VM800型热真空试验设备的研制

随着我国航天工程的发展，各种航天器件及整机的研发也层出不穷，随之而来的用于航天器件及整机试验设备的需求也越来越多。由于航天器件工作环境的特殊性，航天器件在升必须在模拟环境中进行各种空间环境模拟试验，进行产品的热真空高低温及热平衡等多种综合性能测试，以验证航天器件及整机在热真空环境下的应用可行性、可靠性。我们为中国电科某研宄所设计、制造的VM800型热真空试验设备主要用于星载器件的空间环境模拟试验，在高真空环境下对试验器件进行高低温循环冲击、高温保持、低温保持等全过程试验，考察器件的可靠性。该试验箱实现了操作人机界面化，具有功能全面、操作简单直观、运行成本低等特点。　　2.1设备组成试验设备包括高真空舱体、真空的获得和保障系统、低温制冷系统、高温加热系统、数据采集和显示控制系统及冷却水、气源等辅助系统等6部分组成。　　准600mmx700mm；设备极限压力：小于5xPa；工作压力：小于1.3xPa；温度范围：-65T~+150T；升降温速率：在-55T~+125T范围内，空载时平均升降温速率2T/min. 3技术方案3.1真空舱体的设计本试验设备真空度指标高，其真空舱体及内部结构件所用的材料应满足一般真空的要求，即气密性好、工作温度下的饱和蒸汽压低、内部含气量及表面吸气量尽量少、化学及热稳定性好、机械强度好等，除此以外，还要满足高真空的要求，即：烘烤温度下材料不丧失其机械性能；烘烤温度下材料蒸汽压低、渗透率低、加热不变形、表面易抛光等。　　综上所述，我们选用0Cr18Ni9不锈钢作为真空舱体及内部结构件的用材，并对其内壁进行了光处理。观察窗采用石英玻璃，密封圈采用耐烘烤及放气率低的氟橡胶。　　真空筒体内径准800mm，直段长800mm；对于筒形壳体，当外压为P时，由稳定性条件，壁厚5按下式计算：其中：Et-材料温度为t时的弹性模量，MPa；-筒体计算长度，m，-壁厚附加量；筒体内径，m；P-真空容器外压力，MPa.根据计算结果取5=5mm.选用0Cr18Ni9不锈钢材料制造。　　真空舱体组成结构真空舱体包括真空筒体、大门、热沉、辐射屏、试件平台等。真空舱体为圆筒卧式结构，大门和尾部均为蝶形封头结构，整体置于马鞍式支撑结构上。真空舱体上分别设置多个接口法兰，用于安装真空泵、测量、冷热媒介质循环等接口。真空舱体内安装热沉、辐射屏、试件平台等部件（如）。　　真空筒体由直段部分和封头焊接而成，内装辐射屏、热沉及试件平台。大门由法兰和封头焊接而成。大门通过具有腰形槽的不锈钢铰链与筒体法兰相连接。大门与筒体间采用O型氟橡胶密封圈密封，用3个活动C形卡钳锁紧装置提供密封圈的预紧力。在大门封头上安装辐射屏及热沉，此热沉的冷热媒管道通过软管与真空筒体热沉相连。　　热沉主要由筒体热沉和大门热沉组成，其作用是模工作活塞靠自重向下运动拟宇宙空间的冷黑环境。热沉材料为紫铜板和紫铜管，紫铜管盘绕于紫铜板卷成的筒体上。紫铜管的两侧采用铜钎焊方式，一为固定管道，二为增加导热面积。热沉内表面涂专用航空黑漆来增加发射率。热沉底部设置滚轮置于真空筒体内导轨上，便于抽出维护。　　试件平台由紫铜板制造，支撑系统选用不锈钢材料，安装在真空舱体内设置的支撑结构上。　　32真空系统的设计3.2.1管路设计真空系统的性能参数主要是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。真空系统对容器的有效抽速取决于真空泵的抽速，以及真空系统管路对气体的导通性能，即流导。根据流量的定义有（1）泵口压力为P2，泵的抽速为Sp，泵抽走的气流量为Q=SpP2（2）管道入口压力为A，有效抽速为S，通过管道入口的别为管路的入口压力和出口压力；表示真空系统对容器的有效抽速。　　在动态平衡时，流经任意截面的气体流量相等，由式从式（4）和（5）可知，如果管路的流导U很大，即U远大于泵的抽速Sp，则S=SP，此时有效抽速S只受泵的限制。若U远小于泵的抽速Sp，」SU，此时有效抽速就受到管道流导的限制。根据圆形管道的流道公式知道，流道U与管道直径的多次方成正比，与长度成反比。由此可见，要提高泵的有效抽速，必须使管道的流导尽可能增大，真空管路应该做得短而粗。　　3.2.2真空泵的选择真空系统选取主泵的主要依据是：空载时真空室所需要达到的极限真空度根据真空室所需要的极限真空确定主泵的类型。通常选取主泵的极限真空要比真空室所需要的极限真空高半个到一个数量级。　　真空室进行试验时所需要的工作压力工作压力要保证在主泵的佳抽速压力范围内。所需要的主泵抽速由试验过程中放出的气体量、系统漏气量及所需要的工作压力来确定。　　O）被抽气体种类、成分以及含灰尘杂质情况真空室对污染程度的要求投资及运行经济指标根据上述原则，经过计算，结合造价考虑，选取抽速S=5000L/s的万瑞冷电科技有限公司生产的CP300型低温泵作为本系统的主抽泵，配备一台国产FF-2500/1600型分子泵作为辅助泵，实现高真空的获得和保障。用一台莱宝D30C真空泵作为分子泵的前级泵和真空舱体的粗抽泵，同时兼做低温泵的预抽泵。莱宝D30C真空泵与前级泵以及和真空舱体的连接管道均用不锈钢波纹管，既可吸收振动，又便于装卸。　　33高低温实现方式及流程设计高温的实现。高温加热系统采用舱外给高温导热油加热，高温导热油通过热油驱动泵输送至舱内热沉，从而实现对热沉进行加热升温的目的。此种方式不同于以往的用可控硅晶闸管电源给舱体内加热龙加热升温方式，其特点是成本低、加热装置易于维修。加热系统由高温导热油加热保温槽、不锈钢加热管、管道、阀门、热油驱动泵等组成。　　低温的实现。要实现-65C的低温，的制冷方式就是制冷效率高又经济的蒸汽压缩复叠制冷方式。通过热负荷的计算，选取了德国谷轮半封闭压缩机及进口高效钎焊板式换热器等进口制冷配件，设计加工了冷却冷媒酒精的翅片管式换热器等制冷部件。其工作原理是：高温级制冷剂R404A经过高温级压缩机压缩后变成高温高压的制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽在冷凝器中被冷凝成液体，液体经过膨胀阀后在冷凝蒸发器中膨胀吸热，冷却来自低温级压缩机的高温高压的制冷剂蒸汽R23，在冷凝蒸发器中R23被冷凝成液体，此液体经过膨胀阀膨胀后在蒸发器中吸热制冷，从而达到降温的目的。本系统中蒸发器放置在酒精槽内，制冷剂在蒸发器中蒸发吸热使槽内的酒精冷却降温。低温酒精再由磁力驱动泵送入试验箱内热沉中对热沉进行冷却降温。　　流程设计。对热真空试验箱来讲，温度实现方案的制定是一个非常重要的环节，它直接影响到整个系统的结构、成本和控制等方面。本高低温系统创新地引入了冷却水、酒精、导热油、热风等元素，经过合理组织实现了高低温升降温循环试验功能。降温循环流程的工作原理是：当试验箱从高温试验转到低温试验时，从热油驱动泵出来的高温导热油经过换热器被冷却水冷却，温度逐渐下降，当导热油温度降到某一温度点时（热沉温度同时下降）关闭冷却水、热油驱动泵以及热油供给阀门，停止热沉的热油循环。同时启动磁力驱动泵、酒精供给阀门，将经过预冷的低温酒精输送到热沉开始酒精循环，热沉温度继续下降，直到设定的低温试验温度。升温循环流程的温度、真空度试验曲线工作原理是：当试验箱从低温试验转到高温试验时，从试验箱热沉出来的低温酒精经过换热器被高温热风加热，温度不断升高，当酒精温度升高到某一温度点后（热沉温度同时升高），热风发生器停止工作、关闭磁力驱动泵和酒精供给阀门，停止热沉的酒精循环。同时启动热油驱动泵、热油供给阀门，将经过预热的导热油输送到热沉开始热油循环，热沉温度不断升高，直到设定的高温试验温度。如此往复，实现高温和低温的温度循环试验（见）。　　3.4控制系统设计本控制系统分为就地控制和远程控制两种方式。采用温度模块和模拟量模块检测设备的真空度和温度信号，然后通过PLC的控制，进行相应的泵阀启停、制冷机的启停和加热器的开关控制等。　　就地控制可以在控制柜面板上进行手动操作，按动相应控制按钮，控制各类真空阀门、机械泵、分子泵、低温泵的启闭，制冷和加热的启停。　　远程控制方式与就地控制基本相符，主要是对试验设备进行远程自动控制。控制系统的核心部件采用SIEMENS公司S系列可编程控制器。上位机采用SIEMENS公司WINCC组态软件，实现中文对话界面。整个控制系统自动化程度高如果企业的销售不顺畅，可靠性高。在上位机显示界面上可直接启停各级真空泵、真空阀门、制冷和加热系统等；米集显示酒精槽内酒精温度、导热油槽内导热油温度、试验箱内热沉不同部位温度、试件平台温度以及试件温度等，及时地反映出试验设备各个部件的运行情况，实现设备运行状态、故障和报警信息的显示，试验数据的记录、存储、以及打印等功能。　　本试验设备在中国电科某研究所进行了某批次产品的实际带载测试，依据标准GB1027A- 2005运载器、上面级、航天器试验要求及GB2438A混合集成电路通用规范。　　试验要求：试验压力不高于1.3xPa，试验温度及保持时间：低温2h，高温6h循环次数3次。　　空度达到了7.0xPa，高温125C时真空度好能达到2.1x104Pa，温度控制精度优于1C.如所示。　　5结论本试验设备在高低温循环中设计了内外循环方式，高温热媒和低温冷媒都可以根据试验的需要进行预热和预冷，使降温和升温速率加快。低温循环中制冷剂不进入试验箱，制冷剂的回路行程短，蒸汽压力损失小，有利于压缩机系统的稳定运行。同时，压缩机制冷系统的维护也变得较为方便。同样，高温加热装置的维护也很便捷。　　在高低温工作流程设计方面，创新地引入了冷却水、酒精、导热油、热风等元素，为热真空试验设备的设计提供了一个新的选择手段。该流程优点是造价低、运行成本低、维护方便，缺点是系统复杂。另外，酒精乃易燃物质，需充分做好安全防范措施。　　本热真空试验设备通过实际工作证明其设计合理、性能优良、满足用户使用要求。　　杨世铭，陶文铨。传热学。北京：高等教育出6、实验终了后,请关闭电源版社，1998.达道安。真空设计手册。北京：国防工业出版社，1991.吴业正，韩宝琦。制冷原理及设备。西安：西安交通大学出版马庆芳。实用热物理性质手册。北京：中国农业出版社，1986.黄本诚，马有礼。航天器空间环境试验技术。北京：国防工业验设备的研发工作。