣密性好、工作溫度下的飽和蒸汽壓低、內部含氣量及表麵吸氣量盡量少、化學及熱（rè）穩定性好、機械強度好等，除（chú）此以外，還要滿足高（gāo）真空的要求，即：烘（hōng）烤溫度下（xià）材料不喪失其機械性能（néng）；烘烤（kǎo）溫度下材料蒸（zhēng）汽壓低、滲透率低、加熱（rè）不變形、表麵易拋光等。　　綜上所述，我們選用0Cr18Ni9不（bú）鏽鋼作（zuò）為真空艙體及內部結構件的（de）用材，並對其內壁進行了光處理。觀察窗（chuāng）采用石英玻（bō）璃，密封圈采用（yòng）耐烘烤及放氣率（lǜ）低的氟橡（xiàng）膠。　　真空筒體內徑準800mm，直段長800mm；對於筒形殼（ké）體（tǐ），當外壓為P時，由穩定性條件，壁厚（hòu）5按下（xià）式計（jì）算：其中：Et-材料溫度為t時的彈性模量，MPa；-筒體計算長度，m，-壁厚附（fù）加量；筒體內徑，m；P-真空容器外壓力，MPa.根據計算結果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不鏽鋼材料製造。　　真空艙體組成結構（gòu）真空艙體包括真空筒體、大門、熱沉、輻射屏、試件平台（tái）等。真空艙（cāng）體（tǐ）為圓筒臥式結構，大門和（hé）尾部均為蝶形封頭結構，整體置（zhì）於馬鞍式支撐結構上。真空艙體上分（fèn）別（bié）設置多個接口法蘭，用於安裝真（zhēn）空泵、測量、冷（lěng）熱媒介質循環等接口。真空艙體內安裝熱沉、輻射屏、試件平台等部件（如）。　　真空筒體由直段部分和封頭焊接而成，內裝輻射屏、熱（rè）沉及試件平台。大門由法蘭和封頭焊接（jiē）而成。大（dà）門通過具有（yǒu）腰形槽的不鏽鋼鉸鏈與筒體法蘭相連接。大門與筒體間采用（yòng）O型氟橡膠密封圈密封，用3個活動C形卡（kǎ）鉗鎖緊裝置（zhì）提供（gòng）密封（fēng）圈的（de）預緊力。在大門封頭上安裝輻射屏及熱沉，此熱沉的冷熱媒管道通過軟管與真（zhēn）空筒體熱（rè）沉相連。　　熱沉主要由筒體熱沉和大門熱沉組成，其作用是模工作（zuò）活塞靠自重向下運（yùn）動（dòng）擬宇宙空間的冷黑環境。熱沉材料為紫銅板和紫銅管，紫銅管盤繞於（yú）紫銅板卷成的筒體（tǐ）上。紫銅管的兩側采用銅釺焊方式，一為固定管（guǎn）道，二為增加導熱麵積。熱沉內表麵塗專用航空黑漆來增加（jiā）發射率。熱沉底部（bù）設置滾輪置於真空（kōng）筒體內導（dǎo）軌上，便於抽出維護（hù）。　　試件平台由（yóu）紫銅板製造，支撐係統選用不鏽鋼材料，安裝在真（zhēn）空艙體內設置（zhì）的支撐結構上。　　32真空係統的設計3.2.1管路設計真空係統的性能參數主要是（shì）其所能獲得的極限真空度和對容器的有效抽速。真空係統對容器（qì）的有效抽速取決於真空泵的抽速，以及真空係統（tǒng）管路對（duì）氣體的導通性能，即流導（dǎo）。根據（jù）流量的（de）定（dìng）義有（1）泵口壓力為P2，泵（bèng）的抽（chōu）速為Sp，泵抽走（zǒu）的氣流量為Q=SpP2（2）管道入口壓力為A，有效抽速為S，通過管道入口的（de）別為管路的入口壓力和出口壓力；表示真空係統對容器的（de）有效抽速。　　在動態平衡時，流（liú）經任意截麵的氣體流量相等，由式從式（4）和（5）可知（zhī），如果管路的流導U很大，即U遠大於泵的抽速Sp，則（zé）S=SP，此時有效抽速S隻（zhī）受泵的限製（zhì）。若U遠小於泵的抽速Sp，」SU，此時有效抽（chōu）速就受到管道流導的限製。根（gēn）據圓形管道的流道公式（shì）知道，流道U與管道（dào）直徑（jìng）的多次方成正比，與長度成反比。由此可見，要提高泵的（de）有效抽速，必須使管道的流導盡可能增大，真空管路應該做得短（duǎn）而粗。　　3.2.2真空泵的選（xuǎn）擇真空係統選（xuǎn）取主泵的主要依據是：空載（zǎi）時真空室所需要達到的極限真空度根據（jù）真空（kōng）室所需（xū）要（yào）的（de）極限真空確定主泵的類型。通常選取主（zhǔ）泵的（de）極限真空要比真空室所需要的極限真空高半個到一個數量級。　　真空室進行試驗時所（suǒ）需要的工作壓力（lì）工作壓（yā）力要保證（zhèng）在主泵的佳抽速壓力範圍內。所需要的主泵抽速由試驗過程中放出的（de）氣體量、係（xì）統漏氣量及所需要的工作（zuò）壓力來確定。　　O）被抽氣體種類、成分以及含灰塵（chén）雜質情況（kuàng）真空室對汙染（rǎn）程度的（de）要求投資及運行經濟指標根據上述原則（zé），經過計算，結合造價考慮，選取抽速（sù）S=5000L/s的萬瑞冷電科技有限公司生產（chǎn）的CP300型低溫泵作為本係統的（de）主抽泵，配備一台國產FF-2500/1600型分（fèn）子泵作為輔助泵，實現（xiàn）高（gāo）真空的獲得和保障。用一台萊寶D30C真空泵作為分（fèn）子泵的前（qián）級（jí）泵和（hé）真空艙（cāng）體的粗（cū）抽泵，同時兼做低溫泵的預抽泵。萊寶D30C真空泵與前（qián）級泵以及和（hé）真空艙（cāng）體的（de）連接管道均用不鏽鋼波紋管，既可吸收振動，又便於裝卸。　　33高低溫（wēn）實現方式及流程設計高溫的實現。高溫加熱（rè）係統（tǒng）采用艙外給高（gāo）溫導熱油加熱，高溫導（dǎo）熱油（yóu）通過熱油驅動（dòng）泵輸送至艙內熱沉，從而（ér）實（shí）現對熱沉進行加熱升溫的（de）目的。此種（zhǒng）方式不同於以往的用可（kě）控矽晶（jīng）閘管電源給艙體內加熱龍加熱升溫方式（shì），其特點是成本低、加熱裝置易於維修。加熱係統由（yóu）高溫導熱油加熱保溫槽、不鏽（xiù）鋼加熱管、管道、閥門、熱油驅動泵等組成。　　低溫的（de）實（shí）現。要實現（xiàn）-65C的低溫，的製冷方式就是製冷效（xiào）率高又經濟的蒸汽壓縮複（fù）疊製冷方式。通過熱（rè）負荷的計算，選取了德（dé）國穀輪半（bàn）封閉壓縮機及進口高效釺焊板式換熱器等進口製冷配件，設（shè）計（jì）加工了冷卻冷媒酒精的（de）翅片管式換熱器等製冷部件。其工作原理是：高溫級製冷劑R404A經過高溫級（jí）壓縮機壓縮（suō）後變成高溫高壓的製冷劑蒸汽，製（zhì）冷劑（jì）蒸汽在冷（lěng）凝器中被冷凝成液體，液體經過膨脹閥後在冷凝蒸發器中膨脹吸熱，冷卻來自（zì）低溫（wēn）級壓縮機的高溫高壓（yā）的製（zhì）冷劑蒸（zhēng）汽R23，在冷凝蒸發器中R23被冷凝成液體，此液體經過膨脹閥膨脹後（hòu）在蒸發器中吸熱製冷，從而達（dá）到（dào）降溫的目的。本係統（tǒng）中蒸發器放置在酒精槽內，製冷劑在蒸發器中蒸發吸熱使槽內的酒精冷（lěng）卻降溫。低溫酒精再由磁力驅動泵送入試驗箱內熱沉（chén）中對熱沉進（jìn）行冷卻降溫。　　流程設計。對熱真空試驗箱來講，溫度實現方案的製定是一個非常重要的環節，它直接影響到（dào）整個係統的結構、成本和控製等方麵。本高低溫係統創新地引入了冷卻水（shuǐ）、酒精、導熱油、熱風等元素，經過合理組織實（shí）現（xiàn）了（le）高低溫升降溫循環試驗功（gōng）能。降溫循環流程的工作原理是：當試驗箱（xiāng）從高溫試驗轉到低溫試驗時，從熱油驅動泵出來的高溫導熱油經過換熱器被冷卻（què）水冷卻，溫度逐漸下降，當導熱油溫度降到某一溫（wēn）度點時（熱沉溫度同時下降（jiàng））關閉冷卻水、熱油（yóu）驅動泵以及熱油供給閥門，停止熱沉的熱油循環。同時啟動磁力驅動泵、酒精供給閥門，將經過預（yù）冷的低溫（wēn）酒精輸送到熱沉開始酒精循（xún）環，熱沉（chén）溫度繼續下降，直到設（shè）定的低溫試驗溫度。升溫循（xún）環流（liú）程的溫度、真空度試驗曲線工作原理是：當試驗箱從低溫試驗轉到高（gāo）溫（wēn）試驗時，從試驗箱熱沉出來的低溫酒精（jīng）經（jīng）過換熱器被高溫熱風加熱，溫度不斷升高，當（dāng）酒精溫度（dù）升高到某一溫度點後（熱沉溫度同時升高），熱風（fēng）發生器停止工作、關閉磁力驅動泵和酒精供給閥門，停止熱沉的酒（jiǔ）精循環。同時啟動熱油驅動泵、熱油供給閥門，將經過預熱的導（dǎo）熱油輸送到熱（rè）沉開始熱油循環，熱沉溫度（dù）不斷升高，直（zhí）到設定的高溫試驗（yàn）溫度（dù）。如此往複，實現高溫（wēn）和低（dī）溫的溫（wēn）度循環試驗（見）。　　3.4控製係統設計本控製係統分為（wéi）就地控製和遠程控製兩種方式（shì）。采用溫度（dù）模塊和模擬量模（mó）塊檢測設備的真空度和溫（wēn）度信號，然後通過PLC的控製，進行相應的泵閥啟停、製冷機的啟停和加熱器的開關控製等。　　就地控製可以（yǐ）在（zài）控製櫃麵板上進行手動操作（zuò），按（àn）動相應控（kòng）製按鈕，控（kòng）製各類真空閥門、機械泵、分子泵、低溫泵的啟閉（bì），製冷和加熱（rè）的啟停。　　遠程控製方式與就地控製（zhì）基本相（xiàng）符，主（zhǔ）要是對試驗設備進行遠程自動控製。控製係統的核心部件采用SIEMENS公司S係列可編程控製器。上位機采用SIEMENS公司WINCC組態軟件，實現中文（wén）對話界麵。整個（gè）控製係統自動化程度高如果企業的銷（xiāo）售（shòu）不（bú）順暢，可靠性高（gāo）。在上位機顯示（shì）界（jiè）麵上可直（zhí）接啟停各級真（zhēn）空泵、真空閥門、製冷和加熱係統等；米集顯示酒精槽內酒精溫度、導熱油槽內導熱油溫度、試驗箱內熱沉不同部位溫度、試件平台溫度以及試件（jiàn）溫度等，及時（shí）地反映出試驗設（shè）備各個部件的運行情（qíng）況（kuàng），實現設備（bèi）運行狀態（tài）、故（gù）障和報警信息的顯（xiǎn）示（shì），試驗數據的記錄、存（cún）儲、以及打印等功能。　　本試驗設備在中國電科某研（yán）究所進行了某批次產品的實際帶載測試（shì），依據標準GB1027A- 2005運載器、上麵級、航（háng）天器試驗要求及GB2438A混合集成（chéng）電路通用規範。　　試驗要求：試驗壓力不高於1.3xPa，試驗溫度及保持（chí）時間：低溫2h，高溫（wēn）6h循環次（cì）數3次。　　空度達到（dào）了7.0xPa，高溫125C時真空度好能（néng）達到（dào）2.1x104Pa，溫度控製精度優於1C.如所示。　　5結論本試驗設備在高低溫循環中設計了內外循環方式，高溫熱媒和低溫冷媒都（dōu）可以根據（jù）試驗的需要進行預熱和預冷，使降溫和升溫速率（lǜ）加快。低（dī）溫（wēn）循環（huán）中製冷劑不（bú）進入試驗箱，製（zhì）冷（lěng）劑的回路行程短，蒸汽壓力損失小，有利於壓縮機係統的穩（wěn）定運行。同時，壓縮機製冷係統的維護也變得較為（wéi）方便。同樣，高溫加熱裝置的維護也很便捷。　　在高（gāo）低溫（wēn）工作流程設計方麵，創新地引入了冷（lěng）卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，為熱（rè）真空試驗設備的設計提供了一個新的選擇手段。該（gāi）流程優點是造價（jià）低、運行成本低、維護（hù）方便，缺點是係統複（fù）雜。另（lìng）外，酒精乃易燃物質，需充分做好安全防範措施。　　本熱真（zhēn）空試驗設備通過實際工作證明其設計合理、性能優良、滿足用戶使用要求。　　楊世銘，陶（táo）文銓。傳熱學。北京（jīng）：高等教育出6、實驗終了後,請（qǐng）關閉電（diàn）源版社，1998.達道安。真空設計（jì）手冊。北京：國防工業出版社，1991.吳業正，韓寶琦。製冷原理及設備。西安：西安交通大學出版馬慶芳。實用熱物理性質手冊。北京：中國農業出版社，1986.黃本誠，馬有禮。航天器空間（jiān）環境試驗技術。北京：國防工業驗設備的研發工作。