VM800型熱真空（kōng）試驗設備的研製

隨著我（wǒ）國航天工程的發展（zhǎn），各種航天器件及整機的研發也層出不窮，隨（suí）之而來的用於（yú）航天器件及整機試驗（yàn）設備的需（xū）求也越（yuè）來越多。由於航天器件工作環境（jìng）的特殊性，航（háng）天器件在升必須在模擬環境中進行各種空間（jiān）環境模擬試驗，進行產品的熱真空高（gāo）低溫及熱平衡等多種（zhǒng）綜合（hé）性能（néng）測試，以驗證航（háng）天器件及整機在熱真空環境下的應（yīng）用可行性、可靠（kào）性（xìng）。我們為中（zhōng）國電科某研（yán）宄所設計、製（zhì）造的VM800型（xíng）熱真空試驗設備主要用於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（háng）高低溫循環衝（chōng）擊、高溫（wēn）保持、低溫保持等全過程（chéng）試驗，考察器件的可靠性。該（gāi）試驗箱實現了操作人機界麵化，具（jù）有功能全麵、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、真空的獲得和保障係統、低（dī）溫（wēn）製冷係統、高溫加熱係統、數據（jù）采集和顯示控製係統及冷卻水、氣源等輔助係統（tǒng）等6部分組成。　　準600mmx700mm；設備極（jí）限壓力：小於5xPa；工作壓力：小（xiǎo）於（yú）1.3xPa；溫度範圍：-65T~+150T；升降溫速率：在-55T~+125T範圍內，空載時平均升降溫（wēn）速（sù）率2T/min. 3技（jì）術（shù）方（fāng）案3.1真（zhēn）空艙體的設計本試驗（yàn）設備真空度指標高，其真空艙體（tǐ）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（bǎo）和蒸汽壓低、內部含氣量（liàng）及表麵（miàn）吸氣（qì）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（xià）材（cái）料（liào）不喪失其機械（xiè）性（xìng）能；烘（hōng）烤溫度（dù）下材料蒸汽壓低、滲透率低、加熱不變形、表麵易拋光等。　　綜上所述，我們選用0Cr18Ni9不鏽鋼作為（wéi）真空艙體及內部（bù）結（jié）構件的用材，並（bìng）對其內壁進行了光處理（lǐ）。觀察窗采用石英玻璃（lí），密封圈采用耐烘烤及放氣率低（dī）的氟橡（xiàng）膠。　　真空筒體（tǐ）內徑準800mm，直段長800mm；對於筒形殼體，當外壓為P時，由穩定性條件，壁厚（hòu）5按下式計算：其（qí）中：Et-材料溫度為（wéi）t時（shí）的彈性模量，MPa；-筒體計算長（zhǎng）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不鏽鋼（gāng）材料製造。　　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、試件平台等。真空艙體為（wéi）圓筒臥式結構，大門和尾部均為蝶（dié）形封（fēng）頭結構，整體置於馬鞍式支（zhī）撐結構上。真空艙體上分別設置多個接口法蘭，用於安（ān）裝真空泵、測量（liàng）、冷熱媒介質（zhì）循環等接口。真空艙體內安裝熱沉、輻射屏、試（shì）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、熱沉及試件平台。大門由法蘭和（hé）封頭（tóu）焊接而成。大（dà）門（mén）通過具有腰形槽（cáo）的不鏽鋼鉸鏈與筒體法蘭相連接。大門（mén）與（yǔ）筒體間采用O型氟橡膠密封圈密封，用3個（gè）活動C形卡鉗（qián）鎖緊裝置提供密封圈的預緊力。在大門封頭上（shàng）安裝輻（fú）射屏及熱沉，此熱沉的冷熱媒（méi）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（mén）熱沉組成，其作用是模工（gōng）作活塞靠自重向下運動擬宇宙空間的冷黑環境。熱沉材料（liào）為紫銅板和紫銅管，紫銅管盤繞（rào）於紫銅板卷成的筒體上（shàng）。紫銅管的兩側采用（yòng）銅釺（qiān）焊方式，一為固定管道，二為增加導熱麵（miàn）積。熱沉內表麵塗專用航空（kōng）黑漆來增加發射率。熱沉底部（bù）設置滾輪置（zhì）於真空筒體內導軌上，便於抽出維（wéi）護。　　試件平台（tái）由紫銅板製造（zào），支撐係統選用不鏽鋼材料，安裝（zhuāng）在真空（kōng）艙體內設置的支撐結構（gòu）上。　　32真空係統的設計3.2.1管路設計真（zhēn）空係統的性能參數主要是其所能獲得的極限真空度和對（duì）容器的（de）有效抽速。真空係統對容器（qì）的有效抽速取決於真（zhēn）空泵的抽速，以及真空係統管路對氣體的導通性能，即流導。根據流量的定義有（yǒu）（1）泵口壓力（lì）為P2，泵的（de）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（dào）入口的別為管路的入口壓力和（hé）出口壓（yā）力；表示真空係統對（duì）容器的有（yǒu）效抽速。　　在動態平衡時，流經任意截麵的氣體流量（liàng）相等，由式從式（4）和（5）可知，如果管路的流導U很（hěn）大，即U遠大於泵的抽速Sp，則S=SP，此時有效抽（chōu）速S隻（zhī）受泵的限製。若U遠小於泵的抽速Sp，」SU，此時有效抽速就受到管道流導的限製。根（gēn）據圓形管道（dào）的（de）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（bèng）的有效抽速（sù），必須使管道（dào）的流導（dǎo）盡可能增大，真空管路應該做得短而粗。　　3.2.2真空泵的（de）選擇真空（kōng）係統選取主泵的主要依據是：空載時真空室（shì）所需要達（dá）到的（de）極限真空度（dù）根據真空室所需要（yào）的極限真（zhēn）空確定主泵的類型。通常選取主（zhǔ）泵的極限真空（kōng）要比真空室所需要（yào）的極（jí）限（xiàn）真空高半個到一個數量級。　　真空室進行試（shì）驗時所需要的工作壓力工（gōng）作壓力要保證在主泵的佳抽速壓力範圍內。所需要的（de）主泵抽速由試驗過程中（zhōng）放出的氣體量（liàng）、係統漏氣量（liàng）及所需要的工作壓力來確定。　　O）被抽氣體種（zhǒng）類、成分以（yǐ）及含灰塵雜質情況真空（kōng）室對（duì）汙染程度（dù）的要求投資及運行經濟指標根據上述原則，經過（guò）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型低溫泵作為本係（xì）統的主抽泵，配備一台國產FF-2500/1600型分子泵作為輔助泵，實現高真空的獲得和（hé）保障（zhàng）。用一台萊（lái）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（bǎo）D30C真空泵與前級泵以及和真空艙體的連接管道均用不鏽鋼波紋管，既可吸收振動，又便於裝卸。　　33高低溫實現方式及流程設計高溫的實現。高溫加熱係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（sòng）至艙內熱沉，從而實現對熱沉進行加熱升溫的目的。此種方式不同於以往的用可控矽晶閘（zhá）管電源給艙體內加熱龍加熱升溫方（fāng）式，其特點是成本低、加熱裝置易（yì）於維修（xiū）。加熱係統由高（gāo）溫導熱油加熱保溫槽、不鏽鋼加熱管、管道、閥門、熱油驅動（dòng）泵等（děng）組成。　　低（dī）溫的（de）實現。要實現-65C的低溫，的製（zhì）冷方式就是製冷效率高又（yòu）經濟的蒸汽壓縮複疊製冷方式。通過熱負荷的計算，選取了德國穀輪半封閉壓（yā）縮機及（jí）進口高效釺焊板式換熱器等進口製冷配件，設計加工了冷卻（què）冷媒酒精的翅片管式換熱器等製冷（lěng）部件。其工作原（yuán）理是：高溫級製冷（lěng）劑R404A經過（guò）高溫級壓縮機壓（yā）縮後變成高溫高壓的製冷劑蒸汽，製冷劑（jì）蒸（zhēng）汽在冷凝器中被冷凝成液體，液體（tǐ）經過膨脹閥後在冷凝（níng）蒸發器中膨脹吸熱，冷卻來自低溫級壓縮機的高溫高壓的製冷劑蒸汽R23，在冷（lěng）凝蒸（zhēng）發（fā）器中（zhōng）R23被冷凝成液體，此液體經（jīng）過膨脹閥膨脹後在蒸發器中吸（xī）熱製冷，從而達到降溫的目的。本係統中蒸發器放置在酒精槽內，製冷劑在蒸發器中蒸發吸熱使（shǐ）槽內的酒精（jīng）冷卻降溫。低溫酒精再由磁力驅動泵送入（rù）試驗箱內熱沉（chén）中對（duì）熱沉進行冷卻降溫。　　流程設計。對熱真空試驗箱來講，溫度（dù）實現（xiàn）方案的（de）製定是一個非常（cháng）重要的環節，它（tā）直接影響到整個係統的結構、成本和控（kòng）製等（děng）方麵。本高低溫係統創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等（děng）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（yuán）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（yóu）經過換（huàn）熱器被冷卻水冷卻，溫度逐漸下降，當導熱油溫度（dù）降到某一溫（wēn）度點時（熱沉（chén）溫度同時下降）關（guān）閉冷卻水、熱油驅動泵（bèng）以及熱油供（gòng）給（gěi）閥門，停止熱沉的熱油循環。同時啟動磁力驅動泵、酒精（jīng）供給（gěi）閥門，將經過預冷的低溫酒精（jīng）輸送到熱沉開始酒（jiǔ）精循（xún）環（huán），熱沉溫度（dù）繼續下降，直到設定的低溫試驗溫（wēn）度（dù）。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（xiāng）從低溫試驗（yàn）轉到高溫試驗時，從試驗箱熱沉出來的低溫酒精經過換（huàn）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（yī）溫度點（diǎn）後（熱沉溫度同時升高），熱風發生器停（tíng）止工作、關閉磁力（lì）驅動泵和酒精供給閥門，停止熱沉（chén）的酒精循環。同時啟動熱油驅動泵、熱油供（gòng）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（zhí）到設定的高溫試驗溫（wēn）度（dù）。如此往（wǎng）複，實現高溫和低溫的溫度循環試驗（見）。　　3.4控製（zhì）係統設計本控製（zhì）係統分為就（jiù）地控製和遠程控製兩種方式。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，然後（hòu）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（děng）。　　就地控製可以在控製（zhì）櫃麵板上進行手動操作，按動相應控製按鈕，控製各類真（zhēn）空閥門、機械泵、分子泵、低溫（wēn）泵（bèng）的啟閉，製（zhì）冷和加熱的（de）啟停。　　遠程控製方式與就（jiù）地控製基本相符，主要是對（duì）試驗設備進（jìn）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（cǎi）用SIEMENS公司WINCC組態軟件，實現中文（wén）對話界麵。整個控製係統自動化程度高如果企（qǐ）業的銷售不順（shùn）暢，可靠性（xìng）高。在上位機顯示界麵上可直接啟停各級真空泵、真空閥門、製冷和加（jiā）熱係統等；米集顯示酒精槽內酒（jiǔ）精溫度、導熱油槽內導熱油（yóu）溫度、試驗箱內熱沉不同部位溫度、試（shì）件平台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（de）運行情（qíng）況，實現（xiàn）設備運行狀態、故（gù）障和報警信息的顯（xiǎn）示，試驗（yàn）數據的（de）記錄、存儲（chǔ）、以及打印等功能。　　本試驗設備在中國（guó）電科某研（yán）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（zǎi）器（qì）、上麵級、航天器試驗要求及GB2438A混合集成電路通用規範。　　試驗（yàn）要求：試（shì）驗壓力不高於（yú）1.3xPa，試驗溫度（dù）及保持時間：低溫2h，高溫（wēn）6h循環（huán）次數（shù）3次。　　空度達到了7.0xPa，高溫125C時真空度（dù）好能達到2.1x104Pa，溫度控（kòng）製精度優於1C.如所（suǒ）示。　　5結論本（běn）試驗設備在高低溫循環中設計了內外循環方（fāng）式，高溫熱媒和低溫冷媒（méi）都可以根據試驗的需要進行預熱和預冷，使降溫和升溫（wēn）速率加快。低溫循環中製冷劑不進入試驗箱，製冷劑的回路行程短，蒸汽（qì）壓力損失小，有利於壓（yā）縮機係統的穩定運行。同時，壓縮機製冷係（xì）統的維護也變得較為方便。同樣，高溫加熱裝（zhuāng）置的維護也很便捷。　　在高低溫工作（zuò）流程設計方麵，創新地引入了冷卻（què）水、酒精、導（dǎo）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（biàn），缺點是係統複雜。另外，酒精乃易燃物質，需（xū）充分做好（hǎo）安全防範措（cuò）施。　　本熱真（zhēn）空試（shì）驗（yàn）設備通過實際工作證明其設計合理、性能優良（liáng）、滿足用戶（hù）使用要求。　　楊世（shì）銘，陶文銓。傳熱學。北京：高等教育出6、實驗終了後,請關閉電源版社，1998.達道安。真空設（shè）計手（shǒu）冊。北京：國防工業出版社，1991.吳業正，韓寶琦。製冷原理及（jí）設備。西安：西安交通大學出（chū）版馬慶芳。實用熱物理（lǐ）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（fáng）工業驗設備的研發工作。