航天器真空熱試驗(yàn)超高溫度熱流模擬系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于真空容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)超高溫度熱流模擬系統(tǒng)，主要包括半圓柱形的石墨加熱陣、高反射率高溫隔熱組件單元、石墨加熱陣安裝支架、超高溫度測(cè)量單元、調(diào)功器功率控制單元，多支石墨加熱棒按熱流密度和均勻性要求排列組合成半圓柱形的石墨加熱陣，石墨加熱棒由石墨發(fā)熱體和石墨電極組成，采用交流供電，接線(xiàn)電極引線(xiàn)穿過(guò)設(shè)置真空低溫環(huán)境模擬容器的容器壁上的大電流穿艙供電法蘭，并分別與溫度測(cè)量單元和調(diào)功器功率控制單元電連接。本發(fā)明通過(guò)石墨加熱陣、高反射率高溫隔熱組件單元、超高溫度測(cè)量單元的獨(dú)特設(shè)計(jì)，解決了空間環(huán)境模擬容器內(nèi)1800℃以上溫度的測(cè)量和控制、本發(fā)明也適用于各型航天器真空熱試驗(yàn)中高溫、高熱流環(huán)境模擬需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】航天器真空熱試驗(yàn)超高溫度熱流模擬系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器地面真空熱試驗(yàn)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于航天器及其部組件在空間環(huán)境模擬容器內(nèi)進(jìn)行的真空熱試驗(yàn)中超高溫、極高熱流條件加熱模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器真空熱試驗(yàn)是航天器研制工作中的重要程序，一般分為航天器熱平衡試驗(yàn)和航天器熱真空試驗(yàn)兩部分。通過(guò)航天器熱平衡試驗(yàn)可以獲取航天器溫度分布數(shù)據(jù)和驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的正確性以及修改熱分析數(shù)學(xué)模型，檢驗(yàn)航天器軌道飛行中的溫度分布，并考核航天器熱控分系統(tǒng)維持航天器組件、分系統(tǒng)和整個(gè)航天器在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)的能力。航天器熱真空試驗(yàn)是在規(guī)定的真空與熱循環(huán)條件下驗(yàn)證航天器各種性能與功能的試驗(yàn)，可以在真空與熱循環(huán)條件下暴露航天器的材料和制造工藝缺陷、排除早期失效，從而大大提高了航天器在軌運(yùn)行的可靠性。
[0003]隨著我國(guó)航天器型號(hào)任務(wù)增加，特別是在深空探測(cè)和天地往返飛行器的型號(hào)任務(wù)研制過(guò)程中，航天器及其組件會(huì)遇到高溫?zé)岘h(huán)境，最大熱流密度可達(dá)420個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，最高溫度達(dá)1800°C以上。為了能夠完成此類(lèi)試驗(yàn)任務(wù)，需要開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，在真空低溫環(huán)境下進(jìn)行聞熱流I旲擬和聞溫度控制，對(duì)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空熱試驗(yàn)考核。
[0004]天地往返飛行器再入大氣時(shí)由于氣動(dòng)加熱，表面溫度極高。高溫風(fēng)洞試驗(yàn)只能考核表面熱防護(hù)材料的性能，不能模擬再入期間艙內(nèi)載荷所處的熱環(huán)境。必須研究利用紅外加熱方法模擬艙體表面高溫邊界的方法，實(shí)現(xiàn)在真空或低氣壓環(huán)境下將防熱瓦表面加熱到1800°C。針對(duì)我國(guó)天地往返飛行器環(huán)境試驗(yàn)需求，開(kāi)展真空低溫環(huán)境下極高熱流模擬技術(shù)研究，掌握極高熱流模擬方法，掌握極高熱流模擬、實(shí)現(xiàn)1600°C以上溫度控制的試驗(yàn)?zāi)芰Ψ浅１匾?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種用于航天器及其部組件的在地面進(jìn)行的超高溫、極高熱流真空熱試驗(yàn)用的熱流模擬系統(tǒng)。在真空、低溫環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)極高熱流施加、1800°C超高溫度的實(shí)現(xiàn)和控制。
[0006]本發(fā)明目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]用于真空容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)的超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)，主要包括半圓柱形的石墨加熱陣、高反射率高溫隔熱組件單元、石墨加熱陣安裝支架、超高溫度測(cè)量單元、調(diào)功器功率控制單元，多支石墨加熱棒按熱流密度和均勻性要求排列組合成半圓柱形的石墨加熱陣，石墨加熱棒由石墨發(fā)熱體和石墨電極組成，采用交流供電，半圓柱形的石墨加熱陣安裝在上部呈半圓柱體配合結(jié)構(gòu)的石墨加熱陣支架上，加熱陣安裝支架的周?chē)O(shè)置高反射率高溫隔熱組件單元，以封閉石墨加熱陣加熱區(qū)域并實(shí)現(xiàn)和外部環(huán)境絕熱；高反射率高溫隔熱組件單元由若干層石墨氈隔熱層和最內(nèi)層的高反射率鏡面鎢板組成，石墨加熱陣的接線(xiàn)電極設(shè)置在高反射率高溫隔熱組件單元外，加熱陣安裝支架架設(shè)在真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)；測(cè)溫引線(xiàn)和電極引線(xiàn)穿過(guò)設(shè)置于真空低溫環(huán)境模擬容器的容器壁上的測(cè)溫法蘭和大電流穿艙供電法蘭，分別與溫度測(cè)量單元和調(diào)功器功率控制單元電連接，溫度測(cè)量單元用于測(cè)量試件的測(cè)點(diǎn)溫度，并將測(cè)量結(jié)果反饋給調(diào)功器功率控制單元，調(diào)功器功率控制單元根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整石墨加熱陣的供電電流來(lái)模擬所需要的加熱熱流，控制溫度變化速率和試件目標(biāo)溫度。
[0008]其中，容器壁、供電穿艙法蘭、接線(xiàn)電極均相互絕緣。
[0009]其中，溫度測(cè)量通過(guò)高溫鎢-錸熱電偶實(shí)現(xiàn)，高溫?zé)犭娕纪ㄟ^(guò)固定于被測(cè)試件上，溫度測(cè)量單元將熱電偶測(cè)試結(jié)果反饋給調(diào)功器功率控制單元，調(diào)功器控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)供電電流實(shí)現(xiàn)石墨加熱陣功率控制。
[0010]其中，石墨加熱陣均采用石墨材質(zhì),單根石墨加熱棒安裝在兩塊石墨安裝板之間，兩端采用帶螺紋石墨電極擰緊固定，石墨電極和石墨安裝板之間采用陶瓷柱絕緣。
[0011]其中，加熱器加熱電纜通過(guò)穿艙供電法蘭連接，穿艙供電法蘭上的供電接線(xiàn)柱與法蘭絕緣，接線(xiàn)柱之間絕緣，穿艙供電法蘭與真空低溫環(huán)境模擬容器的容器壁絕緣。
[0012]其中，鎢-錸熱電偶可采取特種膠粘貼安裝、石墨螺釘固定安裝和噴涂固定安裝三種方式。
[0013]其中，鎢-錸熱電偶采用真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)置控溫參考點(diǎn)方式，控制方式采用控溫儀和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制結(jié)合方式。
[0014]本發(fā)明通過(guò)石墨加熱陣和高反射率高溫隔熱組件結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了航天器進(jìn)行真空熱試驗(yàn)時(shí)超高溫極高熱流模擬的技術(shù)難題，在模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決了超高溫度測(cè)量和控制、鎢-錸熱電偶高溫環(huán)境下安裝、大電流穿艙供電的難題。針對(duì)我國(guó)深空探測(cè)和天地往返航天器真空熱試驗(yàn)需求，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)極高熱流的和1800°C超高溫度的模擬，保證試驗(yàn)順利開(kāi)展。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明用于真空容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)的超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]其中，I為石墨加熱陣；2為聞反射率聞溫隔熱組件單兀；3為石墨安裝支架；4為超高溫測(cè)量單元；5為調(diào)功器功率控制單元；6為真空低溫環(huán)境模擬容器；7為大電流穿艙供電法蘭，8為測(cè)溫穿艙法蘭。
[0017]圖2為本發(fā)明的用于真空容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)的超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)的電連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實(shí)施方式】，通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列【具體實(shí)施方式】只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。
[0019]本發(fā)明是用于真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)的超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，[0020]本發(fā)明的超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)，主要包括半圓柱形的石墨加熱陣1、高反射率高溫隔熱組件單元2、石墨加熱陣安裝支架3、超高溫度測(cè)量單元4、調(diào)功器功率控制單元
5,多支石墨加熱棒按熱流密度和均勻性要求排列組合成半圓柱形的石墨加熱陣1，石墨加熱棒由石墨發(fā)熱體和石墨電極組成，采用交流供電，半圓柱形的石墨加熱陣I設(shè)置在上部呈半圓柱體結(jié)構(gòu)的石墨加熱陣安裝支架3上，加熱陣安裝支架3的周?chē)O(shè)置高反射率高溫隔熱組件單元2，以封閉石墨加熱陣I并和外部絕熱，高反射率高溫隔熱組件單元由若干層石墨氈隔熱層和最內(nèi)層的高反射率鏡面鎢板組成，石墨加熱陣的接線(xiàn)電極設(shè)置在高反射率高溫隔熱組件單元2外，加熱陣安裝支架3架設(shè)在真空低溫環(huán)境模擬容器6內(nèi)，溫度測(cè)量接線(xiàn)和電極引線(xiàn)穿過(guò)設(shè)置真空低溫環(huán)境模擬容器6容器壁上的測(cè)溫穿艙法蘭8和大電流穿艙供電法蘭7，并分別與溫度測(cè)量單元4和調(diào)功器功率控制單元5電連接，溫度測(cè)量單元4用于測(cè)量試件的測(cè)點(diǎn)溫度，并將測(cè)量結(jié)果反饋給調(diào)功器功率控制單元5，調(diào)功器功率控制單元5根據(jù)測(cè)量結(jié)果通過(guò)調(diào)整石墨加熱陣的供電電流來(lái)模擬所需要的加熱熱流，控制溫度變化速率和試件目標(biāo)溫度。
[0021]在一實(shí)施方式中，石墨加熱陣的安裝結(jié)構(gòu)框架均采用了石墨材質(zhì)，保證強(qiáng)度的同時(shí)可以耐受高溫，單根石墨加熱棒安裝在兩塊石墨安裝板之間，兩端采用帶螺紋石墨電極擰緊固定，石墨電極和石墨安裝板之間采用陶瓷柱絕緣。
[0022]在一實(shí)施方式中，高反射率高溫隔熱組件單元由若干層石墨氈隔熱層和最內(nèi)層的高反射率鏡面鎢板組成，其中隔熱層也可采用其它材質(zhì)隔熱材料。
[0023]在一實(shí)施方式中，加熱器加熱電纜通過(guò)專(zhuān)用穿艙供電法蘭連接，穿艙供電法蘭上的供電接線(xiàn)柱與法蘭絕緣，接線(xiàn)柱之間絕緣，穿艙供電法蘭與環(huán)境模擬容器壁絕緣。
[0024]在一實(shí)施方式中，溫度測(cè)量單元采用了鎢-錸熱電偶內(nèi)置參考點(diǎn)的方式，其中，鎢-錸熱電偶可以采用特種膠粘貼安裝、石墨螺釘固定安裝或噴涂固定安裝方式。鎢-錸熱電偶絲在真空容器內(nèi)經(jīng)過(guò)熱電偶參考點(diǎn)裝置后將轉(zhuǎn)換為銅導(dǎo)線(xiàn)，用銅導(dǎo)線(xiàn)將熱電偶測(cè)量信號(hào)穿過(guò)容器壁上的測(cè)量穿艙法蘭引出到控溫儀，遠(yuǎn)程測(cè)量計(jì)算機(jī)再?gòu)目販貎x讀取溫度，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
[0025]在一實(shí)施方式中，鎢-錸熱電偶測(cè)溫采用內(nèi)置溫度參考點(diǎn)方式。
[0026]具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)件大小、試驗(yàn)溫度、熱流大小要求進(jìn)行石墨加熱陣設(shè)計(jì)和加工，根據(jù)試驗(yàn)件的物性、試驗(yàn)溫度、熱流大小要求計(jì)算出所需石墨陣加熱熱流密度，按熱流密度要求計(jì)算出石墨加熱陣所需的石墨棒的阻值、數(shù)量及其結(jié)構(gòu)安裝方式。
[0027]根據(jù)超高溫度測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了鎢-錸熱電偶溫度測(cè)量單元。使用時(shí)在試件上采用超高溫條件下熱電偶安裝工藝安裝多支測(cè)溫?zé)犭娕迹u-錸熱電偶測(cè)溫溫度參考點(diǎn)設(shè)置在空間環(huán)境模擬室內(nèi)，鎢-錸熱偶絲在容器內(nèi)經(jīng)過(guò)測(cè)溫參考點(diǎn)裝置后轉(zhuǎn)換為銅線(xiàn)引出，熱電偶測(cè)量信號(hào)通過(guò)焊接到容器壁穿艙法蘭上的銅線(xiàn)傳輸?shù)娇販貎x輸入端。遠(yuǎn)程測(cè)量計(jì)算機(jī)和控溫儀實(shí)時(shí)通訊獲取試件溫度，并在測(cè)量計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果并保存。
[0028]根據(jù)石墨加熱陣中石墨加熱棒的數(shù)量，配置調(diào)功器功率控制單元，若干根石墨加熱棒以串并聯(lián)的方式為一組，通過(guò)調(diào)功器控制輸出電壓進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，實(shí)際輸出電壓為O?IlOV可調(diào)交流電壓。調(diào)功器的實(shí)際控制方式可采用控溫儀控制或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)算法控制，通過(guò)超高溫?cái)?shù)據(jù)采集單元反饋的溫度數(shù)據(jù)，采用選定的控溫儀或控制算法調(diào)節(jié)調(diào)功器輸出電壓來(lái)調(diào)整加熱器輸出熱流密度，以達(dá)到試件所需的目標(biāo)溫度或熱流值。[0029]超高溫極高熱流模擬系統(tǒng)在真空低溫環(huán)境模擬容器中進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)際過(guò)程如下:
[0030]試驗(yàn)件安裝在加熱陣底部固定支架上，安裝鎢-錸超高溫測(cè)量熱電偶，熱偶絲引出加熱陣外部，再安裝石墨加熱陣至安裝支架上，然后分別安裝頂面、側(cè)面和底面高反射率高溫隔熱組件。加熱系統(tǒng)組裝完成后，整體推入真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)固定安裝。石墨加熱陣供電電纜通過(guò)環(huán)境模擬容器壁供電穿艙法蘭上的大功率接線(xiàn)柱引入，容器內(nèi)供電電纜分別弓I至單根石墨加熱棒石墨電極處連接。鎢-錸超高溫測(cè)量熱偶絲引出石墨加熱陣后接入到放置在容器內(nèi)部的溫度參考點(diǎn)，轉(zhuǎn)為銅線(xiàn)后引出溫度參考點(diǎn)，再通過(guò)銅線(xiàn)將測(cè)量信號(hào)通過(guò)容器壁上的測(cè)量法蘭引出到數(shù)據(jù)采集單元。試驗(yàn)過(guò)程中，空間環(huán)境模擬器內(nèi)維持真空、低溫環(huán)境，石墨加熱陣作為加熱源對(duì)試驗(yàn)件加熱至1800°C或相應(yīng)溫度值，用高反射率高溫隔熱組件單元進(jìn)行隔熱。溫度控制單元采用控溫儀或者計(jì)算機(jī)控制程序，根據(jù)溫度測(cè)量單元測(cè)得的溫度值與目標(biāo)溫度值的差值調(diào)節(jié)調(diào)功器輸出電壓來(lái)調(diào)整石墨加熱陣加熱功率。
[0031]盡管上文對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于真空容器內(nèi)的航天器真空熱試驗(yàn)超高溫度極高熱流模擬系統(tǒng)，主要包括半圓柱形的石墨加熱陣、高反射率高溫隔熱組件單元、石墨加熱陣安裝支架、超高溫度測(cè)量單元、調(diào)功器功率控制單元，多支石墨加熱棒按熱流密度和均勻性要求排列組合成半圓柱形的石墨加熱陣，石墨加熱棒由石墨發(fā)熱體和石墨電極組成，采用交流供電，半圓柱形的石墨加熱陣設(shè)置在上部呈半圓柱體配合結(jié)構(gòu)的石墨加熱陣安裝支架上，加熱陣安裝支架的周?chē)O(shè)置高反射率高溫隔熱組件單元，以封閉石墨加熱陣并和外部絕熱，高反射率高溫隔熱組件單元由若干層石墨氈隔熱層和最內(nèi)層的高反射率鏡面鎢板組成，石墨加熱陣的接線(xiàn)電極設(shè)置在高反射率高溫隔熱組件單元外，加熱陣安裝支架架設(shè)在真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)，接線(xiàn)電極引線(xiàn)穿過(guò)設(shè)置真空低溫環(huán)境模擬容器的容器壁上的大電流穿艙供電法蘭，并分別與溫度測(cè)量單元和調(diào)功器功率控制單元電連接，溫度測(cè)量單元用于測(cè)量試件的測(cè)點(diǎn)溫度，并將測(cè)量結(jié)果反饋給調(diào)功器功率控制單元，調(diào)功器功率控制單元根據(jù)測(cè)量結(jié)果通過(guò)調(diào)整石墨加熱陣的供電電流來(lái)模擬所需要的加熱熱流，控制溫度變化速率和試件目標(biāo)溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其中，容器壁、供電穿艙法蘭、接線(xiàn)電極均相互絕緣。
3.如權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其中，溫度測(cè)量通過(guò)高溫鎢-錸熱電偶實(shí)現(xiàn)，高溫?zé)犭娕纪ㄟ^(guò)固定于被測(cè)試件上，溫度測(cè)量單元將熱電偶測(cè)試結(jié)果反饋給調(diào)功器功率控制單元，調(diào)功器控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)供電電流實(shí)現(xiàn)石墨加熱陣功率控制。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的模擬系統(tǒng)，其中，石墨加熱陣均采用石墨材質(zhì)，單根石墨加熱棒安裝在兩塊石墨安裝板之間，兩端采用帶螺紋石墨電極抒緊固定，石墨電極和石墨安裝板之間采用陶瓷柱絕緣。
5.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的模擬系統(tǒng)，其中，加熱器加熱電纜通過(guò)穿艙供電法蘭連接，穿艙供電法蘭上的供電接線(xiàn)柱與法蘭絕緣，接線(xiàn)柱之間絕緣，穿艙供電法蘭與真空低溫環(huán)境模擬容器的容器壁絕 緣。
6.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的模擬系統(tǒng)，其中，鎢-錸熱電偶采取耐高溫膠粘貼安裝、石墨螺釘固定安裝和噴涂固定安裝三種方式。
7.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的模擬系統(tǒng)，其中，鎢-錸熱電偶采用真空低溫環(huán)境模擬容器內(nèi)置控溫參考點(diǎn)方式，控制方式采用控溫儀和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制結(jié)合方式。
【文檔編號(hào)】B64G7/00GK104015942SQ201410268198
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】柳曉寧, 王奕榮, 劉波, 許忠旭, 劉暢, 于晨, 田園 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所