KM5B空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備研制

張世一，陳 麗，齊曉軍，彭光東，李宏宇，紀(jì)曉志

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

KM5B空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備研制

張世一，陳 麗，齊曉軍，彭光東，李宏宇，紀(jì)曉志

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

為滿足SAST5000平臺(tái)衛(wèi)星及SAR系列衛(wèi)星整星真空熱試驗(yàn)需求，研制成一套大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備 KM5B。該設(shè)備采用整體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施理念，現(xiàn)已完成立式主容器和右側(cè)臥式容器的建設(shè)，后續(xù)還可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。文章概要介紹了該試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)組成、研制特點(diǎn)等。KM5B是我國已建成投入使用的第二大空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備。

空間環(huán)境模擬；地面試驗(yàn)設(shè)備；KM5B；真空熱試驗(yàn)

0 引言

空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備可模擬太陽輻射、高真空、低溫、冷黑等空間環(huán)境，用于航天器系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)大型部組件的真空熱試驗(yàn)［1-2］。

為滿足SAST5000平臺(tái)衛(wèi)星及SAR系列衛(wèi)星整星真空熱試驗(yàn)需求，由上海衛(wèi)星裝備研究所抓總，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、杭州杭氧環(huán)保成套設(shè)備有限公司等單位參與，于2013年年底研制成一套組合結(jié)構(gòu)大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備KM5B。該設(shè)備采用整體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施的理念，現(xiàn)1個(gè)立式主容器和1個(gè)臥式側(cè)容器已建成并投入使用。與我國 KM5A［3］、KM6［4-5］等主要大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備相比，KM5B具有功能多樣、適用性廣、開孔率大、可靠性高、遠(yuǎn)程集控水平高等特點(diǎn)［6-8］。

目前，KM5B的主容器和側(cè)容器已分別圓滿完成了多次航天器系統(tǒng)級(jí)真空熱試驗(yàn)及載荷定標(biāo)試驗(yàn)，系統(tǒng)狀態(tài)優(yōu)良。本文對(duì)該設(shè)備的研制方案及特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)有型號(hào)試驗(yàn)指標(biāo)要求，并適當(dāng)兼顧后續(xù)型號(hào)需要，經(jīng)過多輪論證，確定KM5B設(shè)備主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1　KM5B設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of KM5B

2 系統(tǒng)組成及方案

KM5B空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備組成見圖1，本文主要介紹真空容器、熱沉、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、外熱流模擬系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)等。

圖1　KM5B組成示意Fig. 1 The structure blocks of KM5B

2.1真空容器

容器筒體為立式主容器+臥式側(cè)容器結(jié)構(gòu)，主容器以φ10m頂蓋作為頂部大門，用于產(chǎn)品及大型工裝進(jìn)出，頂部大門通過廠房行車起吊實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉。側(cè)容器左側(cè)開φ7m圓孔，配置接口法蘭及封頭，用于后期擴(kuò)展。為提高大廳空間使用效率，側(cè)容器右側(cè)大門采用側(cè)向旋轉(zhuǎn)打開方式，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，打開角度最大135°。KM5B實(shí)物照片見圖2。

圖2　KM5B實(shí)物Fig. 2 The photo of KM5B

KM5B容器強(qiáng)度（應(yīng)力分布）、剛度（位移分布）有限元分析如圖3、圖4所示，最大應(yīng)力為132.3MPa，最大位移為5.01mm。

圖3　容器應(yīng)力云圖Fig. 3 Stress distribution in the chamber

圖4　容器位移云圖Fig. 4 Displacement distribution of the chamber

2.2熱沉

筒體熱沉分主容器熱沉和側(cè)容器熱沉，主、側(cè)容器聯(lián)合可供試驗(yàn)的有效空間為φ6.2m×19m。熱沉采用不銹鋼管焊銅翅片的管板結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面噴涂黑漆，工作溫度低于100K（參見圖5），各內(nèi)表面半球發(fā)射率實(shí)測(cè)值為 0.91～0.92，均大于 0.9，熱沉最大熱負(fù)荷200kW。

圖5　熱沉溫度曲線Fig. 5 Temperature curve of the thermal shroud

為確保主容器和側(cè)容器均可獨(dú)立進(jìn)行試驗(yàn)，從而提高設(shè)備使用效率，節(jié)省試驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用，在主容器與側(cè)容器交界處設(shè)置可移動(dòng)的活動(dòng)熱沉，如圖6所示?；顒?dòng)熱沉分為左右2片，可沿環(huán)形導(dǎo)軌移動(dòng)實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉?；顒?dòng)熱沉兩面噴黑漆，采用輕便可拆卸的多層作為防輻射屏，可根據(jù)需要選擇懸掛面，從而保證活動(dòng)熱沉的使用并減少輻射漏熱。

圖6　活動(dòng)熱沉Fig. 6 The removable thermal shroud

2.3真空抽氣系統(tǒng)

KM5B真空抽氣系統(tǒng)由粗抽系統(tǒng)、分子泵系統(tǒng)、低溫泵系統(tǒng)3部分組成。系統(tǒng)組成原理見圖7。為降低產(chǎn)品污染風(fēng)險(xiǎn)，整套真空抽氣系統(tǒng)采用無油化設(shè)計(jì)理念，粗抽泵、分子泵的前級(jí)泵，低溫泵的再生泵等均采用無油干泵，并在粗抽主管路設(shè)置冷阱，在增加對(duì)水汽抽速的同時(shí)進(jìn)一步降低污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　真空系統(tǒng)組成原理Fig. 7 The principle diagram of vacuum pumping system

粗抽系統(tǒng)配有6套大抽速干泵、羅茨泵泵組，可以在2.5h內(nèi)將容器由常壓抽到5Pa，如圖8所示。分子泵系統(tǒng)配有5臺(tái)抽速3200 L/s（對(duì)氮?dú)猓┑拇艖腋》肿颖?，主要用于容器的輔助抽氣和真空檢漏。低溫泵系統(tǒng)是整個(gè)真空抽氣系統(tǒng)的主泵，采用7臺(tái)抽速50000L/s（對(duì)氮?dú)猓┑牡蜏乇?，同時(shí)配備了無油干泵用于低溫泵的再生。真空泵與容器之間采用真空氣動(dòng)插板閥實(shí)現(xiàn)通斷控制。在空載狀態(tài)下，常溫環(huán)境下16h，容器真空度可達(dá)5×10-4Pa，通液氮后容器極限真空度可達(dá)10-6Pa量級(jí)，參見圖8。

圖8　空載真空度曲線Fig. 8 The curve of pressure without load

真空度測(cè)量包括管路真空度和容器真空度，采用電阻規(guī)、皮拉尼規(guī)、冷規(guī)、裸規(guī)等多種真空計(jì)實(shí)現(xiàn)1×105～1×10-7Pa的真空度測(cè)量。

2.4氮系統(tǒng)

KM5B氮系統(tǒng)主要包括液氮系統(tǒng)、氣氮系統(tǒng)和復(fù)壓系統(tǒng)，系統(tǒng)流程見圖 9。氮系統(tǒng)配置了近 40個(gè)氣動(dòng)閥和電磁閥，以及液氮泵、壓縮機(jī)、加熱器等設(shè)備，基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)氮系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

圖9　氮系統(tǒng)流程圖Fig. 9 Flow chart of nitrogen system

液氮系統(tǒng)主要用于為熱沉提供穩(wěn)定的液氮冷源，確保熱沉溫度低于100K；另外還要給真空系統(tǒng)的低溫泵、冷阱等提供液氮。其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為260 kW，具備單相密閉循環(huán)和開式沸騰2種運(yùn)行模式。為提高可靠性、保障試驗(yàn)安全，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了多種故障情況，儲(chǔ)槽供液、液氮泵增壓、回液放空等均有備份或旁通設(shè)計(jì)。

氣氮系統(tǒng)主要用于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)熱沉加熱回溫以及熱沉烘烤除氣。利用換熱器、氮?dú)饴輻U壓縮機(jī)等實(shí)現(xiàn)密閉循環(huán)工作模式，可將熱沉從100 K加熱到333 K。同時(shí)配置1臺(tái)加熱器，用于輔助加熱及開式工作模式，確保壓縮機(jī)故障時(shí)可正常回溫。

復(fù)壓系統(tǒng)利用液氮汽化獲取氮?dú)?，通過加熱器、三級(jí)過濾器等將氮?dú)饪刂圃谝蠓秶鷥?nèi)送入容器，實(shí)現(xiàn)容器復(fù)壓。

2.5外熱流模擬系統(tǒng)

外熱流模擬系統(tǒng)（圖10）包括300臺(tái)150V/5A的程控直流電源及其控制軟件，用于為紅外加熱籠、紅外燈等外熱流模擬裝置提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的電源供應(yīng)。

針對(duì)不同試驗(yàn)需求，系統(tǒng)具備開環(huán)、閉環(huán)、跟隨以及開關(guān)等控制方式，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況的精確模擬。可提前編寫工況文件，導(dǎo)入控制軟件，通過設(shè)定工況文件列表順序及起始時(shí)間實(shí)現(xiàn)工況的自動(dòng)執(zhí)行。

圖10　外熱流模擬系統(tǒng)組成Fig. 10 The structure of thermal simulation system

為提高設(shè)備使用效率，提高通用性，該電源控制系統(tǒng)可支持多種電源型號(hào)，如 Agilent N5750A （150V，5A）、Sorensen DCS1200（150V，8A）和Sorensen DLM600（150V，4A）等，并且可以對(duì)單臺(tái)電源或是多臺(tái)電源進(jìn)行控制，還可根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電源擴(kuò)展。該系統(tǒng)曾在某型號(hào)試驗(yàn)中控制2000臺(tái)多種型號(hào)電源同時(shí)工作，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2.6中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)在試驗(yàn)過程中對(duì)KM5B的真空系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、外熱流模擬系統(tǒng)、冷卻水、氣源、罐內(nèi)照明與攝像等分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控試驗(yàn)運(yùn)行情況。

中央控制系統(tǒng)分為集中監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。集中監(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)控制層通過交換機(jī)構(gòu)成的測(cè)控局域網(wǎng)交互數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用可擴(kuò)展的多級(jí)集散式控制架構(gòu)，各分系統(tǒng)可在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的控制柜上對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，也可以在控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、本地控制無擾切換。此外，中央控制系統(tǒng)按照設(shè)備運(yùn)行條件設(shè)置邏輯互鎖保護(hù)，避免因人為誤操作而造成運(yùn)行故障。

圖11　中央控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 11 The structure of central control system

2.7其他

溫度測(cè)量系統(tǒng)包括熱沉溫度測(cè)量和產(chǎn)品溫度測(cè)量。溫度傳感器主要是熱電偶和熱電阻，測(cè)量通道2000路，且可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。

殘余氣體測(cè)量系統(tǒng)利用四極質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行氣體組分的監(jiān)測(cè)，分析真空容器內(nèi)熱沉、真空容器、輔助裝置、電纜引線等釋放出的不同氣體成分及數(shù)量，以及衛(wèi)星等試驗(yàn)件本身有機(jī)揮發(fā)材料的揮發(fā)物組分。

污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置8探頭的石英晶體微量天平實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)污染量，同時(shí)可根據(jù)需要在試驗(yàn)件周圍安裝多只光學(xué)試片，用于試驗(yàn)后污染情況分析。

3 研制特點(diǎn)

3.1組合結(jié)構(gòu)、整體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施

考慮型號(hào)大型化發(fā)展趨勢(shì)，兼顧后續(xù)型號(hào)試驗(yàn)需求，節(jié)省設(shè)備建設(shè)成本，KM5B空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備采用組合結(jié)構(gòu)、整體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施的理念，分為立式主容器，左、右側(cè)臥式容器，主容器增高段，太陽模擬器5個(gè)部分，根據(jù)型號(hào)實(shí)際需求分步實(shí)施?，F(xiàn)立式主容器和右側(cè)臥式容器部分已通過一期、二期完成建設(shè)，其余部分計(jì)劃通過三期、四期實(shí)施。KM5B現(xiàn)有容器外形及最終建成外形分別見圖12和圖13。

圖12　現(xiàn)有容器外形圖（正面）Fig. 12 The shape of the present chamber （front view）

圖13　最終建成后外形圖（背面）Fig. 13 The shape of the chamber in final completion （back view）

3.2功能多樣、適用性廣

KM5B主、側(cè)容器既可單獨(dú)使用，又可聯(lián)合使用；既能滿足常規(guī)的整星真空熱試驗(yàn)需求，又能滿足 SAR系列衛(wèi)星天線展開狀態(tài)的真空熱試驗(yàn)需求，而且側(cè)容器也可滿足大型載荷定標(biāo)及熱試驗(yàn)需求。同時(shí)，利用主、側(cè)容器同時(shí)開展雙星真空熱試驗(yàn)也具有很大的可行性，上海衛(wèi)星裝備研究所正在開展該方面的研究。

3.3開孔率大

φ10m容器兩側(cè)開φ7m孔，如此大的開孔率為KM5B在國內(nèi)同類設(shè)備中所僅有。為保證容器強(qiáng)度和穩(wěn)定性，主、側(cè)容器相貫處采用局部密集補(bǔ)強(qiáng)方案，經(jīng)有限元仿真分析對(duì)容器補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪修正，最終對(duì)真空容器抽真空進(jìn)行容器應(yīng)力及穩(wěn)定性實(shí)測(cè)，結(jié)果均滿足使用要求。

3.4可靠性高

KM5B規(guī)模大、試驗(yàn)成本高，為保障試驗(yàn)安全，提高可靠性，采用了多種措施：

1）水、電、氣等基礎(chǔ)條件，以及液氮泵、低溫泵等關(guān)鍵設(shè)備均有冗余備份；

2）真空抽氣系統(tǒng)采用無油化設(shè)計(jì)，降低返油污染產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)；

3）遠(yuǎn)程控制與本地控制之間無擾切換，一旦遠(yuǎn)程控制故障，可立即切換為本地控制；

4）真空、液氮等設(shè)備操作設(shè)置邏輯互鎖保護(hù)，避免誤操作引起故障；

5）系統(tǒng)主要參數(shù)及關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)均可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并有報(bào)警設(shè)置，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。

3.5遠(yuǎn)程集控水平高

KM5B具有較高的遠(yuǎn)程集控水平，不但實(shí)現(xiàn)了各分系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)，而且除氮系統(tǒng)少量手動(dòng)閥外，其余設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制，系統(tǒng)控制效率大幅提升。成以來，KM5B已圓滿完成了多次整星試驗(yàn)及載荷定標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，各分系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)良，真空度（普遍優(yōu)于4×10-5Pa）、熱沉溫度（穩(wěn)定在-180℃（93K）以下）等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際試驗(yàn)要求?，F(xiàn)根據(jù)型號(hào)需求，另一側(cè)容器建設(shè)申報(bào)工作已經(jīng)啟動(dòng)，建設(shè)完成后，KM5B內(nèi)部有效長(zhǎng)度將達(dá)到26m。作為我國現(xiàn)有第二大空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，KM5B的成功研制將對(duì)我國航天事業(yè)的發(fā)展起到有力的保障作用。

4 結(jié)束語

KM5B采用立式容器和臥式容器的組合結(jié)構(gòu)，整體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施，不但試驗(yàn)功能多樣、適用性廣，還可有效降低大型試驗(yàn)設(shè)備的研制成本。自建

（References）

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（編輯：馮露漪）

Development of KM5B space environmental simulation test facility

ZHANG Shiyi， CHEN Li， QI Xiaojun， PENG Guangdong， LI Hongyu， JI Xiaozhi
（Shanghai Institute of Spacecraft Equipment， Shanghai 200240， China）

To meet the test requirement of the satellites belonging to the SAST5000 satellite platform and the SAR series， a large space environmental test facility， named KM5B， is built. The KM5B facility， which includes a main erect chamber and an auxilliary horizontal chamber， can be expanded according to the requirement. This paper briefly introduces the technical specifications， the structure configuration， the key technologies of the KM5B facility， which is the second largest space environmental test facility in use in China.

space environmental simulation； ground test facility； KM5B； thermal vacuum test

V416.5； V416.8

B

1673-1379（2016）04-0434-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.017

2016-01-06；

2016-05-10

張世一（1986—），男，碩士學(xué)位，主要從事空間環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail:wqe4566@163.com。