張世一，陳 麗，齊曉軍，彭光東，李宏宇，紀曉志

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

KM5B空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備研制

張世一，陳 麗，齊曉軍，彭光東，李宏宇，紀曉志

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

為滿足SAST5000平臺衛(wèi)星及SAR系列衛(wèi)星整星真空熱試驗需求，研制成一套大型空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備 KM5B。該設(shè)備采用整體設(shè)計、分步實施理念，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)需要對其進行擴展。文章概要介紹了該試驗設(shè)備的技術(shù)指標、系統(tǒng)組成、研制特點等。KM5B是我國已建成投入使用的第二大空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備。

空間環(huán)境模擬；地面試驗設(shè)備；KM5B；真空熱試驗

0 引言

空間環(huán)境模擬試驗設(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、分系統(tǒng)級大型部組件的真空熱試驗［1-2］。

為滿足SAST5000平臺衛(wèi)星及SAR系列衛(wèi)星整星真空熱試驗需求，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)境模擬試驗設(shè)備KM5B。該設(shè)備采用整體設(shè)計、分步實施的理念，現(xiàn)1個立式主容器和1個臥式側(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、遠程集控水平高等特點［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)級真空熱試驗及載荷定標試驗，系統(tǒng)狀態(tài)優(yōu)良。本文對該設(shè)備的研制方案及特點進行總結(jié)。

1 主要設(shè)計指標

根據(jù)現(xiàn)有型號試驗指標要求，并適當兼顧后續(xù)型號需要，經(jīng)過多輪論證，確定KM5B設(shè)備主要設(shè)計指標如表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)品及大型工裝進出，頂部大門通過廠房行車起吊實現(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，由電機驅(qū)動，打開角度最大135°。KM5B實物照片見圖2。

圖2　KM5B實物Fig. 2 The photo of KM5B

KM5B容器強度（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)射率實測值為 0.91～0.92，均大于 0.9，熱沉最大熱負荷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)容器均可獨立進行試驗，從而提高設(shè)備使用效率，節(jié)省試驗運行費用，在主容器與側(cè)容器交界處設(shè)置可移動的活動熱沉，如圖6所示?；顒訜岢练譃樽笥?片，可沿環(huán)形導(dǎo)軌移動實現(xiàn)打開和關(guān)閉?；顒訜岢羶擅鎳姾谄?，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，從而保證活動熱沉的使用并減少輻射漏熱。

圖6　活動熱沉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)品污染風險，整套真空抽氣系統(tǒng)采用無油化設(shè)計理念，粗抽泵、分子泵的前級泵，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，在增加對水汽抽速的同時進一步降低污染風險。

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臺抽速3200 L/s（對氮氣）的磁懸浮分子泵，主要用于容器的輔助抽氣和真空檢漏。低溫泵系統(tǒng)是整個真空抽氣系統(tǒng)的主泵，采用7臺抽速50000L/s（對氮氣）的低溫泵，同時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插板閥實現(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5×10-4Pa，通液氮后容器極限真空度可達10-6Pa量級，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)等多種真空計實現(xiàn)1×105～1×10-7Pa的真空度測量。

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個氣動閥和電磁閥，以及液氮泵、壓縮機、加熱器等設(shè)備，基本實現(xiàn)了整個氮系統(tǒng)的遠程控制。

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)計熱負荷為260 kW，具備單相密閉循環(huán)和開式沸騰2種運行模式。為提高可靠性、保障試驗安全，設(shè)計時考慮了多種故障情況，儲槽供液、液氮泵增壓、回液放空等均有備份或旁通設(shè)計。

氣氮系統(tǒng)主要用于試驗結(jié)束時熱沉加熱回溫以及熱沉烘烤除氣。利用換熱器、氮氣螺桿壓縮機等實現(xiàn)密閉循環(huán)工作模式，可將熱沉從100 K加熱到333 K。同時配置1臺加熱器，用于輔助加熱及開式工作模式，確保壓縮機故障時可正?；販亍?/p>

復(fù)壓系統(tǒng)利用液氮汽化獲取氮氣，通過加熱器、三級過濾器等將氮氣控制在要求范圍內(nèi)送入容器，實現(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)定準確的電源供應(yīng)。

針對不同試驗需求，系統(tǒng)具備開環(huán)、閉環(huán)、跟隨以及開關(guān)等控制方式，可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況的精確模擬?？商崆熬帉懝r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間實現(xiàn)工況的自動執(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，如 Agilent N5750A （150V，5A）、Sorensen DCS1200（150V，8A）和Sorensen DLM600（150V，4A）等，并且可以對單臺電源或是多臺電源進行控制，還可根據(jù)需要對系統(tǒng)進行電源擴展。該系統(tǒng)曾在某型號試驗中控制2000臺多種型號電源同時工作，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2.6中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)負責在試驗過程中對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)備進行遠程集中監(jiān)控，對試驗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)實時可視化監(jiān)控試驗運行情況。

中央控制系統(tǒng)分為集中監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。集中監(jiān)控層與現(xiàn)場控制層通過交換機構(gòu)成的測控局域網(wǎng)交互數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用可擴展的多級集散式控制架構(gòu)，各分系統(tǒng)可在設(shè)備現(xiàn)場的控制柜上對分系統(tǒng)進行獨立控制，也可以在控制室內(nèi)的計算機上進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)遠程、本地控制無擾切換。此外，中央控制系統(tǒng)按照設(shè)備運行條件設(shè)置邏輯互鎖保護，避免因人為誤操作而造成運行故障。

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

2.7其他

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

殘余氣體測量系統(tǒng)利用四極質(zhì)譜計進行氣體組分的監(jiān)測，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)星等試驗件本身有機揮發(fā)材料的揮發(fā)物組分。

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

3 研制特點

3.1組合結(jié)構(gòu)、整體設(shè)計、分步實施

考慮型號大型化發(fā)展趨勢，兼顧后續(xù)型號試驗需求，節(jié)省設(shè)備建設(shè)成本，KM5B空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備采用組合結(jié)構(gòu)、整體設(shè)計、分步實施的理念，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個部分，根據(jù)型號實際需求分步實施?，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)，其余部分計劃通過三期、四期實施。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)容器既可單獨使用，又可聯(lián)合使用；既能滿足常規(guī)的整星真空熱試驗需求，又能滿足 SAR系列衛(wèi)星天線展開狀態(tài)的真空熱試驗需求，而且側(cè)容器也可滿足大型載荷定標及熱試驗需求。同時，利用主、側(cè)容器同時開展雙星真空熱試驗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。為保證容器強度和穩(wěn)定性，主、側(cè)容器相貫處采用局部密集補強方案，經(jīng)有限元仿真分析對容器補強結(jié)構(gòu)進行多輪修正，最終對真空容器抽真空進行容器應(yīng)力及穩(wěn)定性實測，結(jié)果均滿足使用要求。

3.4可靠性高

KM5B規(guī)模大、試驗成本高，為保障試驗安全，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，降低返油污染產(chǎn)品風險；

3）遠程控制與本地控制之間無擾切換，一旦遠程控制故障，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，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)均可遠程監(jiān)測，并有報警設(shè)置，確保及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。

3.5遠程集控水平高

KM5B具有較高的遠程集控水平，不但實現(xiàn)了各分系統(tǒng)參數(shù)的遠程集中監(jiān)測，而且除氮系統(tǒng)少量手動閥外，其余設(shè)備均實現(xiàn)了遠程集中控制，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及載荷定標試驗。試驗期間，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）等各項指標均滿足設(shè)計指標和實際試驗要求?，F(xiàn)根據(jù)型號需求，另一側(cè)容器建設(shè)申報工作已經(jīng)啟動，建設(shè)完成后，KM5B內(nèi)部有效長度將達到26m。作為我國現(xiàn)有第二大空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備，KM5B的成功研制將對我國航天事業(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、分步實施，不但試驗功能多樣、適用性廣，還可有效降低大型試驗設(shè)備的研制成本。自建

（References）

［1］ 黃本誠， 童靖宇. 空間環(huán)境工程學(xué)［M］. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社， 2010

［2］ 達道安. 真空設(shè)計手冊［M］. 北京:國防工業(yè)出版社， 2006

［3］ 彭光東， 齊曉軍， 陳麗. KM5A空間環(huán)模試驗設(shè)備研制［J］.航天器環(huán)境工程， 2010， 27（4）:485-488 PENG G D， QI X J， CHEN L. Development of KM5A space environmental simulation test facility［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2010， 27（4）:485-488

［4］ 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 HUANG B C. Space environment test facility for manned spacecraft［J］. Chinese Space Science and Technology， 2002， 22（3）:1-5

［5］ 黃本誠. 神舟飛船特大型空間環(huán)境模擬器［J］. 航空制造技術(shù)， 2005（11）:34-37

［6］ 景加榮， 姜健， 陳劍霞. 紅外及微波定標試驗用空間環(huán)模設(shè)備研制［J］. 航天器環(huán)境工程， 2012， 29（1）:104-107 JING J R， JIANG J， CHEN J X. Design of space environmental simulation facility for calibration of microwave and infrared instruments［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2012， 29（1）:104-107

［7］ 鄭保熹. 星載遙感器在模擬空間環(huán)境中輻射定標設(shè)備研制［J］. 航天器環(huán)境工程， 2001， 18（3）:1-14 ZHENG B X. Development of radiometric calibration facility of space-borne remote sensor in simulated space environment［J］. Spacecraft Environment Engineering，2001， 18（3）:1-14

［8］ 徐冰， 馬龍， 鄭興林. 月球著陸環(huán)境模擬試驗裝置的研制［J］. 航天器環(huán)境工程， 2013， 30（1）:82-86 XU B， MA L， ZHENG X L. Development of lunar landing environment simulation test equipment［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2013， 30（1）:82-86

（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)境模擬試驗技術(shù)研究。E-mail:wqe4566@163.com。