本發(fā)明涉及航天器地面試驗(yàn)，尤其涉及一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、月球表面為極端的高低溫環(huán)境，且月晝、月夜長(zhǎng)達(dá)15天。工作在月球表面的探測(cè)器往往需要在夜間承受15天左右的低至-200℃以下的低溫環(huán)境。因此，有必要在地面模擬環(huán)境下對(duì)探測(cè)器上各類(lèi)運(yùn)動(dòng)部件的性能進(jìn)行驗(yàn)證。在地面試驗(yàn)中，一般使用多種真空泵配合形成0.001pa量級(jí)的真空環(huán)境，通過(guò)液氮輻射換熱器初步形成100k的低溫背景，進(jìn)一步地再通過(guò)氦的壓縮-膨脹實(shí)現(xiàn)40k的深低溫背景。

2、當(dāng)試驗(yàn)件的溫度低于100k時(shí)，降溫速率會(huì)大幅度降低。當(dāng)背景溫度為40k時(shí)，試驗(yàn)件的溫度在80k時(shí)的降溫速率僅為160k時(shí)的5％左右。因此，試驗(yàn)件后續(xù)的降溫時(shí)長(zhǎng)往往可達(dá)數(shù)天，甚至一周以上。目前，雖然有采用液氮和氣氦相互結(jié)合構(gòu)建深低溫背景的方式，有助于提高降溫速率。然而，對(duì)于試驗(yàn)件的降溫速率，依然無(wú)法較為精確控制。

3、因此，如何較為精確地控制試驗(yàn)件的降溫速率成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，用以解決如何較為精確地控制試驗(yàn)件的降溫速率的問(wèn)題。

2、一方面，本發(fā)明提供一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，包括：

3、環(huán)境模擬容器；

4、液氮輻射換熱器，設(shè)置于環(huán)境模擬容器，能夠使環(huán)境模擬容器內(nèi)溫度降低至100k以下；

5、氣氦輻射換熱器，設(shè)置于液氮輻射換熱器內(nèi)，內(nèi)部形成有試驗(yàn)腔；試驗(yàn)腔內(nèi)溫度能夠降低至40k以下；

6、氣氦供應(yīng)組件，包括氦儲(chǔ)存罐、冷阱換熱器、氦壓縮機(jī)、氦膨脹機(jī)和第一氦補(bǔ)償閥；氦儲(chǔ)存罐、冷阱換熱器、氦壓縮機(jī)、氦膨脹機(jī)和試驗(yàn)腔依次連通；第一氦補(bǔ)償閥的一端與冷阱換熱器連通，另一端與環(huán)境模擬容器內(nèi)部連通；

7、真空泵組，能夠與環(huán)境模擬容器連通，以對(duì)環(huán)境模擬容器進(jìn)行抽真空；

8、溫控板，設(shè)置于試驗(yàn)腔內(nèi)；溫控板上安裝有試驗(yàn)件。

9、在其中一些實(shí)施例中，冷阱換熱器設(shè)置有第一低溫工質(zhì)入口、第一低溫工質(zhì)出口、氦氣入口和氦氣出口；氦氣入口與氦儲(chǔ)存罐連通；氦氣出口與第一氦補(bǔ)償閥連通；

10、氦壓縮機(jī)設(shè)置有第二低溫工質(zhì)入口、第二低溫工質(zhì)出口、第一低溫低壓氦氣入口和常溫高壓氦氣出口；第一低溫低壓氦氣入口能夠與氦氣出口連通；

11、氦膨脹機(jī)設(shè)置有低溫高壓氦氣入口和第一低溫低壓氦氣出口；第一低溫低壓氦氣出口與試驗(yàn)腔連通；

12、氣氦供應(yīng)組件還包括：

13、氦換熱器，設(shè)置有第二低溫低壓氦氣入口、第二低溫低壓氦氣出口、常溫高壓氦氣入口和低溫高壓氦氣出口；第二低溫低壓氦氣入口與試驗(yàn)腔連通；第二低溫低壓氦氣出口與第一低溫低壓氦氣入口連通；常溫高壓氦氣入口與常溫高壓氦氣出口連通；低溫高壓氦氣出口與低溫高壓氦氣入口。

14、在其中一些實(shí)施例中，氣氦供應(yīng)組件還包括：

15、第二氦補(bǔ)償閥，一端與氦氣出口連通，另一端與第一低溫低壓氦氣入口連通。

16、在其中一些實(shí)施例中，氣氦供應(yīng)組件還包括：

17、氦回收閥，一端與第二低溫低壓氦氣出口連通，另一端與氦儲(chǔ)存罐連通。

18、在其中一些實(shí)施例中，溫控板包括：

19、基板，頂面上安裝有試驗(yàn)件；

20、薄膜電加熱器，安裝于基板上；

21、熱檢測(cè)傳感器，適用于安裝于試驗(yàn)件上。

22、在其中一些實(shí)施例中，還包括：

23、監(jiān)視器，安裝于試驗(yàn)腔內(nèi)；

24、反光板，安裝于試驗(yàn)腔內(nèi)；監(jiān)視器通過(guò)反光板監(jiān)視試驗(yàn)件。

25、另一方面，本發(fā)明還提供一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)方法，包括：

26、使用液氮輻射換熱器將環(huán)境模擬容器內(nèi)溫度降低至100k以下；

27、使氣氦輻射換熱器的試驗(yàn)腔內(nèi)溫度降低至40k以下；

28、使用真空泵組對(duì)環(huán)境模擬容器進(jìn)行抽真空處理；

29、獲取試驗(yàn)件的當(dāng)前溫度，若當(dāng)前溫度等于目標(biāo)溫度時(shí)，維持當(dāng)前溫度預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)；若當(dāng)前溫度大于目標(biāo)溫度時(shí)，根據(jù)當(dāng)前溫度，計(jì)算當(dāng)前降溫速率；若當(dāng)前溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，獲取環(huán)境模擬容器內(nèi)當(dāng)前壓力。

30、在其中一些實(shí)施例中，若當(dāng)前降溫速率小于0.5k/min時(shí)，增大第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度；若當(dāng)前降溫速率大于1.5k/min時(shí)，減少第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度；若當(dāng)前降溫速率介于0.5k/min-1.5k/min之間時(shí)，保持第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度。

31、在其中一些實(shí)施例中，若當(dāng)前壓力小于或等于10-3pa時(shí)，調(diào)整溫控板的加熱功率；若當(dāng)前壓力大于10-3pa時(shí)，關(guān)閉第一氦補(bǔ)償閥，使用真空泵組繼續(xù)對(duì)環(huán)境模擬容器進(jìn)行抽真空處理。

32、本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置通過(guò)設(shè)置液氮輻射換熱器，液氮輻射換熱器能夠使環(huán)境模擬容器內(nèi)溫度降低至100k以下。氣氦輻射換熱器的試驗(yàn)腔內(nèi)溫度能夠降低至40k以下。增設(shè)冷阱換熱器，營(yíng)造低溫環(huán)境，使低溫下易發(fā)生凝結(jié)的雜質(zhì)氣體脫離氦氣，有利于更為精準(zhǔn)地控制降溫速率，降低溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置部件發(fā)生故障的可能性。氦壓縮機(jī)能夠?qū)⒌蜏氐蛪籂顟B(tài)的氦氣轉(zhuǎn)換成常溫高壓狀態(tài)的氦氣。氦膨脹機(jī)能夠?qū)⒌蜏馗邏籂顟B(tài)的氦氣轉(zhuǎn)換成低溫低壓狀態(tài)的氦氣，并向試驗(yàn)腔內(nèi)不斷地補(bǔ)入低溫低壓氦氣，以使試驗(yàn)腔內(nèi)溫度能夠降低至40k以下。當(dāng)試驗(yàn)件的當(dāng)前溫度大于目標(biāo)溫度時(shí)，通過(guò)控制第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度控制流入環(huán)境模擬器內(nèi)氦氣的流量，配合環(huán)境模擬容器內(nèi)壓力的調(diào)整，可以改變環(huán)境模擬容器內(nèi)對(duì)流換熱強(qiáng)度，強(qiáng)化或弱化換熱效果，以提高或降低降溫速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確控制降溫速率的目的。真空泵組能夠?qū)Νh(huán)境模擬容器進(jìn)行抽真空，使環(huán)境模擬器內(nèi)部壓力小于或等于10-3pa。當(dāng)試驗(yàn)件的當(dāng)前溫度小于目標(biāo)溫度，且當(dāng)前壓力小于或等于10-3pa時(shí)，通過(guò)溫控板適當(dāng)加熱試驗(yàn)件，以精準(zhǔn)控制試驗(yàn)件的溫度。

技術(shù)特征：

1.一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述冷阱換熱器設(shè)置有第一低溫工質(zhì)入口、第一低溫工質(zhì)出口、氦氣入口和氦氣出口；所述氦氣入口與所述氦儲(chǔ)存罐連通；所述氦氣出口與所述第一氦補(bǔ)償閥連通；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述氣氦供應(yīng)組件還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述氣氦供應(yīng)組件還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述溫控板包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置，其特征在于，還包括：

7.一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)方法，其特征在于，若所述當(dāng)前降溫速率小于0.5k/min時(shí)，增大第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度；若所述當(dāng)前降溫速率大于1.5k/min時(shí)，減少所述第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度；若所述當(dāng)前降溫速率介于0.5k/min-1.5k/min之間時(shí)，保持所述第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)方法，其特征在于，若所述當(dāng)前壓力小于或等于10-3pa時(shí)，調(diào)整溫控板的加熱功率；若所述當(dāng)前壓力大于10-3pa時(shí)，關(guān)閉所述第一氦補(bǔ)償閥，使用所述真空泵組繼續(xù)對(duì)所述環(huán)境模擬容器進(jìn)行抽真空處理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及航天器地面試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，其中，溫變速率可控的深低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置包括環(huán)境模擬容器、液氮輻射換熱器、氣氦輻射換熱器、氣氦供應(yīng)組件、真空泵組和溫控板；冷阱換熱器能夠純化氦氣，有利于更為精準(zhǔn)地控制降溫速率。當(dāng)試驗(yàn)件的當(dāng)前溫度大于目標(biāo)溫度時(shí)，通過(guò)控制第一氦補(bǔ)償閥的開(kāi)度控制流入環(huán)境模擬器內(nèi)氦氣的流量，配合環(huán)境模擬容器內(nèi)壓力的調(diào)整，可以改變環(huán)境模擬容器內(nèi)對(duì)流換熱強(qiáng)度，以提高或降低降溫速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確控制降溫速率的目的。當(dāng)試驗(yàn)件的當(dāng)前溫度小于目標(biāo)溫度，且當(dāng)前壓力小于或等于10<supgt;?3</supgt;pa時(shí)，通過(guò)溫控板適當(dāng)加熱試驗(yàn)件，以精準(zhǔn)控制試驗(yàn)件的溫度。

技術(shù)研發(fā)人員：陶東興,李西園,李培印,于晨,柳曉寧,高慶哲,簡(jiǎn)亞彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9