对接综合试验台温度环境模拟分系统研制与试验验证

　　1　引　言

　　航天技术的发展改变了人类的生产活动,推动和促进了科学技术的进步。空间环境试验设备在航天器的研制过程中发挥着极其重要的作用。美国、俄罗斯、日本、法国和德国等都建有大型的空间环境试验设备[1-5]。由于空间探索的特殊性,为保证运行的可靠性和安全性,大多数的设备研发和性能试验都是在地面模拟环境中进行的,如:火箭发动机等推进器、神舟飞船等各种航天器以及近地或远地探索卫星^[6-8] 。空间对接结构是进行深度空间探索和载人航天发展的重要组成部分,随着中国国内载人航天技术的发展,对空间对接机构的理论分析和研制也取得了一定的成果^[9-10] 。为确保对接机构可靠地完成预定的任务,一方面,对接机构本身的对接试验必不可少,同时对接系统在外太空环境的运行性能必须进行严格的研究试验。为保证对接机构在空间低温和低压强环境下以其预定的性能指标进行可靠地运转,提高在空间环境中的适用性,必须建立地面模拟试验设备,通过地面模拟试验,消除隐患,以确保运行的高可靠性。地面模拟试验的精度和可靠性将直接影响着对接机构的性能确定与考核。

　　在地面模拟过程中,对接试验不但要模拟对接过程中的运动状态,而且要了解空间环境变化对空间对接机构材料和运动状态的影响,试验环境的温度和压力分布对对接过程各参数的影响直接关系到对接试验的质量^[11], 所以建立合适的空间环境模拟系统是空间对接模拟试验台的重要组成部分。

　　针对对接结构运动规律的特殊性,本研究设计的对接机构综合试验台环境模拟分系统不同于传统的空间环境模拟系统^{[6-8, 12]} ,它是基于小温差大流量原理,具有变体积的空间环境模拟系统,为保证试验过程对温度和压力要求的高精度性,在模拟分析并进行优化设计的基础上^[13] ,研制了对接机构综合试验台温度环境模拟分系统,它是一种新型的、具有针对性的空间环境模拟系统,在我国还属首创,外型照片如图1所示。

　　2　功能设计及系统原理

　　当飞行器、卫星等空间探索设备在空间环境中运行时,受太阳辐射的影响,其表面交替出现高温和低温状态。温度环境模拟分系统能够提供对接试验所需的高低温环境。将对接产品置于模拟环境,然后根据对接试验要求确定试验温度,由温控系统来实现,使升降温速率维持在1℃-5℃的范围内,避免急速温变损坏被试产品,温场内温度均匀度控制在±3℃。高温试验时,根据设定的试验温度,利用循环风机对系统中的空气进行循环,利用计算算法和循环管道温度测点的反馈,通过可控硅控制电加热器加热量。低温试验分为置换、冷却、保温和复温等阶段,为避免空气中水蒸汽凝结或结冰对对接机构的破坏,首先利用干空气对系统进行充分置换,通过检测露点,保证系统中的水蒸汽含量低于试验温度的露点温之下;然后联动控制电加热量和液氮的喷射量,使进入模拟空间低温气体的温度维持在要求的范围内,对模拟空间和被试产品进行降温;降温完成后,在试验对接阶段维持空间内温度的稳定,由于该环境模拟外围采用多层绝热柔性软罩结构,被试产品置于软罩内,随着对接过程的进行,软罩围成的空间体积不断变化,为尽可能的消除由于压力变化对对接产品的附加力,通过排风机、排风调节阀门和旁通调节阀门控制排出空间的气体量,以维持空间内压力的稳定。整个试验过程由一套基于PLC和Labview的测控系统自动完成,试验命令和试验数据能通过TCP/IP总线进行传输,从而完成与中央控制室命令和数据流的交互。对接机构综合试验台温度环境模拟分系统原理如图2所示。