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VM800型熱真空試驗設(shè)備的研制

隨著我國航天工程的發(fā)展，各種航天器件及整機的研發(fā)也層出不窮，隨之而來的用于航天器件及整機試驗設(shè)備的需求也越來越多。由于航天器件工作環(huán)境的特殊性，航天器件在升必須在模擬環(huán)境中進(jìn)行各種空間環(huán)境模擬試驗，進(jìn)行產(chǎn)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(huán)境下的應(yīng)用可行性、可靠性。我們?yōu)橹袊娍颇逞绣乘O(shè)計、制造的VM800型熱真空試驗設(shè)備主要用于星載器件的空間環(huán)境模擬試驗，在高真空環(huán)境下對試驗器件進(jìn)行高低溫循環(huán)沖擊、高溫保持、低溫保持等全過程試驗，考察器件的可靠性。該試驗箱實現(xiàn)了操作人機界面化，具有功能全面、操作簡單直觀、運行成本低等特點?！　?.1設(shè)備組成試驗設(shè)備包括高真空艙體、真空的獲得和保障系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)、高溫加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和顯示控制系統(tǒng)及冷卻水、氣源等輔助系統(tǒng)等6部分組成。　　準(zhǔn)600mmx700mm；設(shè)備極限壓力：小于5xPa；工作壓力：小于1.3xPa；溫度范圍：-65T~+150T；升降溫速率：在-55T~+125T范圍內(nèi)，空載時平均升降溫速率2T/min. 3技術(shù)方案3.1真空艙體的設(shè)計本試驗設(shè)備真空度指標(biāo)高，其真空艙體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件所用的材料應(yīng)滿足一般真空的要求，即氣密性好、工作溫度下的飽和蒸汽壓低、內(nèi)部含氣量及表面吸氣量盡量少、化學(xué)及熱穩(wěn)定性好、機械強度好等，除此以外，還要滿足高真空的要求，即：烘烤溫度下材料不喪失其機械性能；烘烤溫度下材料蒸汽壓低、滲透率低、加熱不變形、表面易拋光等?！　【C上所述，我們選用0Cr18Ni9不銹鋼作為真空艙體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的用材，并對其內(nèi)壁進(jìn)行了光處理。觀察窗采用石英玻璃，密封圈采用耐烘烤及放氣率低的氟橡膠?！　≌婵胀搀w內(nèi)徑準(zhǔn)800mm，直段長800mm；對于筒形殼體，當(dāng)外壓為P時，由穩(wěn)定性條件，壁厚5按下式計算：其中：Et-材料溫度為t時的彈性模量，MPa；-筒體計算長度，m，-壁厚附加量；筒體內(nèi)徑，m；P-真空容器外壓力，MPa.根據(jù)計算結(jié)果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不銹鋼材料制造。　　真空艙體組成結(jié)構(gòu)真空艙體包括真空筒體、大門、熱沉、輻射屏、試件平臺等。真空艙體為圓筒臥式結(jié)構(gòu)，大門和尾部均為蝶形封頭結(jié)構(gòu)，整體置于馬鞍式支撐結(jié)構(gòu)上。真空艙體上分別設(shè)置多個接口法蘭，用于安裝真空泵、測量、冷熱媒介質(zhì)循環(huán)等接口。真空艙體內(nèi)安裝熱沉、輻射屏、試件平臺等部件（如）?！　≌婵胀搀w由直段部分和封頭焊接而成，內(nèi)裝輻射屏、熱沉及試件平臺。大門由法蘭和封頭焊接而成。大門通過具有腰形槽的不銹鋼鉸鏈與筒體法蘭相連接。大門與筒體間采用O型氟橡膠密封圈密封，用3個活動C形卡鉗鎖緊裝置提供密封圈的預(yù)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空筒體熱沉相連?！　岢林饕赏搀w熱沉和大門熱沉組成，其作用是模工作活塞靠自重向下運動擬宇宙空間的冷黑環(huán)境。熱沉材料為紫銅板和紫銅管，紫銅管盤繞于紫銅板卷成的筒體上。紫銅管的兩側(cè)采用銅釬焊方式，一為固定管道，二為增加導(dǎo)熱面積。熱沉內(nèi)表面涂專用航空黑漆來增加發(fā)射率。熱沉底部設(shè)置滾輪置于真空筒體內(nèi)導(dǎo)軌上，便于抽出維護(hù)?！　≡嚰脚_由紫銅板制造，支撐系統(tǒng)選用不銹鋼材料，安裝在真空艙體內(nèi)設(shè)置的支撐結(jié)構(gòu)上?！　?2真空系統(tǒng)的設(shè)計3.2.1管路設(shè)計真空系統(tǒng)的性能參數(shù)主要是其所能獲得的極限真空度和對容器的有效抽速。真空系統(tǒng)對容器的有效抽速取決于真空泵的抽速，以及真空系統(tǒng)管路對氣體的導(dǎo)通性能，即流導(dǎo)。根據(jù)流量的定義有（1）泵口壓力為P2，泵的抽速為Sp，泵抽走的氣流量為Q=SpP2（2）管道入口壓力為A，有效抽速為S，通過管道入口的別為管路的入口壓力和出口壓力；表示真空系統(tǒng)對容器的有效抽速?！　≡趧討B(tài)平衡時，流經(jīng)任意截面的氣體流量相等，由式從式（4）和（5）可知，如果管路的流導(dǎo)U很大，即U遠(yuǎn)大于泵的抽速Sp，則S=SP，此時有效抽速S只受泵的限制。若U遠(yuǎn)小于泵的抽速Sp，」SU，此時有效抽速就受到管道流導(dǎo)的限制。根據(jù)圓形管道的流道公式知道，流道U與管道直徑的多次方成正比，與長度成反比。由此可見，要提高泵的有效抽速，必須使管道的流導(dǎo)盡可能增大，真空管路應(yīng)該做得短而粗?！　?.2.2真空泵的選擇真空系統(tǒng)選取主泵的主要依據(jù)是：空載時真空室所需要達(dá)到的極限真空度根據(jù)真空室所需要的極限真空確定主泵的類型。通常選取主泵的極限真空要比真空室所需要的極限真空高半個到一個數(shù)量級?！　≌婵帐疫M(jìn)行試驗時所需要的工作壓力工作壓力要保證在主泵的佳抽速壓力范圍內(nèi)。所需要的主泵抽速由試驗過程中放出的氣體量、系統(tǒng)漏氣量及所需要的工作壓力來確定?！　）被抽氣體種類、成分以及含灰塵雜質(zhì)情況真空室對污染程度的要求投資及運行經(jīng)濟指標(biāo)根據(jù)上述原則，經(jīng)過計算，結(jié)合造價考慮，選取抽速S=5000L/s的萬瑞冷電科技有限公司生產(chǎn)的CP300型低溫泵作為本系統(tǒng)的主抽泵，配備一臺國產(chǎn)FF-2500/1600型分子泵作為輔助泵，實現(xiàn)高真空的獲得和保障。用一臺萊寶D30C真空泵作為分子泵的前級泵和真空艙體的粗抽泵，同時兼做低溫泵的預(yù)抽泵。萊寶D30C真空泵與前級泵以及和真空艙體的連接管道均用不銹鋼波紋管，既可吸收振動，又便于裝卸。　　33高低溫實現(xiàn)方式及流程設(shè)計高溫的實現(xiàn)。高溫加熱系統(tǒng)采用艙外給高溫導(dǎo)熱油加熱，高溫導(dǎo)熱油通過熱油驅(qū)動泵輸送至艙內(nèi)熱沉，從而實現(xiàn)對熱沉進(jìn)行加熱升溫的目的。此種方式不同于以往的用可控硅晶閘管電源給艙體內(nèi)加熱龍加熱升溫方式，其特點是成本低、加熱裝置易于維修。加熱系統(tǒng)由高溫導(dǎo)熱油加熱保溫槽、不銹鋼加熱管、管道、閥門、熱油驅(qū)動泵等組成。　　低溫的實現(xiàn)。要實現(xiàn)-65C的低溫，的制冷方式就是制冷效率高又經(jīng)濟的蒸汽壓縮復(fù)疊制冷方式。通過熱負(fù)荷的計算，選取了德國谷輪半封閉壓縮機及進(jìn)口高效釬焊板式換熱器等進(jìn)口制冷配件，設(shè)計加工了冷卻冷媒酒精的翅片管式換熱器等制冷部件。其工作原理是：高溫級制冷劑R404A經(jīng)過高溫級壓縮機壓縮后變成高溫高壓的制冷劑蒸汽，制冷劑蒸汽在冷凝器中被冷凝成液體，液體經(jīng)過膨脹閥后在冷凝蒸發(fā)器中膨脹吸熱，冷卻來自低溫級壓縮機的高溫高壓的制冷劑蒸汽R23，在冷凝蒸發(fā)器中R23被冷凝成液體，此液體經(jīng)過膨脹閥膨脹后在蒸發(fā)器中吸熱制冷，從而達(dá)到降溫的目的。本系統(tǒng)中蒸發(fā)器放置在酒精槽內(nèi)，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱使槽內(nèi)的酒精冷卻降溫。低溫酒精再由磁力驅(qū)動泵送入試驗箱內(nèi)熱沉中對熱沉進(jìn)行冷卻降溫?！　×鞒淘O(shè)計。對熱真空試驗箱來講，溫度實現(xiàn)方案的制定是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、成本和控制等方面。本高低溫系統(tǒng)創(chuàng)新地引入了冷卻水、酒精、導(dǎo)熱油、熱風(fēng)等元素，經(jīng)過合理組織實現(xiàn)了高低溫升降溫循環(huán)試驗功能。降溫循環(huán)流程的工作原理是：當(dāng)試驗箱從高溫試驗轉(zhuǎn)到低溫試驗時，從熱油驅(qū)動泵出來的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過換熱器被冷卻水冷卻，溫度逐漸下降，當(dāng)導(dǎo)熱油溫度降到某一溫度點時（熱沉溫度同時下降）關(guān)閉冷卻水、熱油驅(qū)動泵以及熱油供給閥門，停止熱沉的熱油循環(huán)。同時啟動磁力驅(qū)動泵、酒精供給閥門，將經(jīng)過預(yù)冷的低溫酒精輸送到熱沉開始酒精循環(huán)，熱沉溫度繼續(xù)下降，直到設(shè)定的低溫試驗溫度。升溫循環(huán)流程的溫度、真空度試驗曲線工作原理是：當(dāng)試驗箱從低溫試驗轉(zhuǎn)到高溫試驗時，從試驗箱熱沉出來的低溫酒精經(jīng)過換熱器被高溫?zé)犸L(fēng)加熱，溫度不斷升高，當(dāng)酒精溫度升高到某一溫度點后（熱沉溫度同時升高），熱風(fēng)發(fā)生器停止工作、關(guān)閉磁力驅(qū)動泵和酒精供給閥門，停止熱沉的酒精循環(huán)。同時啟動熱油驅(qū)動泵、熱油供給閥門，將經(jīng)過預(yù)熱的導(dǎo)熱油輸送到熱沉開始熱油循環(huán)，熱沉溫度不斷升高，直到設(shè)定的高溫試驗溫度。如此往復(fù)，實現(xiàn)高溫和低溫的溫度循環(huán)試驗（見）。　　3.4控制系統(tǒng)設(shè)計本控制系統(tǒng)分為就地控制和遠(yuǎn)程控制兩種方式。采用溫度模塊和模擬量模塊檢測設(shè)備的真空度和溫度信號，然后通過PLC的控制，進(jìn)行相應(yīng)的泵閥啟停、制冷機的啟停和加熱器的開關(guān)控制等?！　【偷乜刂瓶梢栽诳刂乒衩姘迳线M(jìn)行手動操作，按動相應(yīng)控制按鈕，控制各類真空閥門、機械泵、分子泵、低溫泵的啟閉，制冷和加熱的啟停?！　∵h(yuǎn)程控制方式與就地控制基本相符，主要是對試驗設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制?？刂葡到y(tǒng)的核心部件采用SIEMENS公司S系列可編程控制器。上位機采用SIEMENS公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件，實現(xiàn)中文對話界面。整個控制系統(tǒng)自動化程度高如果企業(yè)的銷售不順暢，可靠性高。在上位機顯示界面上可直接啟停各級真空泵、真空閥門、制冷和加熱系統(tǒng)等；米集顯示酒精槽內(nèi)酒精溫度、導(dǎo)熱油槽內(nèi)導(dǎo)熱油溫度、試驗箱內(nèi)熱沉不同部位溫度、試件平臺溫度以及試件溫度等，及時地反映出試驗設(shè)備各個部件的運行情況，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)、故障和報警信息的顯示，試驗數(shù)據(jù)的記錄、存儲、以及打印等功能?！　”驹囼炘O(shè)備在中國電科某研究所進(jìn)行了某批次產(chǎn)品的實際帶載測試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB1027A- 2005運載器、上面級、航天器試驗要求及GB2438A混合集成電路通用規(guī)范。　　試驗要求：試驗壓力不高于1.3xPa，試驗溫度及保持時間：低溫2h，高溫6h循環(huán)次數(shù)3次。　　空度達(dá)到了7.0xPa，高溫125C時真空度好能達(dá)到2.1x104Pa，溫度控制精度優(yōu)于1C.如所示?！　?結(jié)論本試驗設(shè)備在高低溫循環(huán)中設(shè)計了內(nèi)外循環(huán)方式，高溫?zé)崦胶偷蜏乩涿蕉伎梢愿鶕?jù)試驗的需要進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)冷，使降溫和升溫速率加快。低溫循環(huán)中制冷劑不進(jìn)入試驗箱，制冷劑的回路行程短，蒸汽壓力損失小，有利于壓縮機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，壓縮機制冷系統(tǒng)的維護(hù)也變得較為方便。同樣，高溫加熱裝置的維護(hù)也很便捷。　　在高低溫工作流程設(shè)計方面，創(chuàng)新地引入了冷卻水、酒精、導(dǎo)熱油、熱風(fēng)等元素，為熱真空試驗設(shè)備的設(shè)計提供了一個新的選擇手段。該流程優(yōu)點是造價低、運行成本低、維護(hù)方便，缺點是系統(tǒng)復(fù)雜。另外，酒精乃易燃物質(zhì)，需充分做好安全防范措施。　　本熱真空試驗設(shè)備通過實際工作證明其設(shè)計合理、性能優(yōu)良、滿足用戶使用要求。　　楊世銘，陶文銓。傳熱學(xué)。北京：高等教育出6、實驗終了后,請關(guān)閉電源版社，1998.達(dá)道安。真空設(shè)計手冊。北京：國防工業(yè)出版社，1991.吳業(yè)正，韓寶琦。制冷原理及設(shè)備。西安：西安交通大學(xué)出版馬慶芳。實用熱物理性質(zhì)手冊。北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1986.黃本誠，馬有禮。航天器空間環(huán)境試驗技術(shù)。北京：國防工業(yè)驗設(shè)備的研發(fā)工作。