ZM-4300光學(xué)遙感器空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備研制

楊建斌，劉玉魁，王先榮，張文瑞，柏 樹

（蘭州物理研究所，蘭州730000）

0 前言

為了驗證航天器設(shè)計的正確性及提高在軌運行的可靠性，在航天器研制過程中，必須在地面模擬航天器飛行所處的空間環(huán)境，并在這些環(huán)境下做充分的試驗。經(jīng)驗證明：約 70%的航天器故障是由于空間環(huán)境的影響造成的[1]。故建造環(huán)境模擬與試驗設(shè)備是航天技術(shù)的一個重要組成部分。

空間光學(xué)遙感器是重要的航天有效載荷，除了具有一般的有效載荷特點之外，還有其鮮明的特殊性：

1）溫度變化會影響相機焦平面的位置。在熱光學(xué)試驗中，要得出溫度值與成像效果之間的關(guān)系，以便對相機成像進行修正，進而得到清晰的照片圖像。這對試驗設(shè)備的溫控精度提出了很高的要求：10～50 ℃，設(shè)備溫控精度±1 ℃。

2）光學(xué)遙感器載荷對污染十分敏感，試驗中的超標(biāo)污染將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)報廢，嚴(yán)重影響航天計劃的執(zhí)行。要求設(shè)備連續(xù)24 h運行累積污染量≤2×10-8g/cm2。

3） 光學(xué)遙感器載荷試驗過程中對振動很敏感，必須隔斷任何振動。

我國有各類大中小型空間環(huán)模試驗設(shè)備，如KM系列、ZM系列、RZM系列等，其中KM6是我國目前最大的空間環(huán)模試驗設(shè)備[2]，設(shè)備主容器直徑φ12 m。以上這些設(shè)備大多是通用的真空熱試驗設(shè)備，專門針對光學(xué)遙感器載荷的大型真空熱試驗設(shè)備尚不多見。

ZM-4300光學(xué)遙感器空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備針對航天光學(xué)遙感儀器空間環(huán)境模擬試驗而設(shè)計制造，可用于模擬太空的高真空、外熱流與冷黑環(huán)境，進行航天光學(xué)遙感儀器的各種空間環(huán)模試驗。設(shè)備具有多種試驗?zāi)Ｊ?，能夠完成熱光學(xué)、熱真空及熱平衡試驗，還具有進行常壓熱循環(huán)試驗的功能。設(shè)備對溫度控制精度、污染控制和振動隔斷給予了充分考慮與解決。

1 設(shè)備系統(tǒng)組成

ZM-4300設(shè)備主要由8個分系統(tǒng)組成：真空容器分系統(tǒng)，真空抽氣分系統(tǒng)，熱沉分系統(tǒng)，液氮制冷分系統(tǒng)，機械制冷分系統(tǒng)，加熱分系統(tǒng)，參數(shù)測量分系統(tǒng)及控制管理分系統(tǒng)。

1.1 真空容器分系統(tǒng)

真空容器為臥式圓筒形，筒體內(nèi)徑φ4.3 m，總長約10 m，封頭為橢球形封頭，筒體和封頭材料均為0Cr18Ni9；容器中心高2.8 m。真空室大門由橢球形封頭與法蘭焊制而成，大門法蘭外圓直徑φ4.6 m，截面為矩形；真空室大門為電動懸吊式，側(cè)向平移開啟。

為了阻斷振動通過大門傳至試驗載荷，容器大門懸掛機構(gòu)具有卸載隔振功能。真空容器底端中心有通光口徑為φ1.0 m的光學(xué)窗口，側(cè)面有φ1 800 mm太陽模擬器輔助筒體接口、兩個φ1074 mm低溫泵接口及通徑DN600 mm粗抽及預(yù)抽接口。設(shè)有滿足使用要求的其他各種接口法蘭。容器總漏率為 7.2×10-7Pa·m3/s。

真空室外側(cè)覆設(shè)保溫隔熱層，可以阻隔外界熱量傳入真空室，防止在常壓熱循環(huán)試驗時真空室筒體外壁結(jié)露、結(jié)霜。

1.2 真空抽氣分系統(tǒng)

抽氣系統(tǒng)是設(shè)備獲得真空環(huán)境的手段。抽氣主泵采用 2臺抽速 45 000 L/S低溫泵，粗抽系統(tǒng)由2套ZJP600羅茨泵-H150滑閥泵系統(tǒng)和2套F1500分子泵單元組成。真空系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 真空系統(tǒng)抽氣原理圖Fig.1 The vacuum pumping system

真空機組抽氣過程：羅茨真空泵機組由105Pa（即大氣）抽到10 Pa，停止工作。啟動分子泵機組由10 Pa抽至5×10-2Pa，然后低溫泵由5×10-2Pa抽到工作壓力。

分子泵機組除滿足預(yù)抽需要外，還用于設(shè)備檢漏抽氣及老煉去污染抽氣。粗抽系統(tǒng)配兩級液氮冷阱以防止油蒸氣污染。整個系統(tǒng)共設(shè)6只冷阱。真空容器與抽氣系統(tǒng)之間連接采用減振措施，粗抽管路設(shè)置波紋管減振隔震，以防振動傳至真空容器。

1.3 熱沉分系統(tǒng)

熱沉是航天器真空熱試驗的熱效應(yīng)模擬關(guān)鍵部件，用于模擬空間冷黑背景和對試驗載荷進行溫控。

ZM-4300設(shè)備熱沉內(nèi)尺寸為φ3 800 mm×7 300 mm；由筒體熱沉、筒體底部熱沉、大門熱沉及活動熱沉4部分組成，筒體熱沉采用魚骨式結(jié)構(gòu)，底部熱沉、大門熱沉及活動熱沉采用豎排管式結(jié)構(gòu)。熱沉的總管和支管采用 0Cr18Ni9管材，壁板材料采用 T2銅板，不銹鋼管和銅板間采用氬弧焊結(jié)合。熱沉結(jié)構(gòu)滿足了液氮和酒精共用同一熱沉流道的需要，內(nèi)表面涂敷專用黑漆。熱沉可整體移出容器，方便維修；熱沉靜態(tài)漏率≤2×10-9Pa·m3/s。

1.4 液氮制冷分系統(tǒng)

液氮制冷分系統(tǒng)為熱沉、防污染板和冷阱供給穩(wěn)定的液氮支持，主要由2只20 m3液氮儲槽、過冷器、穩(wěn)壓增壓杜瓦、2臺液氮泵（30 m3/h，出口壓力為0.3 MPa）、渦街流量計及閥門和管路組成。液氮制冷流程采用單相密閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 熱沉液氮流程原理圖Fig.2 The liquid nitrogen cooling system

1.5 機械制冷分系統(tǒng)及加熱分系統(tǒng)

為了滿足設(shè)備熱真空、熱光學(xué)及熱循環(huán)試驗?zāi)Ｊ揭?，設(shè)備熱沉需要在-60～100 ℃之間工作，且要求熱沉溫度分布均勻性為±3 ℃，溫控精度±2 ℃。設(shè)備設(shè)置了以酒精為循環(huán)傳熱介質(zhì)的復(fù)疊式制冷機組和電阻絲加熱分系統(tǒng)。

1.5.1 機械制冷分系統(tǒng)

在-60～20 ℃范圍提供穩(wěn)定的試驗溫區(qū)。主要由復(fù)疊式制冷機組、酒精箱、循環(huán)泵、酒精排出回收裝置、管路閥門及酒精組成。機械制冷分系統(tǒng)（低溫酒精系統(tǒng)）調(diào)溫原理見圖3。

復(fù)疊機組一級制冷工質(zhì)為R404，二級工質(zhì)為R23。用R404通過中冷器冷卻R23，用R23通過蒸發(fā)器來冷卻酒精，使之溫度低于-70 ℃。

酒精箱中的酒精經(jīng)R23蒸發(fā)器冷卻到適當(dāng)溫度（由熱沉所需溫度決定），用酒精泵注入熱沉中，使熱沉達(dá)到預(yù)期溫度。需要升溫時，酒精由加熱器加熱調(diào)控溫度。

圖3 機械制冷分系統(tǒng)（低溫酒精系統(tǒng)）流程圖Fig.3 The refrigerator cooling system

1.5.2 加熱分系統(tǒng)

加熱分系統(tǒng)在40～100 ℃溫度范圍內(nèi)提供控溫手段，由電阻絲加熱單元、防輻射屏、低壓直流程控模塊電源及溫控單元等構(gòu)成。采取分區(qū)獨立控制方式，共配置24塊同型號電源，最大功率為120 kW。

1.6 參數(shù)測量分系統(tǒng)

參數(shù)測量分系統(tǒng)具有真空度測量、污染監(jiān)測、溫度測量、壓力測量、液位測量及流量測量等功能。真空度測量采用若干電阻規(guī)和冷陰極規(guī)及相應(yīng)的真空計；污染監(jiān)測采用1臺四極質(zhì)譜儀進行殘余氣體成分分析，3臺微量石英天平測量污染量；熱沉溫度和其他各點溫度測量采用鉑電阻溫度傳感器和相應(yīng)儀表；壓力、液位及流量測量采用相應(yīng)的傳感器和儀表。

1.7 控制管理分系統(tǒng)

控制管理分系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備工作過程控制和設(shè)備運行過程中各種數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲和打印等功能，包括：對真空部分進行控制和監(jiān)測；對熱沉系統(tǒng)進行升溫、降溫以及恒溫控制及監(jiān)測；對設(shè)備工作過程中的溫度、真空度以及設(shè)備工作狀態(tài)進行監(jiān)測并記錄；對系統(tǒng)運行過程進行檢測，并給出分系統(tǒng)報警信號并做出相應(yīng)的處理。具有3種控制模式：PLC及工控機控制（自動控制），觸摸屏顯示與控制（半自動控制），按鈕控制（手動控制）。

2 設(shè)備達(dá)到的性能指標(biāo)

2.1 真空度

極限真空度測量結(jié)果為1.4×10-5Pa。

2.2 熱沉溫度指標(biāo)

2.2.1 液氮制冷熱沉溫度

熱沉溫度測點均低于100 K，7 h間隔熱沉平均溫度分別為89 K、90 K。兩次溫度平均值為89.5 K。

2.2.2 機械制冷熱沉最低溫度、降溫速率

機械制冷時，測得熱沉最低平均溫度為-66.8 ℃；從24.5 ℃降至-51 ℃降溫速率為1.8 ℃/min。

2.2.3 熱沉加熱升溫速率

供給加熱籠加熱功率為設(shè)計功率的90%，熱沉平均溫度從 27.5 ℃升溫至 90.4 ℃。升溫速率1.5 ℃/Min。

2.2.4 熱沉溫度均勻性和控溫精度

熱沉在-60 ～100 ℃間可以精確控溫，-60 ～20 ℃間通過機械制冷冷卻的酒精循環(huán)實現(xiàn)，20 ～100 ℃間通過加熱系統(tǒng)實現(xiàn)。在整個溫區(qū)設(shè)定了6個溫度點進行熱沉溫度性能測試，測試數(shù)據(jù)如表1。表中溫度均勻性是指熱沉24個測點實際溫度與平均溫度的最大偏差，溫控精度是指24個測點平均溫度與溫度設(shè)定值間的偏差。

表1 熱沉溫控精度及溫度均勻性數(shù)據(jù)Table 1 Shroud temperature precision and uniformity

由表1數(shù)據(jù)可以看出，熱沉溫度均勻性和溫控精度達(dá)到了很好的指標(biāo)，在10℃附近最佳，可以滿足空間光學(xué)遙感器熱光學(xué)試驗的精確控溫要求。

2.3 污染量

2.3.1 石英天平數(shù)據(jù)

在試驗產(chǎn)品進行熱平衡試驗時，采集記錄48 h數(shù)據(jù)：2008年6月10日21：44石英天平數(shù)據(jù)為4.36×10-8g/cm2，2008 年 6 月12 日 22：12石英天平數(shù)據(jù)為 7.08×10-8g/cm2。

24 h累積污染量計算結(jié)果為1.36 g/cm2。

2.3.2 四極質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)

采用四極質(zhì)譜儀對真空室的污染成分進行測量。圖4是熱沉在100 K時真空室殘余氣體譜圖，只有水汽、氮、氧出現(xiàn)，十分清潔。

圖4 熱沉在100 K時真空室殘余氣體譜圖Fig.4 The chamber residual gas spectrum at shroud temperature of 100 K

圖 5是熱沉和試件加熱至 60 ℃時真空室殘余氣體譜圖，此時，由于熱沉及試驗件中的揮發(fā)物出現(xiàn)，譜圖中大分子氣體較多。圖6是熱沉和試件加熱至 60 ℃、防污染板通液氮時真空室殘余氣體譜圖，從圖中可以看出，真空室殘余氣體中大分子消失，清潔程度提高。

圖5 熱沉和試件加熱至60 ℃時真空室殘余氣體譜圖Fig.5 The chamber residual gas spectrum at shroud and specimen temperature of 60 ℃

圖6 熱沉和試件加熱至60 ℃，開防污染板時真空室殘余氣體譜圖Fig.6 The chamber residual gas spectrum (shroud and specimen temperature at 60 ℃, with pollution catch plate at work)

2.4 可靠性（無故障工作時間）

設(shè)備從驗收測試過程起，已經(jīng)連續(xù)工作了5次，完成了4個產(chǎn)品的試驗，最長連續(xù)無故障工作45 d。

3 設(shè)備技術(shù)特點

1）設(shè)備兼具多種試驗?zāi)Ｊ?，可進行熱光學(xué)、熱真空、熱平衡及熱循環(huán)等空間環(huán)模試驗。

2）應(yīng)用污染綜合控制技術(shù)，從硬件配置、工藝、監(jiān)測及操作等方面成功地解決了環(huán)模設(shè)備污染控制難題，實現(xiàn)了空間光學(xué)模擬環(huán)境的高潔凈，達(dá)到24 h累積污染量＜1.36×10-8g/cm2。

3） 實現(xiàn)了大尺寸熱沉精確控溫和極高的溫度均勻性，溫控精度達(dá)到±0.5 K，溫度均勻性達(dá)到±1 K。

4） 熱沉兼具液氮制冷和酒精制冷（機械制冷）兩種模式，成功解決了酒精流程與液氮流程的切換，解決了設(shè)備多試驗?zāi)Ｊ降膶崿F(xiàn)。

5）液氮流程可實現(xiàn)4種循環(huán)模式的運行，極大提高了設(shè)備的運行可靠性。

6）大門開啟懸吊首創(chuàng)卸載隔振機構(gòu)，切斷外界振動經(jīng)由懸吊裝置的傳入途徑，又滿足了氣浮平臺承載著真空容器上下浮動的要求，避免了將懸掛機構(gòu)與大門脫開所帶來的安全隱患。

4 結(jié)束語

ZM-4300設(shè)備是我國目前最大的光學(xué)遙感器專用環(huán)模試驗設(shè)備，它創(chuàng)造性地應(yīng)用了許多新的技術(shù)思路，熱沉兼具液氮制冷和酒精制冷（機械制冷）兩種模式，成功解決了環(huán)模設(shè)備污染控制難題，實現(xiàn)了空間光學(xué)模擬環(huán)境的高潔凈度，提高了我國環(huán)模試驗設(shè)備技術(shù)。

該設(shè)備研制成功將對我國大口徑高分辨空間光學(xué)遙感器的研制提供良好的保障條件，促進型號的研制進展。

（References）

[1]黃本誠, 馬有禮.航天器空間環(huán)境模擬試驗技術(shù)[M].北京： 國防工業(yè)出版社, 2002

[2]黃本誠.KM6載人航天器空間環(huán)境試驗設(shè)備[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2002, 22(3)： 1-5