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高海拔气候试验舱

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  一、设备的用途及特点:

  1.用于开展各类空间装备的热平衡试验和热真空试验。

  2.基本要求

  3.高海拔气候试验设备生产厂商有较高的设计、制造能力,国内知名品牌;

  4.满足标准:

  QJ 20127 航天器空间热环境试验设备技术要求;

  GJB 1033 航天器热平衡试验方法;

  GJB 1027 运载器、上面级和航天器试验要求;

  GJB 2209 地球同步轨道卫星转发器规范;

  GJB 2042 卫星电源系统规范;

  QJ 1446 卫星热真空试验方法。

  5.应提供优良的售后服务和质量保证,自验收合格之日起,整机质保3年。

  该设备主要用在高真空状态下的高低温试验、低气压放电试验,也可作为其他小部件在轨的模拟试验设备。

  6.此技术方案是根据**中心热真空试验设备(机械制冷)技术要求而编写的。此技术方案是设计制造该设备的依据之一。此套设备包括五个方面:热真空模拟容器、真空保障系统、高低温保障系统、热真空状态控制与显示系统、辅助配套系统。根据此技术方案研制出的设备能够真实地模拟真空空间的冷热环境,并能对空间的真空度及温度进行有效的控制、监测和记录。设备有以下的一些特点。

  7.整套设备真空系统采用低温泵为主泵,螺杆干泵做前级和预抽泵,可以获得无油试验要求的工作真空度;温度控制方面采用机械制冷获得低温背景,通过先 进的智能PID温控仪来控制加热笼的加热电流,从而准确控制温度;低温的获得采用了独特的机械制冷技术,省去了使用液氮制冷时带来的耗费。控制系统方面采用工控机和PLC联合控制,工控机显示界面清晰易懂,PLC控制准确可靠,故障诊断简单。另外还可以根据用户的工艺要求,制作不同的温度曲线配方,存储在工控机中,在试验中供用户选择调用,用户进行试验操作时易于掌握。总之,该设备真空度高、温度易于控制且均匀性好、长期运转稳定可靠、并可连续工作30天以上、操作使用简单方便。该设备具有一定的专用性和通用性,是空间环境模拟试验必不可少的设备。

  二、设备设计组成部分

  1.真空模拟容器(真空室及内部支架)

  2.真空保障系统(真空泵、阀门、管路及真空测量)

  3.温度保障系统:

  低温制冷系统:(区域温度控制制冷机组+液氮制冷、热沉、低温阀门及连接管)

  加热控温系统:(加热笼、加热电源)、加热笼、真空密封加热电极、变压器、调压模块、温度控制箱

  4.控制监测系统(机柜、工控机、PLC、)。

  5.辅助配套系统(气泵、冷却循环水机、污染监测)

  三、设备系统主要技术指标(摘录)

  真空度参数

  1.主热沉内尺寸:φ2m*4m(长)

  2.设备使用环境:温度0℃~40℃,湿度≤60%;

  3.设备总功耗预计120kw/380V

  设备照明系统;照明强度不小于200LX,防护等级为IP67

  4.控温平台:导热油流程;

  5.热沉内表面温度范围:≥-150~+160℃

  6.工作真空度: ≤1.3×10-3 Pa;(常温、带载);

  7.空载极限真空度:≤2×10-5 Pa;(低温,空载);

  8.高温空载真空度:≤ 5×10-4Pa(100℃,3~4h)

  9.真空度时间<4h

  10.热真空罐罐体氦质谱检漏总漏率≤1e-9Pa*m³/s;

  11.热沉为室温时,在高真空泵开始抽气后4小时内,真空罐内压力能达到1.33×10-4Pa

  12.1000Pa~1.0Pa区间可定值保持压力,从常压抽至1Pa不大于20min

  试验件温度

  13. 热沉可控温度范围:-150℃~160℃; 液氮制冷+红外热笼,也可用机械制冷

  建议用机械制冷,能节省很多的使用成本。

  14.温度显示精度:0.1℃;

  15.温度波动度:≤±1℃;

  16.温度均匀度:高温恒温2h,温度均匀度±3℃

  低温恒温2h,温度均匀度±5℃;

  热沉指标(底板指标)

  1.气氮流程(外热流):

  热沉升降温速率≥1℃/min

  热沉内表面温度范围:-150~+160℃

  热沉温度均匀度:±2℃

  温控底板控温精度:±0.5℃

  2.液氮流程:

  热沉温变速率:≥1℃/min(-150℃~+160℃)。

  温控底板

  1. 导热油控温流程:

  有效控温区:1.0×1.2m2 x 2

  温控底板温度范围:-75℃~+130℃;

  温控底板温度均匀度:±2℃;

  温控底板控温精度:±0.5℃

  升降温速率:热沉及底板平均变温速率(-45℃~+85℃范围内升降温)≥3℃/min;

  设备升降温运行到达端温后温度过冲小于2℃,且温度稳定时间<30min;

  底板方便拆卸,承重不小于200kg。

  2.液氮流程:

  热沉温变速率:≥3℃/min((-75℃~+130℃)。

  配置罐内轨道,载重≥1000kg(按照卫星净重500kg计算),罐内挂轨一套承重≥700kg;

  四、结构部分

  1.试验舱容器设计为真空容器且结构为卧式圆通形筒体,下面由支撑架支撑,支撑架直接落地

  2.真空舱采用卧式不锈钢真空容器(材料为 SUS304 不锈钢,厚度16mm),内侧为

  镜面抛光,外侧白色喷塑;真空舱内置低压照明,亮度不小于 200 流明。真空舱内置载物平

  台。

  配置罐内轨道,热沉内设置两条平行导轨,导轨顶端高度在热沉中心线以下60cm左右(研制后期进行安全安装,导轨设计由需方确认),导轨承重≥3吨。

  配置升降载物车,完成试验件(3吨左右)与导轨之间的安装对接,

  另设导轨,安装分区控温平台。控温平台可拆除,或不影响3吨试验件进出。

  预留至少100路测温端子给需方备用,测温端子选型和线长由需方确认

  预留至少100路测温端子给需方备用,测温端子选型和线长由需方确认

  观察窗尺寸:Φ300mm,(或以客户要求为准)真空容器前部封头中心位置安装1个,罐体一侧垂直于罐体轴线方向安装一个,便于在试验过程中观察容器内情况

  表面喷涂专用航天黑漆,太阳吸收系数≥0.90、半球发射率≥0.90的黑漆,且在100K到150℃温度范围内不脱落。

  冷板上应预留通孔;载物平台具备抽出功能,可以在54 舱外进行试验件的装配。真空容器为卧式圆柱体;

  真空容器及内部结构材料均采用优质0Gr18Ni9不锈钢制造,外部结构件采用碳素钢,容器外面采用喷漆处理;

  真空容器内壁抛光(0.8μm),壁上开设必要的法兰孔8个(每侧各4个),包氮系统进出接口、真空抽气接口、真空规接口、温度测控接口、充气接口等法兰。

  五、设备配置参数要求(摘录)

  1.设备总配置:需配齐所有必备的外设(循环水机、气源、多种法兰等)

  2.抽气系统:

  A 主抽分子泵:采用8000L/S抽速的分子泵,在真空度达到10pa时启动分子泵。

  B 前级泵:TRP-36机械泵,机械泵2000L/S的抽速,可抽到2000pa。

  C 后级泵:罗茨泵泵180L/S抽速,可抽到10pa,需用1台。

  根据多年的真空泵使用经验,建议采用国产真空泵,因为国产真空泵技术已经非常成熟,而且质保时间长,进口的只要用了就没有质保,我觉没有必要花冤枉钱,真诚建议!

  最终尊重客户意见。

  3.真空测量系统:选国内质量好的皮拉尼、电离计、数显真空计

  4.加热及制冷系统:采用最新技术的进口制冷水冷压缩机组,用PID温控调节,采用稳定、可靠的控温方式,即机械制冷+热笼控温。其他制冷系统部件均采用良好的部件。

  5.热沉结构:液氮管采用分组方式结构(用整根紫铜管),下进上出,在罐体圆周上分区,大门和底部热沉分别分上下区,因此整个热沉分区进行控温和调温,也可根据情况非对称加温和控温。液氮管在真空室内无焊接接头。在液氮管外侧加一层屏蔽,液氮进口管路上设有检漏口,方便检漏;

  6.热沉上用聚四氟乙烯隔热垫固定在不锈钢上并加装调心轴承作滚轮,热沉装卸时,只要将热沉连接高低温接头卸开便可,对准容器里的轨道,移入或移出容器,方法简单,便于安装检修。大门热沉做成平面形直管焊接在圆板上,与液氮外流程用金属软管(外套不锈钢丝编织)连接;

  6.真空室: 采用不锈钢1Cr18Ni9Ti,或其他性能更好的不锈钢,应20mm为宜。

  7.观察窗:大门300mm

  8.承内压:≥2MPa;

  9.总漏率:≤5×10-9Pa*m3/s

  10.内部照明:不小于200LX

  11.真空法兰:在容器两侧开多个240mm的法兰。(以客户具体要求为准)

  12.测量位置:皮拉尼、电离规安装在容器前部。

  13.容器内支架板:支架板的尺寸应尽可能大,支架板的受力点应在罐体上。

  14.总控制系统:此套设备为全自动控制系统。

  15.设备特点:此设备为卧式高真空系统。

  16.在分子泵抽气口位置安装机械冷阱(分子泵只在特殊条件下使用)。

  17.运转车的作用是将产品转运至罐内。运转车在罐外停放,载物运转车放置在运转车上,然后运转车与罐内轨道实现自动对接,载物滑车即可从运转车上推至真空罐工装车导轨上。

  运转车材料用不锈钢材,做成高低、方向可调,承重不小于3吨。运转车为桁架结构,用60mm×120mm的矩形不锈钢方管作框架材料焊接而成,下面有四个限位聚四氟乙烯滚轮,配合支承可实现不同位置的定位和调平。

  18. 载物小车的作用是试件在真空罐外完成准备工作后运送到罐内。载物滑车在罐外是停放在与罐内轨道一样高的可升降的运转车上,试验时移入罐内固定支架,载物小车用不锈钢材做成高低、前后可调,车上的支架按试件要求设计。小车采用桁架结构,下面有四个限位聚四氟乙烯滚轮,实现不同位置的定位和调平,小车支架表面均用双面镀铝聚酯膜包覆以减少漏热。

  19. 真空容器内上吊挂点设计:真空容器热沉内顶部由10个吊点,单点承重不小于3吨,用于试验件的吊挂和移动,或试验时测量装置、测量线的捆绑固定。10根M24的吊杆与热沉骨架顶部连接。

  20. 人行踏板设计:热沉内的两侧设有人行踏板,导轨两侧设有人行踏板,设计时考虑热沉效果,要求便于快速折叠和拆分,宽度≥400mm,承重能力不低于500Kg/m2。

  21.电源总功率不得低于50KW,选择进口或同质量国产的直流电源(带网口),电源需根据试验环境可自主控制。

  六、真空部分

  1.为确保空载极限真空度:≤2×10-5 Pa;(低温,空载),高温空载真空度:≤ 5×10-4Pa(100℃,3~4h)的要求,以做到防止试件受污染。采用德国莱宝干式真空泵和罗茨干泵(德国莱宝、汉钟)作粗抽系统、磁悬浮分子泵(德国莱宝、住友)作预抽气机组和低温泵(莱宝)主抽气机组三个抽气分系统组成。特点是抽气快、真空度高、无污染、无振动。低真空的抽速与低真空泵的抽速和被抽容器的容积有关;高真空的抽气时间与高真空泵的抽速和真空容器内所有东西的出气量有关。

  2.根据设备温度覆盖-150~+160°C的要求,选用液氮制冷、红外加热笼提供加热功率形式来实现设备的温度控制。温度保障系统由热沉、红外加热笼、液氮制冷系统、加热控温系统及连接管路、低温阀门组成。

  低温流程图

  3.具备真空度稳定控制措施,真空度在全压力范围内应具备在任意点可停留可保持;

  在使用过程中真空度不能过高或过低,方案中详细描述真空度稳定控制方案。

  4.真空模拟容器:

  它主要用来容纳试验件,并且能造就一个符合试验条件的真空环境和温度环境,内部设有放置工件的平台,可以安装工件。,真空容器上开有抽气口,以便连接抽真空的设备。它还有一些电器方面的接口,以便连接必要的线缆,使真空室内的试验件和真空室外部的仪器能够很好的连接。真空容器上方还装有测量真空度的规管,内部有测量温度的PT100传感器,以便测量本设备的主要技术参数(真空度和温度)。另外还有观察窗和照明灯,以便观察内部试验件情况

  5.真空保障系统:

  它是把真空容器抽成真空环境的设备,它又分成预抽系统和主抽系统两个部分,预抽系统将真空室抽成低真空,而后,主抽系统将真空室抽成高真空。它由真空泵、真空阀门和真空管道等组成。

  6.温度保障系统:

  它主要用来保证试验所需的温度环境,包括正温环境和负温环境。正温和负温都通过设置一个冷背景,通过加热笼加热控温来实现,用户只需设定目标温度即可实现控温,并能按温度循环试验要求实现循环控温。

  7.热真空状态控制监测系统:

  它用来控制真空系统和温度保障系统的元件的动作,显示当前的控制状态,并负责将真空度、温度等参数保存记录下来,绘制特定曲线,便于直观了解参数的变化情况。主要由控制柜和工控机两个部分组成。

  控制系统采用****微型可编程控制器,真空系统、温度控制系统分别用了一个PLC,使各控制系统有一定的独立性,一旦有问题出现时,可以单独进行故障诊断和维修。

  本系统还可对断气,断水等主要故障进行相应的报警。

  8.辅助配套系统:

  主要有冷却水系统和气路系统,冷却水系统为真空系统的真空泵和温度保障系统的制冷机组提供冷却,气路系统为真空阀门提供气源动力。

  污染监测主要监测真空室内残余气体的成分和物体表面的分子沉积量情况。

  9.工作方式

  本系统采用自增压开式沸腾工作方式,主要由液氮储槽、低温阀门、及管路组成。液氮的供给是靠液氮储罐自身压力(0.2MPa),进入热沉,依靠液氮在热沉中沸腾蒸发进行热交换,使热沉处于100K以下低温状态,热交换后产生的气体经热沉后被直接排放至大气。通过电动液氮流量调节阀进入热沉,整个过程采用自动控制包括阀门打开等;采用手动控制系统作为备用系统,在停电等应急情况下使用,液氮的供给是通过手动阀开关靠液氮储罐自身压力(一般≤0.1MPa)进入热沉。为了避免各支路液氮分配不合理,在热沉的支路上还设置了电动低温截止阀(双通道冗余设计),各个区的液氮截止阀可以通过热沉温度来控制液氮的通断,能自动、稳定的保持热沉温度低于100K,而不浪费液氮。出液口采用气液分离器,使系统中的液氮减少气流冲走而造成液氮浪费。

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