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VM800型熱真空試驗設備的研制

隨著我國航天工程的發展，各種航天器件及整機的研發也層出不窮，隨之而來的用于航天器件及整機試驗設備的需求也越來越多。由于航天器件工作環境的特殊性，航天器件在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。我們為中國電科某研宄所設計、制造的VM800型熱真空試驗設備主要用于星載器件的空間環境模擬試驗，在高真空環境下對試驗器件進行高低溫循環沖擊、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。　　2.1設備組成試驗設備包括高真空艙體、真空的獲得和保障系統、低溫制冷系統、高溫加熱系統、數據采集和顯示控制系統及冷卻水、氣源等輔助系統等6部分組成。　　準600mmx700mm；設備極限壓力：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，空載時平均升降溫速率2T/min. 3技術方案3.1真空艙體的設計本試驗設備真空度指標高，其真空艙體及內部結構件所用的材料應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、內部含氣量及表面吸氣量盡量少、化學及熱穩定性好、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。　　綜上所述，我們選用0Cr18Ni9不銹鋼作為真空艙體及內部結構件的用材，并對其內壁進行了光處理。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。　　真空筒體內徑準800mm，直段長800mm；對于筒形殼體，當外壓為P時，由穩定性條件，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；筒體內徑，m；P-真空容器外壓力，MPa.根據計算結果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不銹鋼材料制造。　　真空艙體組成結構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構，大門和尾部均為蝶形封頭結構，整體置于馬鞍式支撐結構上。真空艙體上分別設置多個接口法蘭，用于安裝真空泵、測量、冷熱媒介質循環等接口。真空艙體內安裝熱沉、輻射屏、試件平臺等部件（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。　　熱沉主要由筒體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。紫銅管的兩側采用銅釬焊方式，一為固定管道，二為增加導熱面積。熱沉內表面涂專用航空黑漆來增加發射率。熱沉底部設置滾輪置于真空筒體內導軌上，便于抽出維護。　　試件平臺由紫銅板制造，支撐系統選用不銹鋼材料，安裝在真空艙體內設置的支撐結構上。　　32真空系統的設計3.2.1管路設計真空系統的性能參數主要是其所能獲得的極限真空度和對容器的有效抽速。真空系統對容器的有效抽速取決于真空泵的抽速，以及真空系統管路對氣體的導通性能，即流導。根據流量的定義有（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；表示真空系統對容器的有效抽速。　　在動態平衡時，流經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U很大，即U遠大于泵的抽速Sp，則S=SP，此時有效抽速S只受泵的限制。若U遠小于泵的抽速Sp，」SU，此時有效抽速就受到管道流導的限制。根據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，必須使管道的流導盡可能增大，真空管路應該做得短而粗。　　3.2.2真空泵的選擇真空系統選取主泵的主要依據是：空載時真空室所需要達到的極限真空度根據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量級。　　真空室進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。所需要的主泵抽速由試驗過程中放出的氣體量、系統漏氣量及所需要的工作壓力來確定。　　O）被抽氣體種類、成分以及含灰塵雜質情況真空室對污染程度的要求投資及運行經濟指標根據上述原則，經過計算，結合造價考慮，選取抽速S=5000L/s的萬瑞冷電科技有限公司生產的CP300型低溫泵作為本系統的主抽泵，配備一臺國產FF-2500/1600型分子泵作為輔助泵，實現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高低溫實現方式及流程設計高溫的實現。高溫加熱系統采用艙外給高溫導熱油加熱，高溫導熱油通過熱油驅動泵輸送至艙內熱沉，從而實現對熱沉進行加熱升溫的目的。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。加熱系統由高溫導熱油加熱保溫槽、不銹鋼加熱管、管道、閥門、熱油驅動泵等組成。　　低溫的實現。要實現-65C的低溫，的制冷方式就是制冷效率高又經濟的蒸汽壓縮復疊制冷方式。通過熱負荷的計算，選取了德國谷輪半封閉壓縮機及進口高效釬焊板式換熱器等進口制冷配件，設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，液體經過膨脹閥后在冷凝蒸發器中膨脹吸熱，冷卻來自低溫級壓縮機的高溫高壓的制冷劑蒸汽R23，在冷凝蒸發器中R23被冷凝成液體，此液體經過膨脹閥膨脹后在蒸發器中吸熱制冷，從而達到降溫的目的。本系統中蒸發器放置在酒精槽內，制冷劑在蒸發器中蒸發吸熱使槽內的酒精冷卻降溫。低溫酒精再由磁力驅動泵送入試驗箱內熱沉中對熱沉進行冷卻降溫。　　流程設計。對熱真空試驗箱來講，溫度實現方案的制定是一個非常重要的環節，它直接影響到整個系統的結構、成本和控制等方面。本高低溫系統創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，經過合理組織實現了高低溫升降溫循環試驗功能。降溫循環流程的工作原理是：當試驗箱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水冷卻，溫度逐漸下降，當導熱油溫度降到某一溫度點時（熱沉溫度同時下降）關閉冷卻水、熱油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，將經過預冷的低溫酒精輸送到熱沉開始酒精循環，熱沉溫度繼續下降，直到設定的低溫試驗溫度。升溫循環流程的溫度、真空度試驗曲線工作原理是：當試驗箱從低溫試驗轉到高溫試驗時，從試驗箱熱沉出來的低溫酒精經過換熱器被高溫熱風加熱，溫度不斷升高，當酒精溫度升高到某一溫度點后（熱沉溫度同時升高），熱風發生器停止工作、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，將經過預熱的導熱油輸送到熱沉開始熱油循環，熱沉溫度不斷升高，直到設定的高溫試驗溫度。如此往復，實現高溫和低溫的溫度循環試驗（見）。　　3.4控制系統設計本控制系統分為就地控制和遠程控制兩種方式。采用溫度模塊和模擬量模塊檢測設備的真空度和溫度信號，然后通過PLC的控制，進行相應的泵閥啟停、制冷機的啟停和加熱器的開關控制等。　　就地控制可以在控制柜面板上進行手動操作，按動相應控制按鈕，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。　　遠程控制方式與就地控制基本相符，主要是對試驗設備進行遠程自動控制。控制系統的核心部件采用SIEMENS公司S系列可編程控制器。上位機采用SIEMENS公司WINCC組態軟件，實現中文對話界面。整個控制系統自動化程度高如果企業的銷售不順暢，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、試件平臺溫度以及試件溫度等，及時地反映出試驗設備各個部件的運行情況，實現設備運行狀態、故障和報警信息的顯示，試驗數據的記錄、存儲、以及打印等功能。　　本試驗設備在中國電科某研究所進行了某批次產品的實際帶載測試，依據標準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循環次數3次。　　空度達到了7.0xPa，高溫125C時真空度好能達到2.1x104Pa，溫度控制精度優于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可以根據試驗的需要進行預熱和預冷，使降溫和升溫速率加快。低溫循環中制冷劑不進入試驗箱，制冷劑的回路行程短，蒸汽壓力損失小，有利于壓縮機系統的穩定運行。同時，壓縮機制冷系統的維護也變得較為方便。同樣，高溫加熱裝置的維護也很便捷。　　在高低溫工作流程設計方面，創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，為熱真空試驗設備的設計提供了一個新的選擇手段。該流程優點是造價低、運行成本低、維護方便，缺點是系統復雜。另外，酒精乃易燃物質，需充分做好安全防范措施。　　本熱真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，陶文銓。傳熱學。北京：高等教育出6、實驗終了后,請關閉電源版社，1998.達道安。真空設計手冊。北京：國防工業出版社，1991.吳業正，韓寶琦。制冷原理及設備。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。航天器空間環境試驗技術。北京：國防工業驗設備的研發工作。