（流体机械及工程专业论文）空间模拟装置的真空获得及热沉研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm e c h a n i c a la n de n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho nv a c u u m a c q u i r e m e n t a n d h e a ts i n ko f s p a c e e n v i r o n m e n ts i m u l a t o r b y l iz h i s h e n g s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gx i a o d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 i 卜 七一 1 j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 查名旺 日期 触艿 2 2 o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学 位论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人同意东北大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 交流 如作者和导师不同意网上交流 o 学位论文作者签名 签字日期 请在下方签名 否则视为同意 导师签名 签字日期 一 j k 东北大学硕士学位论文 摘要 空间模拟装置的真空获得及热沉研究 摘要 空间模拟装置主要用来模拟太空的真空 冷黑 太阳辐射三大自然环境 再现或 东北犬学硕士学位论文 a b s t f a c t t h er e s e a r c ho nv a c u u m a c q u i r e m e n ta n d h e a t s i n ko f s p a c ee n v i r o n m e n ts i m u l a t o r a bs t r a c t s p a c ee n v i r o n m e n ts i m u l a t o ri su s e dt os i m u l a t ev a c u u m d a r ka n dc o l d s o l a rr a d i a t i o n o fs p a c e r e a p p e a ro re q u a ls p a c ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r so fs t a ro rd e v i c e t h a tc a l lb eu s e d i ns a t e l l i t eo rh o tv a c u u ma n dh e a tb a l a n c ee x p e r i m e n t a tp r e s e n t i ti sn e c e s s a r yt ot e s tt h e f u n c t i o no ft h es p a c e c r a f ti ns p a c ee n v i r o n m e n tb e f o r el a u n c h e d a n di no r d e rt oi m p r o v e r e l i a b i l i t yo ft h es p a c e c r a f ta n dg u a r a n t e et h ew o r k i n gl i f eo fi t t h ed e s i g no fh e a tc o n t r o l s y s t e ms h o u l db ec h e c k e da c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s t h e r e f o r e s p a c es i m u l a t i o ns i m u l a t o r i sv e r yi m p o r t a n tf o rs p a c et e c h n o l o g y i no r d e rt oa d a p tt h ed e v e l p m e n to fs p a c et e c h n o l o g y f r o mt h e19 5 0 s s p a c es i m u l a t o ri s s t u d i e di n u s a r u s s i aa n dm a n yc o m p a n y i n 19 9 8 k m 6m a i ns i m u l a t i o n c h a m b e r d i a m e t e ri s1 2 m h i g h ti s2 2 4 m i sd e v e l o p e di no u rc o u n t r y w h i c hi so n eo ft h e w o r l d st h r e em a n n e ds p a c e c r a f ts p a c ee n v i o n m e n te x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dr e a c h e st h e i n t e m a t i o n a la d v a n c e dl e v e lo fs i m i l a rd e v i c e b u ti nc h i n a o v e r a l ls p a c es i m u l a t o rc a p a c i t y r e m a i n si n a d e q u a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev a c u u mo ft h ee n v i r o n m e n t a ls i m u l a t i o nd e v i c e s n e e dt ob ei m p r o v e d h e a t i n gr e f r i g e r a t i o nm e t h o d sa r eo u t m o d e d a l c o h o li sc h o o s e da s r e f r i g e r a n to t h e rn e g a t i v e a n dm a n yo t h e ra d v e r s ef a c t o r s t h e r e f o r e w en e e dan e w v a c u u ma c q u i r e m e n tm e t h o d sa n dw a y st oi m p r o v et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h es t u d yu s e sd r ys c r o l lp u m p sa sc o a r s ep u m p s p u m p i n gs p e e di s8l s a n du s e r o o t sp u m pd r yo i l f r e e p r i m ev a c u u mu n i t 嬲b o o s t e rp u m p s p u m p i n gs p e e d i s3 0 l s c r y o p u m pi su s e d 勰m a i np u m p t h ep u m p i n gs p e e di s5 0 0 0l s t og u a r a n t e et h e q u a l i t yo ft h es p a c ee n v i r o n m e n tc l e a no f t h ev a c u u ms y s t e ma c c e s s v a c u u ms e t u pt i m ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n tt h a tt h e r ei sm o r et h a t10m i n u t e st ol a u c hv a c u u md i s c h a r g eb e f o r e t h ep r e s s u r ei sr e d u c e dt o1 3 p a a n dw i t hp a r a l l e lw o r ko fl o wt e m p e r a t u r ep r e c o o l i n g p u m pa n dp r i m ev a c u u mu n i t l i m i tv a c u u m 5 10 p a s e t u pt i m ei sr e d u c e dt ol e s st h a n 3 5h o u r s a tt h es a m et i m et h er a d i a t i o nb a r r i e rs e t t l e db e t w e e nc r y o p u m pa n dh e a ts i n k g u a r a n t e e st h ea p p l i c a t i o no fc r y o p u m pu n d e r t h e r m a lr a d i a t i o nc o n d i t i o n t h i ss t u d ye f f e c t i v e l ym e e tt h er e q u i r e m e n tt h a tt h ev a c u u mc h a m b e rs i z eo fs p a c e e n v i r o n m e n ts i m u l a t o ri s0 9 0 0n u n l0 0 0 m m a n dc o n s i d e r i n gt h em a i nm o d eo f t r a n s m i s s i o ni st h e r m a lr a d i a t i o nw h e nt h ev a c u u md e g r e ei sh i g h e rt h a n 10 2 p a t h e r a d i a t i o nb a r r i e rm a t e r i a l sa r ec h o o s e dt oi s o l a t eh e a ts i n kf r o ms t a i n l e s ss t e e lt r a c ki nt h e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t v a c u u mc h a m b e r a n dc o n v e c t i o na n dh e a tc o n d u c t i o no v e r l o o k e d h e a ts i n kc h o o s e f i s h s k e l e t o n s t n j c t u r e a n db a t hl i q u i dc o n v e r g e ss y n c h r o n o u s l yf r o mb o t t o mt ot o pt h r o u g h 1413 m ms e m i c i r c u l a ra r ct oe n s u r et h e r m a ls t a b i l i t ya n du n i f o n n i t vo ft h et e m p e r a t u r e f i e l d t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mu s e si n t e g r a lh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o nm a g n u m 9 1 m m p e r a t u r ec o n t r o le q u i p m e n t a n di t sh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o np o w e ri sa d j u s t a b l et om e e t t h er a t eo fc o o l i n ga n dh e a t i n g n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t i n gr a t eo fh e a t s i n ki sa b o v e1 2 m i nw h e nt h et e m p e r a t u r ei s 6 0 t o 1 0 0 c o o l i n gr a t ei sa b o v e 1 m i nw h e nt h et e m p e r a t u r ei s 3 5 t o 8 0 a n di ti sa b o v e0 5 m i nw h e nt h e l o w e rt e m p e r a t u r ei s 5 0 t o 3 5 a n dt h e h i g h e rt e m p e r a t u r ei s 8 0 t o 1 0 0 s t a b i l i t yo f h e a ts i n ki s0 2 h t h ee f f e c t i v e n e s so f t h eo v e r a l ld e s i g ni ss a t i s f i e d k e yw o r d s s p a c ee n v i r o n m e n ts i m u l a t o r v a c u u ma c q u i r e m e n t h e a ts i n k o i lf r e ev a c u u m s y s t e m t e m p e r a t u r ef i e l d i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明 i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 目录 v 第一章绪论 l 1 1 空间环境模拟装置简介 l 1 2 国内外发展水平及现状 l 1 2 1 国内发展动态 l 1 2 2 国外发展动态 3 1 3 研究的目的 意义和内容 3 1 3 1 研究的目的和意义 3 1 3 2 本论文主要工作 3 第二章空间模拟装置的研制 4 2 1 空间模拟装置的环境参数 4 2 1 1 真空环境 4 2 1 2 冷黑环境 4 2 1 3 空间外热流环境 4 2 2 空间环境模拟装置的组成 4 2 2 1 真空容器 5 2 2 2 真空获得系统 5 2 2 3 热沉及温度控制系统 5 2 2 4 数据采集与控制系统 5 2 3 空间模拟装置的研制指标 5 2 3 1 真空室及真空性能指标 5 2 3 2 热沉及温度性能指标 6 2 3 3 测量及控制精度指标 6 第三章真空室及真空获得系统设计 7 3 1 真空室的设计 7 3 1 1 真空室材料及结构设计 7 3 1 2 真空室接口及密封设计 9 3 2 真空获得系统设计 1 0 3 2 1 真空建立时间计算 1 0 3 2 2 真空获得系统选择 1 1 3 2 3 真空管道及阀门选择 1 2 3 3 真空系统工艺 1 2 3 3 1 制造工艺 1 2 3 3 2 表面处理工艺 1 2 3 3 3 检漏及安装工艺 一1 3 3 4 设计结果及分析 13 3 4 1 真空获得设备确定 1 3 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 2 真空系统检漏结果 1 5 3 4 3 真空系统性能分析 1 5 3 4 4 真空系统设计结论 1 7 第四章热沉的设计 18 4 1 热沉设计概述 l8 4 1 1 热沉概述 18 4 1 2 热沉材料选择 l8 4 1 3 热沉调温方式选择 1 9 4 1 4 热沉温度均匀性和稳定性的措施 2 1 4 1 5 热沉温调系统设计 21 4 1 6 热沉结构的确定 2 2 4 1 7 热沉热容量计算 2 6 4 1 8 制冷量及功率设计 2 7 4 1 9 工作介质量计算 2 7 4 2 热沉工艺 2 7 4 2 1 热沉制造工艺 2 7 4 2 2 检漏及除气工艺 2 7 4 3 设计结果 2 8 第五章控制与数据采集系统设计 3 0 5 1 真空测量及温度测量器件的选择 3 0 5 2 泵 计 阀标识定义 3 0 5 3 控制系统硬件选择及实现 3 1 5 4 软件系统功能设计及实现 3 3 第六章装置验收试验 3 5 6 1 设备验收试验 3 5 6 1 1 热真空试验 3 5 6 1 2 深冷试验 3 6 6 2 设备检定流程 一3 7 6 3 检定数据及分析 3 9 6 3 1 热真空指标数据 3 9 6 3 2 热真空数据分析 4 2 6 3 3 深冷试验数据 4 3 6 3 4 深冷数据分析 4 5 第七章结论 4 7 7 1 分析与结论 4 7 7 2 不足与展望 4 8 参考文献 4 9 致谢 51 攻读硕士期间从事科学研究项目 5 3 v i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 空间环境模拟装置简介 空间模拟装置是用来模拟太空的真空环境 太阳辐射环境 冷黑环境 用于卫星 组件或材料热真空热试验的设备 是真空技术的重要组成部分 为在空间环境 或模拟 空间环境 中应用真空技术的派生技术 通常模拟室直径小于2 m 模拟室直径大于 2 m 的空间环境模拟装置通常称为宇宙模拟器 它既有传统真空技术的内容 又包括 空间应用的特性 该技术随着航天器技术的迅速发展而不断提高 完善 为适应航天器发展 中国相继研制了各类环境模拟设备近百台 使中国空间环境 模拟设备从无到有 初具规模 基本上满足了各种航天器及其零部件在各种不同空间 环境条件下对试验的要求 按照用途 这类设备可分为 1 大型空间环境热真空模拟 设备 真空容器直径在2 1 2r n 范围内 主要提供航天器整体实验 以检验航天器热 设计 温控和整体功能等是否满足设计要求 2 组件热真空实验设备 主要对航天 器组件 分系统等仪器设备在空间真空和热环境下进行性能实验和可靠性实验 它一 般应具有1 0 3 1 0 巧p a 压力和 1 9 6 1 0 0 连续可调冷热环境 在特殊情况下 要 求5x 1 0 矗p a 以上清洁超高真空和 1 9 6 1 5 0 的冷热环境 3 空间运动部件的地 磁和辐照环境模拟设备 主要包括展开 运动部件冷焊和摩擦试验 空间带电 辐照 和地磁亚暴环境及剩磁环境设备 4 空间环境专用设备 是根据空间真空环境下不 同物理过程而设计的专项实验设备 包括离子火箭性能试验 空间光学仪器和组件试 验 宇航员试验舱 红外定标和红外辐射等方面的设备 1 2 国内外发展水平及现状 1 2 1 国内发展动态 中国对航天器真空技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代 1 9 6 2 年 中国为适应原子 能 电子 航天技术发展的需要 成立了以研究真空技术为专业方向的中国科学院兰 州物理研究所 即5 1 0 所前身 1 9 6 8 年兰州物理研究所根据中国加紧实施人造地球 卫星的 6 5 1 计划 开始进行航天器真空技术的研究和开发应用工作 此后 又有另一 些单位 如北京环境工程研究所 上海卫星工程研究所 北京航天医学工程研究所等 参加到该项技术的研究 开发和应用的行列 2 0 世纪6 0 年代末期 兰州物理研究所 和北京环境工程研究所合作率先研制成功了以k m 系列为代表的热真空环境模拟设 备 并交付使用 为中国卫星零部件 整体的热真空 高 低温模拟试验和可靠性试 验提供了条件和保证 2 0 世纪8 0 年代 兰州物理研究所等单位又相继研制了用于航 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 天器整体实验的大型空间环境设备 用于航天器部件和系统组件实验的热真空试验设 备 用于航天器运动部件真空润滑性能和空间辐射环境模拟设备和用于离子推进器性 能试验 固体火箭发动机高空点火 真空激光点火 航天飞船模拟舱及红外真空定标 等的模拟设备 这些空间模拟设备涉及到高真空 超高真空 极高真空的获得 真空 测量 真空检漏 材料及新工艺等一系列技术问题 从1 9 6 1 年开始 先后完成了模拟室直径2 m x 3 2 m 的k m l 与k m 2 空间模拟器 1 9 6 5 年开始研制模拟室3 6 m x 7 3 2 m 的k m 3 空间模拟器 1 9 7 0 年建成 1 9 6 7 年开始 研制模拟室直径7 m x l 2 m 的k m 4 空间模拟器 1 9 7 6 年建成 1 9 7 3 年建成模拟室直径 5 m 的k m 5 空间模拟器 随着航天科技不断进步 中国的航天器真空技术得到蓬勃发展 广大科技工作者 全力以赴地开展了空间真空技术的理论研究和实验工作 以及地面模拟试验和空间材 料科学试验 通过对航天器地面模拟试验 提高了航天器在空间环境中的适应性 1 9 8 7 年中国首次进行了在真空和微重力环境下材料加工试验 试验的内容主要有 定向生长 单晶 合金重熔再结晶等 进入2 0 世纪9 0 年代 中国载人航天发展迅速 给我国的 航天器真空技术的发展带来了机遇和挑战 为确保载人飞船空间环境模拟试验的进行 1 9 9 2 年北京环境工程研究所开始研制 了供载人飞船整体试验的k m 6 大型空间环境模拟设备 随着中国神州六号的成功回 归 揭开拉新的世界空间 航天航空技术格局 关于k m 6 为我国载人飞船 空间站的空间环境试验作了超前的技术准备工作 1 9 8 7 年黄本诚先生提出建设k m 6 载人航天器空间环境试验设备的建议 同年进行 l 纵6 设备的方案论证 方案设计与飞船的空间环境试验技术研究 k m 6 主模拟室直 径1 2 m 高2 2 4 m 辅容器直径7 5 m 长1 5 m 载人试验舱直径5 m 长1 5 m 主辅 模拟室3 2 0 0 m a 1 9 9 8 年7 个分系统联合调试一次成功 极限真空度4 5 x 1 0 由p a 热沉 温度低于1 0 0 k 该设备先后完成了 神舟一号 至 神舟六号 宇宙飞船及 资源2 号 等 卫星的空间环境试验 是当今世界三大载人航天器空间环境试验设备之一 总体性能 达到国际同类设备先进水平 目前国内的空间环境装置用户依然是政府和研究机构 不过研发机构已经从单一 的国有企业扩展的市场条件下 部分真空企业开始承接空间环境模拟装置的项目 同 时受到真空材料性能 真空获得设备的性能和温度控制系统的研发制约 在空间研究 领域 我国积极参与了中欧伽利略合作计划 全球对地观测系统 地球空间双星探测 计划等 该计划的成功实施 将极大促进中国空间物理学的发展 提高了中国空间探 测技术的创新能力 确立了中国在国际空间科技界的地位 这将强有力推动我国整体 空间技术的研究和进展 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国外发展动态 美国 从1 9 5 7 年开始研制空间环境模拟设备 据1 9 6 8 年资料统计 美国已建有 大小设备4 0 0 多台 真空容器的总体积已超过3 5 0 0 0 0 m 3 模拟室直径6 m 以上的大 型空间模拟器已建有2 0 多台 到7 0 年代 美国空间模拟器多 能力强 能进行所有 航天器的全部实验 设备大的足以对每个航天器做整星 船 的热真空试验 8 0 年代 美国已有2 0 多台模拟室直径l o m 以上的空间模拟器 美国的无线电公司于1 9 8 4 年建 成一台直径1 6 7 m 的球形空间模拟器 洛克希德导弹与空间公司于1 9 8 6 年建成直径 1 2 2 m x 2 4 4 m 的大型空间模拟器 美国空间模拟器的特点是专用性强 专门为试验某 种特定的航天器而设计 同时美国研制的型号多 规模大 涉及政府 公司 学校 遍及6 0 多个单位 一般大型模拟器属于美国宇航局所有 欧洲 6 0 年代在法国已有2 0 多台模拟室直径7 m 的模拟器 8 0 年代在德国有直 径6 8 m 的空间模拟器 欧洲空间局在荷兰的空间技术研究中心 于1 9 8 6 年将一台动 力学试验设备改造成模拟室直径l o m 高1 5 米的空间模拟器 日本 于1 9 7 5 年建成直径8 5 m x 2 5 m 的大型空间模拟器 1 9 8 9 年又建成一台 1 3 m x 2 3 m 的特大型空间模拟器 印度 于1 9 8 9 年建成一台直径9 m x l 2 m 的大型空间模拟器 1 3 研究的目的 意义和内容 1 3 1 研究的目的和意义 目的 通过设计研制完成课题要求的热空间环境模拟装置 优化环境模拟装置的 结构 确定大型真空容器抽气过程中 不同真空度范围获得真空的时间特性 提出热 沉的设计以及温度场均匀性 稳定性的控制方法 意义 研究大型真空容器 超 高真空的建立时间 对于优化清洁 超 高真空 真空系统 降低设备投资成本具有实际意义 对空间环境模拟装置的温度场均匀性和 控制方法的模拟研究 对于提高空间环境设备的性能具有重要意义 1 3 2 本论文主要工作 针对以上的空间环境模拟装置领域的发展趋势及存在的主要问题 本论文主要研 究了基于卧式结构的热真空环境模拟装置 主要研究了如何选取适合于该装置的无油 清洁真空获得系统及保证温场均匀稳定的热沉结构设计 并且通过验证试验对装置的 可行性 可靠性进行了对比 以及加热制冷一体化温控系统的应用 3 东北大学硕士学位论文 第二章空间模拟装置的研制 第二章空间模拟装置的研制 2 1 空间模拟装置的环境参数 空间环境模拟装置所模拟的三大空间环境因素分别为真空 冷黑及空间外热流环 境 其具体空间状态参数和实现如下 2 1 1 真空环境 空间的真空度随轨道高度不同而不同 离地面1 0 0 k m 高度处的真空度是4 x 1 0 2 p a 3 0 0 k m 是4 x 1 0 一p a 根据气体的传热性能与压强的关系 在1 0 d p a 压力下主要是辐射 传热 对流和气体分子热传导可以忽略不计 从工程上讲 在模拟室内用1 0 3 p a 的真 空度来模拟宇宙空间的超高真空环境 在航天器热平衡试验时 对热控温度带来的影 响是可以忽略不计的 2 1 2 冷黑环境 宇宙空间是一个温度为3 k 吸收系数为l 的冷黑空间 在这个环境中运行的航天 器发出的热量不再返回 没有辐射的再反射 因而这种环境是理想的绝对黑体 称为 冷黑环境 在空间模拟器中 用铝 铜或不锈钢制成的管板结构 内通液氮 表面涂以高吸 收的黑漆 用于吸收航天器发出的绝大部分辐射热 这种结构称为热沉 用热沉结构 近似模拟空间冷黑环境 对航天器热平衡试验结果带来的误差不大 在工程上还可以 通过计算来修正 通过误差计算可知 若航天器表面温度为3 0 0 k 热沉内壁温度为 1 0 0 k 所引起的模拟误差仅为1 左右 2 1 3 空间外热流环境 空间外热流环境主要包括太阳辐照 地球辐照和地球反射 太阳是一个高温辐射 体 用于模拟外热流可采用太阳模拟器或红外模拟器完成 2 2 空间环境模拟装置的组成 空间环境模拟装置主要由真空室 热沉及其管道 载物车轨道 载物车 温度传 感器 真空测量传感器 真空获得系统 制冷加热系统 电控及计算机管理系统 电 控柜 机架等组成 4 东北大学硕士学位论文第二章空间模拟装置的研制 本研究课题主要从研究如何保证装置要求的清洁 无油真空品质的方面选取真空 系统 设计保证空间环境模拟装置温度场均匀性 升降温速率及温度稳定性相关的热 沉系统 2 2 1 真空容器 真空容器是模拟室的主体 用不锈钢板制造 内标面抛光 其尺寸大小 有效容积 与形式按试验要求确定 2 2 2 真空获得系统 空间环境是一个理想的清洁真空环境 并且当前光学等仪器的应用特别需要清洁真 空来保护 因此设计真空系统的时候需要从真空建立时间 真空获得技术进步等方面综 合考虑 大部分的真空工艺中 水是最重要的气体负荷 低温泵能够提供一种专门抽 除水分的部件 2 2 3 热沉及温度控制系统 温度场的稳定性和升温速率等是影响试验效果的非常关键的技术 同时由于宇宙 空间这个只有3 k 的深冷环境 产生的分子沉现象需要做特定的和稳定的试验验证 针对热沉是大型空间环境模拟器的重要部件 其主要作用是在真空容器中创造一种 近似的冷黑环境 热沉的热设计方法 热沉表面的温度均匀度以及表面温度控制策略是 大型空间环境模拟器设计 调试和试验过程中十分关心的问题 借助计算机仿真可以优 化热沉设计 提供最佳温度控制策略 从而达到提高设备性能 降低试验费用的目的 2 2 4 数据采集与控制系统 精准的温度场控制信息和获取方法将会是至关重要的 因此需要通过计算机辅助 趋向性模拟 实施数据采集及安全事故处理是设备实用性和高效性的基础 2 3 空间模拟装置的研制指标 本课题研究的空间环境模拟装置根据装置需要的有效工作尺寸 真空性能 温度 性能方面展开 同时为完成不研究目标测量及温度指标一并提出 2 3 1 真空室及真空性能指标 1 真空室有效尺寸 9 0 0 m m x l 0 0 0 m m 2 法兰接通光窗口径向一个 0 1 6 0 m m 门中央 3 带多芯穿墙插头的1 个法兰孔 安装1 只9 2 芯插头 4 冷态空载真空度 8 0 c 5 x l o p a 一5 一 东北大学硕士学位论文第二章空间模拟装置的研制 5 热态空载真空度 1 0 0 c 1 c m i n 5 0 3 5 8 1 0 0 时 0 5 m i n 3 试件温度超调量要求 升温达到目标值后超调量翌 降温达到目标值后 温度超调量 3 4 带载工作稳定时 温度均匀性在0 9 0 0 m m x l o o o m m 有效空间内耋3 5 试验件功率热耗 最大值2 0 k g 铝及1 5 0 w 热耗 2 3 3 测量及控制精度指标 1 控温精度 毡0 5 显示精度 0 1 2 热沉温度测点8 个 东北大学硕士学位论文第三章真空室及真空获得系统设计 第三章真空室及真空获得系统设计 3 1 真空室的设计 模拟室真空室是空间模拟装置中的主体 通常有圆柱形 箱形 球形等结构 圆 柱形结构又分为立式与卧式两种 真空室与热沉结构设计及密封形式是满足装置热真 空性能的基础 综合考虑设备的真空室设计从稳定性及实用可靠性都有现实的意义 3 1 1 真空室材料及结构设计 根据不锈钢的出气率以及高真空性能对材料的要求空间模拟装置的真空室 热沉 骨架 轨道 载物车 传递冷热介质的管道 阀门 前级管道等均用不锈钢制成 由 于设备机架暴露于常态大气下不仅需要考虑其支撑强度因此从实用性及经济性的角度 选用用碳钢材料并进行外表喷漆 真空系统内部用于减少热沉与器壁的热传导量须选 用隔热材料 其中绝缘隔热材料及高低温输液管道密封液用聚四氟乙烯 接口封接所 用密封材料为氟胶圈及无氧铜密封垫 根据小型真空容器的真空室有效尺寸 9 0 0 m m x1 0 0 0 m m 结合工程经验修正结果 真空室内径为 1 2 0 0 m m x l 9 0 0 m m 直线部分长为1 2 5 0 m m 两头为椭圆形封头 其中 一端为舱门 舱门上带0 1 6 0 m m 观察窗 另一端封头直接焊到真空室的直线端上 真 空室内部有装热沉的轨道 并带绝缘及隔热材料 真空室外的下部有支撑脚便于安装 机架上 真空室上除了 1 2 0 0 m m 大舱f l j b 还有大小不同口径的1 2 个接口法兰 用接真空 泵 真空测量电器引入口 充气 制冷加热介质进出口及备用接口 具体设计位置如 图3 1 和图3 2 所示 7 东北大学硕士学位论文 第三章真空室及真空获得系统设计 东北大学硕士学位论文第三章真空室及真空获得系统设计 3 1 2 真空室接口及密封设计 1 真空密封接口 真空系统测量及控制信号引入接口 真空动力引入接口 其 中真空密封性能为基础 图3 3 是针对热沉冷热剧变可进行补偿量 同时能够实现对 热沉进行液体密封 对真空室保证气密性的热沉连接补偿器设计结构 图3 3 双向密封结构 f i g 3 3t w o d i m e n s i o n a lh e r m e t i c a l l y s e a l e dc o n s t r u c t i o n 2 观察窗是为对真空室内试验件进行状态监视的预留接口 采用胶圈密封实现 石英玻璃对真空的隔离 航空插头自身及法兰密封结构同样选用氟胶圈密封 图3 4 观察窗及控制信号引入 f i g 3 4i n t e r f a c es i g h tw i n d o wa n dc o n t r o ls i g n a l 东北大学硕士学位论文 第三章真空室及真空获得系统设计 3 真空动力引入采用陶封电极保证其与法兰密封 法兰与真空室采用胶圈密封 3 2 真空获得系统设计 图3 5 动力引入接口 f i g 3 i n t e r f a c eo fp o w d e r 3 2 1 真空建立时间计算 1 干式机械泵抽气时间 粗真空 低真空过程中 真空设备本身内表面的出气量与设备的气体负荷相比 可以忽略不计 查到莱宝公司s c 3 0 d 干泵的抽速曲线从大气到2 0 p a 泵的抽速近似常量 根据s c 3 0 d 抽气管道入口为0 6 3 m m 设定波纹管路长1 0 0 0 m m 为粘滞流状态 对2 0 短管流导 u 1 3 4 x 1 0 3 两而d 4 瓦 p 计算结果 玑 3 2 1 1 s 所以盼s p 此时 2 3 1 9 7 p i 8 8 3 4 玢 其中v 1 8 7 5 l p i l x 1 0 p a p 2 0 0 0p a 则可得 罗落夏的枘气时间 1 0 东北大学硕士学位论文g 章真空室及真空获得系统设计 嘲 3 黑l g 百2 0 0 0 1 2 3 7 8 2 0 6 分 1 3 6 9 7 2 2 0 一 粗低真空抽气总时间为 t 1 7 分钟达到2 0 p a 能满足用于满足真空放电效应试验 所需的不小于l o 分钟达到1 3p a 的放电试验要求 2 高真空抽气时间 高真空领域内 实际高真空的抽气时间主要取决材料出气 计算真空室平衡压力为p 时的出气量q 其值等于泵 机组 在压力p 时的排 气量 q p s p al s 需要达到的压强为5 1 0 4 p a 抽速5 0 0 0l s q p x s 5 x 1 0 4 x 5 0 0 0 2 5 p a l s 1 4 计算材料的表面积 a 真空室内表面积 不锈钢 8 7 8 4 4 c m 2 近似为1 0 0 0 0 0 c m 2 b 热沉表面积 9 3 3 0 5 c m 2 近似为10 0 0 0 0 c m z 计算紫铜和不锈钢两者平均出气率 g j q 丽2 而5 1 2 5 x 2 51 0 5 p a 1 1 s c m 1 5 口 一 i p a if 1 5 1 彳2 0 0 0 0 0 r 从真空设计手册7 7 8 页 图9 1 0 查1 2 5 x 1 0 5 p a l s c m 2 出气时间为0 3 h 这 就是所求抽气时间o 3 h 3 真空建立时间分析 综合高真空与低真空抽气时间为3 5 小时 则计算得4 小时内可以达到5 x 1 0 4 p a 3 2 2 真空获得系统选择 根据空载冷态极限真空为5 x l o p a 真空室的容积为1 8 7 5 l 不锈钢内表面积为 1 0 0 0 0 0c m 2 热沉为紫铜表面积为1 0 0 0 0 0c m 2 热沉面积有一半涂黑漆5 0 0 0 0 c m 2 1 0 0 c 烘烤不锈钢出气率为2 2 x 1 0 9 x 1 3 3 3 2 9 x l o 7 p a s c m 2 紫铜机械抛光 3 5 1 0 一x 1 3 3 3 4 7 x l o p a s c m 2 黑漆 9 x1 0 6 p a l s c m 2 试件2 0 k g 铝按2 5 倍余量进行计算 加热1 0 0 总出气量为 q l 2 1 0 叫 1 3 3 3 x 3 8 6 4 3 1 9 x 1 0 p al s 1 6 不锈钢放气量q 2 2 9 x l o x 1 0 0 0 0 0 2 9 x l o 2p a1 s 紫铜q 3 4 7 x1 0 一x 5 0 0 0 0 0 2 3 5 x10 2p a1 s 黑漆q 4 9 lo x 5 0 0 0 0 0 4 5 x10 屯p a1 s 总出气量 q q i q 2 q 3 q 4 i o 0 6 9 x 1 0 2 p a 1 s s 里 1 0 0 6 j 9 丁x1 0 2 2 2 0 1 4 升 秒 1 7 p s 一 i i l 4 升 栉 l 5 1 0 东北大学硕士学位论文第三章真空室及真空获得系统设计 考虑管道的流阻 0 4 0 0 m m 管道至少有2 0 0 m m 长 再加上0 4 0 0 r a m 阀门厚度 至少有3 0 0 m m 长 对2 0 空气 u 2 x 1 1 6 a o 0 5 8 2 5 x 1 1 6 x n x 0 2 2 8 4 9 1 升 1 8 二 0 2 5口 0 5 8 2 5 d 舢为m 11111 i5j一瓦2 8491u 2 8 7 7 1 9 s l 7 铲篙 4 3 5 1 3 q 利k 1 10 8492 8 7 7 j n 一2 i1 l 一 因此选用抽速为5 0 0 0 升 秒 大于计算所得的要求值 能满足要求 3 2 3 真空管道及阀门选择 主泵低温泵用毋4 0 0 气动闸板阀v r l 4 0 0 罗茨泵用国产d g l 5 0 的闸板阀 干式 机械泵和低温泵及罗茨泵连接的国产阀门及前级管道等 为减震用波纹管管道 3 3 真空系统工艺 3 3 1 制造工艺 为保证真空容器的稳定性和密封性 控制加工过程中的变形量累积 需按如下工 艺进行加工制造 1 真空容器直筒部分卷成直筒 开坡口 采用亚弧焊填料焊成 上车床平两 头的端面 2 门法兰及直径大于咖4 0 0 的法兰锻造而成 然后机械加工 3 椭圆形封头采用旋压而成 直边部分上机床加工 4 所有的不锈钢件均采用亚弧焊成 5 真空室上的法兰接管孔均采用镗床来加工孔 3 3 2 表面处理工艺 装置的表面处理工艺是满足高真空及超高真空状态下表面放气量的需求 从而提 高设备在抽真空过程中的效率 满足真空建立时间的重要保证 一 2 一 东北大学硕士学位论丈第三章真空室及真空获得系统设计 1 真空室壳体直焊缝及端头法兰环焊缝打平和内表面一致 便于内部装焊其 它件 外表面喷砂处理 2 真空室内表面机械抛光 使其表面光洁度达到v 以上 3 热沉外表面机械抛光 内表面清洗干净喷特制黑漆 4 其它的真空管道及前级管道内表面电解抛光 外表面喷砂处理 3 3 3 检漏及安装工艺 真空系统的单个零件检漏以及逐级安装检漏是对设备维护性能保证的重要环节 因此要求所有真空焊接组件 焊接后用氦质谱检漏仪进行检漏 其漏率 s x l 0 8 p a l s 整个组装完进行整体检漏 其漏率 s x1 0 7 p a l s 同时需要配备检漏记录历史数 据可供追溯 3 4 设计结果及分析 3 4 1 真空获得设备确定 低温泵在热态下应用的确定方案 低温泵的冷却容量依赖于低温泵的冷却温度 当 低温泵的冷却温度上升时 泵的容量下降 因此 保证低温泵完全的和热源隔离是非 常必要的 工程上常用以下几种措施能够用来避免低温泵被热辐射 1 真空腔中的热源和低温泵之间的光学挡板 光学挡板阻止热辐射直接进入 低温泵体内 挡板的几何结构和热负荷的密度决定了挡板的数量和尺寸 2 水冷挡板 对于两种挡板 面对热源的一面的e h l 而面对低温泵的 一面的e h 3 e h 是完全有效发射率 挡板用于吸收热辐射并阻挡热辐射进入真空 泵 3 光学屏蔽低温泵 也就是说 通过设计一系列的弯管以避免低温泵直接 面对热源 在这里 重要的是弯管的内壁要有高的发射率以避免热负荷被反射进入低 温泵 这种设计的最大的缺点是降低了管道的流导从而降低了低温泵对真空腔体的有 效抽速 低温泵的冷头的热负荷有三种来源 1 辐射热 2 吸附热 3 传导热 因在真 空室预抽n d 于1 x 1 0 p a 并且低温泵自身预冷到小于2 0 k 后打开闸板阀对系统抽高真 空 此时仅有辐射热占主导地位 所以装置主要解决真空腔内热源的热辐射对低温泵 的影响 为了保护低温泵遭受热辐射 采用两块半径为2 5 0 r a m 半圆镜面不锈钢板做 为光学挡板 其角度近视于9 0 度 一1 3 一 东北大学硕士学位论文 g x 章真空室及真空获得系统设计 图3 6 低温泵隔辐射挡板 东北大学硕士学位论文第三章真空室及真空获得系统设计 3 4 2 真空系统检漏结果 根据设计要到到达的极限真空度 采用氦质谱检漏仪对真空部件及部件安装组合 过程进行检漏 1 真空系统检漏及漏率的测量 检测点 乱检漏 应用氦质谱检漏仪使用喷吹法对被检部位进行检漏 检漏仪液晶显示屏 听示数字即为该点漏率值 如该点检漏仪示数有明显变化 即该点为漏点 b 漏率的测量 氦质谱检漏仪性能符合要求 即可认为测得漏率达到设计指标 测试环境 设备安装调试地点 2 真空度检测 检测点 调试开始之后 仪器设备 真空计 检测方法 真空计读数稳定后 读取高真空计所示值 即为系统的极限真空 表3 1 关键真空器件检漏 t a b l e3 1l e a l d e t e c t i o nr e s u l to fk e yv a c u u md e v i c e 序号部件名称漏率 说明 1 航空插头9 2 芯 5 x 1 0 1 3 p a m 3 s真空室信号引 引出 2 波纹管k f 4 0 2 5 5 x10 1 3 p a m 3 s 真空管路 隔振 3 闸板阀i s 0 4 0 0 5 x1 0 1 3 p a m 3 s 低温泵真空室隔离 4 闸板阀i s 0 6 3 5 x 1 0 1 3 p a m 3 s 罗茨泵真空室隔离 5 低温截g nl i 5 x1 0 m p a m 3 s 热沉浴液流量控制 6 九芯陶封电极 5 x1 0 1 3 p a m 3 s 真空室能量引入 7 真空室 罐体 漏率 5 x 1 0 1 3 p a m 3