VM800型熱真空試驗設備的研製

隨著我國航天工程的發展，各（gè）種航天器件及整機的研發也層出不窮，隨（suí）之而來的用於航天器件及整機（jī）試驗設備的需求也越來越多。由於航（háng）天器件工（gōng）作環境的特殊性，航天器（qì）件在（zài）升必須在模擬環（huán）境中進行各（gè）種空間環境模擬試驗，進行產品的熱真空高低（dī）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（kě）靠性。我們為中國（guó）電科某研宄所設計、製造的VM800型熱真空試驗設備主要用於星載器件的空間環（huán）境模擬試驗，在高真空環境下對試（shì）驗器件進行高低（dī）溫循（xún）環衝擊、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麵化，具有功能（néng）全麵、操作簡單直觀、運行成本低（dī）等特（tè）點。　　2.1設備組成試驗設備（bèi）包括高真空艙體、真空的獲得和保（bǎo）障係（xì）統（tǒng）、低（dī）溫製冷（lěng）係（xì）統、高溫加熱係統（tǒng）、數據采集和顯示控製係統（tǒng）及冷卻水、氣源等輔助係統等6部分組成（chéng）。　　準600mmx700mm；設備極限（xiàn）壓力：小於5xPa；工作壓力（lì）：小於1.3xPa；溫度範圍：-65T~+150T；升降溫速率：在-55T~+125T範圍內（nèi），空載時平均升降溫速率2T/min. 3技（jì）術方案3.1真空艙體的設計本試驗設備真空度（dù）指標高（gāo），其（qí）真空艙體及內部結構件所用的材料應滿足一般真（zhēn）空的要求，即氣密（mì）性好、工作溫度下的（de）飽和蒸汽壓低（dī）、內部含氣量及表麵吸氣量盡量少、化學及（jí）熱穩定性好（hǎo）、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（cái）料不喪失其機械性（xìng）能；烘烤溫度（dù）下材（cái）料蒸汽壓（yā）低、滲透率低、加熱（rè）不變（biàn）形（xíng）、表麵易拋光等。　　綜上所述，我們選用0Cr18Ni9不鏽鋼作為（wéi）真空艙（cāng）體及內部結構件的用材，並對（duì）其內壁進行（háng）了光處理（lǐ）。觀察窗采（cǎi）用石（shí）英玻璃，密（mì）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；對於筒形殼體，當（dāng）外壓為P時（shí），由穩定（dìng）性條件，壁厚5按下式計算（suàn）：其中：Et-材料溫度為t時的彈性（xìng）模量，MPa；-筒體計算長度，m，-壁厚附加（jiā）量；筒體內徑，m；P-真空容器外壓（yā）力，MPa.根據計算結果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不鏽鋼材料（liào）製造。　　真空艙體組成結構（gòu）真空艙體包括真空筒體、大門（mén）、熱沉、輻射屏、試件平台等。真空艙體為圓筒臥式結（jié）構，大門和尾部均為蝶形封頭結構，整體置於馬鞍式支撐結構上。真空艙（cāng）體上分別設置多個接（jiē）口法蘭，用於（yú）安（ān）裝真（zhēn）空泵、測量、冷熱媒介質循環等（děng）接口。真空艙體內安裝熱沉、輻射屏、試（shì）件平台等部（bù）件（如）。　　真空筒體由直（zhí）段部分和封頭焊接而成，內裝（zhuāng）輻射屏、熱（rè）沉及試件平台。大門由法蘭和封頭焊接（jiē）而成（chéng）。大門（mén）通過具有腰形槽的（de）不鏽鋼鉸鏈與筒（tǒng）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（gè）活動C形卡（kǎ）鉗鎖緊裝置提供（gòng）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。　　熱沉（chén）主要由筒體熱沉和大門熱沉組成，其（qí）作（zuò）用（yòng）是模工作活塞（sāi）靠自重（chóng）向下運動擬宇宙空間的冷（lěng）黑環境。熱（rè）沉材料（liào）為紫銅板和紫銅管，紫銅管盤繞於（yú）紫銅板卷成的筒體上。紫銅管的兩側采用銅釺焊方式，一為固定管（guǎn）道，二（èr）為增加（jiā）導熱（rè）麵積。熱沉內表麵塗專（zhuān）用（yòng）航空黑漆來增加發射率。熱沉底部（bù）設置滾輪置於真空筒體內導軌上，便於抽出維護。　　試件平（píng）台由紫銅板製造，支撐係統選用（yòng）不鏽鋼材料，安裝在（zài）真空艙體內設置的支撐結構上。　　32真空係統的設計3.2.1管路設計真空係（xì）統的性（xìng）能參數主要是其所能獲得的極限真空（kōng）度和對容（róng）器的有效抽速。真空係統對容（róng）器的有效（xiào）抽速取決於真空泵（bèng）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（1）泵口壓（yā）力為（wéi）P2，泵的抽速為Sp，泵抽（chōu）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（kǒu）壓力和出口壓力；表（biǎo）示真空係統對容器的有效抽（chōu）速。　　在動態平衡時，流經任意截麵的氣體流量相等，由式從式（4）和（5）可知，如果管路的流導U很大，即U遠大於泵的抽速Sp，則（zé）S=SP，此時有效抽速S隻受（shòu）泵的（de）限製。若U遠小於泵的抽速（sù）Sp，」SU，此時有效抽速就受到管道流導的限製。根據圓形管道的（de）流道公式知道，流道U與管道直徑的多次方成正比，與（yǔ）長度成反比。由此可（kě）見，要提高泵的有效抽速，必須使管道（dào）的（de）流導盡可能（néng）增大，真空管路應該做得短而（ér）粗（cū）。　　3.2.2真空泵的選擇真空係統選取主（zhǔ）泵的主要依據是：空載時真空室（shì）所需要達到的極限真空度根據真（zhēn）空室所需要的極（jí）限真空（kōng）確定主泵的類型。通常選取（qǔ）主泵的極限真空要比真空室所需要的極限（xiàn）真空高半個（gè）到一個數量級。　　真空室進行試（shì）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範圍內。所（suǒ）需要（yào）的主泵（bèng）抽速由試驗過程中放出的氣體量、係統漏氣量（liàng）及所需要的工作壓力來確定。　　O）被抽氣（qì）體種類、成分以及含灰塵雜質情況真空室對汙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（kǎo）慮，選取抽速S=5000L/s的萬瑞冷電科技有（yǒu）限公司生產的CP300型低（dī）溫泵作為（wéi）本係統的（de）主抽泵，配備一台國產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。用一台萊寶D30C真（zhēn）空泵作為分子泵的前級（jí）泵和真空艙體的粗抽泵（bèng），同時兼做低（dī）溫泵的（de）預抽泵（bèng）。萊寶D30C真空（kōng）泵與（yǔ）前（qián）級泵以及和真空艙（cāng）體的連接管道（dào）均用不鏽鋼（gāng）波紋（wén）管，既可吸收振動，又便於裝（zhuāng）卸。　　33高低溫實現方式及流程設計高溫的實（shí）現。高溫加熱係統（tǒng）采用艙外給高溫導熱油加熱，高溫導（dǎo）熱油通過熱油驅動泵輸送至艙（cāng）內熱沉，從而實現對熱沉（chén）進行加熱升溫的目的。此種方式不同於以（yǐ）往的用可控矽晶閘管電源給艙體（tǐ）內加熱龍加（jiā）熱升溫方式，其特點是（shì）成本低、加熱裝置易於維修。加熱係統由高溫導熱油加熱保溫槽、不鏽鋼加熱管、管道、閥門、熱油驅動泵等組成。　　低溫的實現。要實現-65C的低溫，的製（zhì）冷方式就是製冷效率高又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縮（suō）機及進口高效釺焊（hàn）板式換熱器等進（jìn）口製冷配件，設計（jì）加工了冷卻（què）冷（lěng）媒酒精的翅片管式換熱器等製冷部件。其工作原（yuán）理是（shì）：高溫級製（zhì）冷劑R404A經過高溫級壓縮（suō）機壓縮後變成高溫高壓的製冷劑蒸汽，製冷劑蒸汽在（zài）冷凝器中被冷凝成液體，液（yè）體經過膨脹閥後在冷凝蒸（zhēng）發器中膨脹吸熱，冷卻（què）來自低溫級壓縮機的高溫高壓（yā）的製冷劑蒸汽R23，在冷凝蒸發器中R23被冷凝成液體，此液體經過膨脹閥（fá）膨脹後在蒸發器中吸熱製冷，從而達到降溫的目的（de）。本係統中蒸發器放置在酒精槽內，製（zhì）冷劑在蒸發器中蒸（zhēng）發吸熱使槽內的（de）酒精冷卻降（jiàng）溫。低溫酒精再由磁（cí）力驅動泵送入試驗箱內（nèi）熱沉中對熱沉進行冷（lěng）卻降溫。　　流程（chéng）設計。對熱真空試驗箱來講，溫（wēn）度實現方案的製定是一個非常重要的環節，它直接影響到整個係統的結（jié）構、成本（běn）和控製等方（fāng）麵。本高低溫係統創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，經過合（hé）理組織實現了（le）高低溫（wēn）升降溫循環試驗功能。降溫循環流（liú）程的工作原理是：當試（shì）驗箱從高溫試驗轉到低溫試驗時，從熱油驅動泵出來的高（gāo）溫導熱油（yóu）經過換熱器（qì）被冷卻水冷（lěng）卻，溫度逐（zhú）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（jiàng））關閉冷卻水、熱油驅動泵以及（jí）熱油供給閥門，停止（zhǐ）熱沉的熱（rè）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（jiàng），直（zhí）到設定（dìng）的低溫試驗溫度。升溫循環流（liú）程的溫度、真空度試驗曲線工作原理是：當試驗箱從低溫（wēn）試驗轉到高溫試（shì）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後（熱沉溫度（dù）同時升高），熱風發生器停止工（gōng）作、關閉磁力驅動泵和酒精供給閥門，停止熱沉的酒精（jīng）循環。同時啟動熱油驅動泵、熱油供給閥（fá）門，將經（jīng）過預熱的（de）導熱（rè）油輸送到熱沉開始熱油循環，熱沉溫度不斷升高，直到設（shè）定（dìng）的高溫試驗（yàn）溫度。如此往（wǎng）複，實現高溫和低溫的溫（wēn）度循環試驗（見）。　　3.4控製係統設計本控製係統分為就地控製和遠程控製兩種方（fāng）式。采用溫度模塊和（hé）模擬量模塊檢測設備的真空度和溫度信號，然後通（tōng）過PLC的控製，進行相應的泵（bèng）閥啟停、製冷機的啟（qǐ）停和加熱（rè）器的開關控製等。　　就地（dì）控製可以在控製櫃麵板上進行手動操作，按動相應（yīng）控製按鈕，控製各類真空閥門、機械泵（bèng）、分子泵、低（dī）溫泵的啟閉（bì），製冷（lěng）和加熱的啟停（tíng）。　　遠程控製方式與就地控製基本相符（fú），主要（yào）是對試驗設備進行遠程自動控製。控製係統的核心部件（jiàn）采用SIEMENS公司S係列可編程控製器。上位機采用SIEMENS公司WINCC組態軟件，實現中文對話界麵。整個控製係統自動化（huà）程度高如果企業（yè）的銷售（shòu）不（bú）順暢，可靠性高。在上位機顯示界麵上可直接啟停各級真（zhēn）空泵、真（zhēn）空閥門、製冷和（hé）加熱係統等；米集顯示酒精（jīng）槽內酒精溫度、導（dǎo）熱油（yóu）槽內導熱油（yóu）溫度、試驗箱內熱沉不同部位溫度、試（shì）件（jiàn）平台溫度以及試件溫度等，及時地反映出試驗設備各個部（bù）件的運行（háng）情況，實現（xiàn）設備（bèi）運行狀態、故障和報警信（xìn）息的顯示，試（shì）驗數據的記錄、存儲、以及打（dǎ）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（zǎi）測試，依據標準GB1027A- 2005運載（zǎi）器、上麵級、航天器試（shì）驗要求及GB2438A混合集成電路通用規範。　　試（shì）驗要求：試驗壓力不（bú）高於1.3xPa，試驗溫度及保持時間：低溫2h，高溫6h循環（huán）次數3次。　　空度達到了7.0xPa，高溫125C時（shí）真空度好能達到2.1x104Pa，溫度控製精度優於1C.如所示。　　5結論本試（shì）驗設備在高低溫循環中設計了內外循環方式（shì），高溫熱媒和（hé）低溫冷媒（méi）都可以根據試驗的需（xū）要進行預熱和預冷（lěng），使降溫（wēn）和升溫速率加快。低溫循環中製冷劑不進入試驗箱，製冷劑的回路行程（chéng）短，蒸汽壓力損（sǔn）失小，有利於壓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（dé）較為方便。同樣，高溫加熱裝置的維護也很便捷。　　在高低（dī）溫工作流程設計方麵，創新地引入了冷卻水、酒精、導熱（rè）油（yóu）、熱（rè）風（fēng）等元（yuán）素，為熱真空試驗設備的（de）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（dī）、維護方便，缺點是（shì）係統複雜。另外，酒精乃易燃物（wù）質，需充分做好安全防範（fàn）措施（shī）。　　本熱真空試驗設備（bèi）通過實際工（gōng）作證明其設計合理、性能優良（liáng）、滿足用（yòng）戶使用要求（qiú）。　　楊世（shì）銘，陶文銓。傳熱學。北京：高等教（jiāo）育（yù）出（chū）6、實驗終了後,請關閉電源版社，1998.達道安。真空設計手冊（cè）。北京（jīng）：國防工業出版社，1991.吳業正，韓寶琦。製冷原理及設備。西（xī）安：西安交通大學出版馬慶芳。實用熱物理性質（zhì）手冊（cè）。北京：中國農（nóng）業出版社，1986.黃本誠，馬有（yǒu）禮（lǐ）。航天器空間環境試驗技術。北京：國防工業（yè）驗設備的研發工作。