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VM800型熱真空試驗(yàn)設(shè)備的研制

隨著我國(guó)航天工程的發(fā)展，各種航天器件及整機(jī)的研發(fā)也層出不窮，隨之而來(lái)的用于航天器件及整機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的需求也越來(lái)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(yàn)，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(cè)試，以驗(yàn)證航天器件及整機(jī)在熱真空環(huán)境下的應(yīng)用可行性、可靠性。我們?yōu)橹袊?guó)電科某研宄所設(shè)計(jì)、制造的VM800型熱真空試驗(yàn)設(shè)備主要用于星載器件的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，在高真空環(huán)境下對(duì)試驗(yàn)器件進(jìn)行高低溫循環(huán)沖擊、高溫保持、低溫保持等全過(guò)程試驗(yàn)，考察器件的可靠性。該試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)了操作人機(jī)界面化，具有功能全面、操作簡(jiǎn)單直觀、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)?！　?.1設(shè)備組成試驗(yàn)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?！　?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(shí)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(jì)本試驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)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(jī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)件的用材，并對(duì)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(zhǎng)800mm；對(duì)于筒形殼體，當(dāng)外壓為P時(shí)，由穩(wěn)定性條件，壁厚5按下式計(jì)算：其中：Et-材料溫度為t時(shí)的彈性模量，MPa；-筒體計(jì)算長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不銹鋼材料制造?！　≌婵张擉w組成結(jié)構(gòu)真空艙體包括真空筒體、大門(mén)、熱沉、輻射屏、試件平臺(tái)等。真空艙體為圓筒臥式結(jié)構(gòu)，大門(mén)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(gè)接口法蘭，用于安裝真空泵、測(cè)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(tái)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(tái)。大門(mén)由法蘭和封頭焊接而成。大門(mén)通過(guò)具有腰形槽的不銹鋼鉸鏈與筒體法蘭相連接。大門(mén)與筒體間采用O型氟橡膠密封圈密封，用3個(gè)活動(dòng)C形卡鉗鎖緊裝置提供密封圈的預(yù)緊力。在大門(mén)封頭上安裝輻射屏及熱沉，此熱沉的冷熱媒管道通過(guò)軟管與真空筒體熱沉相連?！　岢林饕赏搀w熱沉和大門(mén)熱沉組成，其作用是模工作活塞靠自重向下運(yùn)動(dòng)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(pán)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(lái)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_(tái)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(jì)3.2.1管路設(shè)計(jì)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(duì)容器的有效抽速。真空系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)容器的有效抽速?！　≡趧?dòng)態(tài)平衡時(shí)，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(shí)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(shí)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(zhǎng)度成反比。由此可見(jiàn)，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(shí)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(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。　　真空室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)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(yàn)過(guò)程中放出的氣體量、系統(tǒng)漏氣量及所需要的工作壓力來(lái)確定?！　）被抽氣體種類、成分以及含灰塵雜質(zhì)情況真空室對(duì)污染程度的要求投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)根據(jù)上述原則，經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)合造價(jià)考慮，選取抽速S=5000L/s的萬(wàn)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(tái)國(guó)產(chǎn)FF-2500/1600型分子泵作為輔助泵，實(shí)現(xiàn)高真空的獲得和保障。用一臺(tái)萊寶D30C真空泵作為分子泵的前級(jí)泵和真空艙體的粗抽泵，同時(shí)兼做低溫泵的預(yù)抽泵。萊寶D30C真空泵與前級(jí)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(dòng)，又便于裝卸?！　?3高低溫實(shí)現(xiàn)方式及流程設(shè)計(jì)高溫的實(shí)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(guò)熱油驅(qū)動(dòng)泵輸送至艙內(nèi)熱沉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)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(mén)、熱油驅(qū)動(dòng)泵等組成?！　〉蜏氐膶?shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)-65C的低溫，的制冷方式就是制冷效率高又經(jīng)濟(jì)的蒸汽壓縮復(fù)疊制冷方式。通過(guò)熱負(fù)荷的計(jì)算，選取了德國(guó)谷輪半封閉壓縮機(jī)及進(jìn)口高效釬焊板式換熱器等進(jìn)口制冷配件，設(shè)計(jì)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(jí)制冷劑R404A經(jīng)過(guò)高溫級(jí)壓縮機(jī)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(guò)膨脹閥后在冷凝蒸發(fā)器中膨脹吸熱，冷卻來(lái)自低溫級(jí)壓縮機(jī)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(guò)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(dòng)泵送入試驗(yàn)箱內(nèi)熱沉中對(duì)熱沉進(jìn)行冷卻降溫?！　×鞒淘O(shè)計(jì)。對(duì)熱真空試驗(yàn)箱來(lái)講，溫度實(shí)現(xiàn)方案的制定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到整個(gè)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(guò)合理組織實(shí)現(xiàn)了高低溫升降溫循環(huán)試驗(yàn)功能。降溫循環(huán)流程的工作原理是：當(dāng)試驗(yàn)箱從高溫試驗(yàn)轉(zhuǎn)到低溫試驗(yàn)時(shí)，從熱油驅(qū)動(dòng)泵出來(lái)的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)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(diǎn)時(shí)（熱沉溫度同時(shí)下降）關(guān)閉冷卻水、熱油驅(qū)動(dòng)泵以及熱油供給閥門(mén)，停止熱沉的熱油循環(huán)。同時(shí)啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵、酒精供給閥門(mén)，將經(jīng)過(guò)預(yù)冷的低溫酒精輸送到熱沉開(kāi)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(yàn)溫度。升溫循環(huán)流程的溫度、真空度試驗(yàn)曲線工作原理是：當(dāng)試驗(yàn)箱從低溫試驗(yàn)轉(zhuǎn)到高溫試驗(yàn)時(shí)，從試驗(yàn)箱熱沉出來(lái)的低溫酒精經(jīng)過(guò)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(diǎn)后（熱沉溫度同時(shí)升高），熱風(fēng)發(fā)生器停止工作、關(guān)閉磁力驅(qū)動(dòng)泵和酒精供給閥門(mén)，停止熱沉的酒精循環(huán)。同時(shí)啟動(dòng)熱油驅(qū)動(dòng)泵、熱油供給閥門(mén)，將經(jīng)過(guò)預(yù)熱的導(dǎo)熱油輸送到熱沉開(kāi)始熱油循環(huán)，熱沉溫度不斷升高，直到設(shè)定的高溫試驗(yàn)溫度。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)高溫和低溫的溫度循環(huán)試驗(yàn)（見(jiàn)）?！　?.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)備的真空度和溫度信號(hào)，然后通過(guò)PLC的控制，進(jìn)行相應(yīng)的泵閥啟停、制冷機(jī)的啟停和加熱器的開(kāi)關(guān)控制等。　　就地控制可以在控制柜面板上進(jìn)行手動(dòng)操作，按動(dòng)相應(yīng)控制按鈕，控制各類真空閥門(mén)、機(jī)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(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)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(jī)采用SIEMENS公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)中文對(duì)話界面。整個(gè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高如果企業(yè)的銷售不順暢，可靠性高。在上位機(jī)顯示界面上可直接啟停各級(jí)真空泵、真空閥門(mén)、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(yàn)箱內(nèi)熱沉不同部位溫度、試件平臺(tái)溫度以及試件溫度等，及時(shí)地反映出試驗(yàn)設(shè)備各個(gè)部件的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障和報(bào)警信息的顯示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)、以及打印等功能。　　本試驗(yàn)設(shè)備在中國(guó)電科某研究所進(jìn)行了某批次產(chǎn)品的實(shí)際帶載測(cè)試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB1027A- 2005運(yùn)載器、上面級(jí)、航天器試驗(yàn)要求及GB2438A混合集成電路通用規(guī)范?！　≡囼?yàn)要求：試驗(yàn)壓力不高于1.3xPa，試驗(yàn)溫度及保持時(shí)間：低溫2h，高溫6h循環(huán)次數(shù)3次?！　】斩冗_(dá)到了7.0xPa，高溫125C時(shí)真空度好能達(dá)到2.1x104Pa，溫度控制精度優(yōu)于1C.如所示。　　5結(jié)論本試驗(yàn)設(shè)備在高低溫循環(huán)中設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)箱，制冷劑的回路行程短，蒸汽壓力損失小，有利于壓縮機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，壓縮機(jī)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?！　≡诟叩蜏毓ぷ髁鞒淘O(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的選擇手段。該流程優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、運(yùn)行成本低、維護(hù)方便，缺點(diǎn)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?！　”緹嵴婵赵囼?yàn)設(shè)備通過(guò)實(shí)際工作證明其設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良、滿足用戶使用要求?！　钍楞懀瘴你?。傳熱學(xué)。北京：高等教育出6、實(shí)驗(yàn)終了后,請(qǐng)關(guān)閉電源版社，1998.達(dá)道安。真空設(shè)計(jì)手冊(cè)。北京：國(guó)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(shí)用熱物理性質(zhì)手冊(cè)。北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1986.黃本誠(chéng)，馬有禮。航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。北京：國(guó)防工業(yè)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)工作。