王惠穎，王 濤，米輝耀，高洪如

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

1 前 言

空間環(huán)境模擬器可以模擬太空真空環(huán)境、太陽(yáng)輻照環(huán)境和冷黑環(huán)境，從而進(jìn)行整星或分系統(tǒng)熱真空試驗(yàn)[1]。冷黑環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)外流程供應(yīng)系統(tǒng)將液氮、液氦等低溫介質(zhì)輸送到真空艙內(nèi)的熱沉中，使熱沉的溫度低于10 K。本文介紹的某羽流試驗(yàn)臺(tái)采用液氮外流程、液氦外流程來(lái)供應(yīng)低溫介質(zhì)，供給熱沉、羽流吸附泵及真空系統(tǒng)使用，采用氣氮外流程在試驗(yàn)后進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)溫。

2 系統(tǒng)組成

羽流試驗(yàn)臺(tái)主要由羽流試驗(yàn)艙(真空艙)、液氮液氦熱沉、抽空系統(tǒng)、羽流吸附泵、外流程系統(tǒng)、工藝氣液路、測(cè)量控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)中使用抽空系統(tǒng)使試驗(yàn)艙內(nèi)達(dá)到預(yù)定真空度，模擬真空環(huán)境，使用外流程系統(tǒng)供應(yīng)低溫介質(zhì)模擬冷黑環(huán)境。

3 液氦外流程工作原理

液氦外流程采用開(kāi)式沸騰方式，用來(lái)為液氦熱沉及羽流吸附泵提供低溫預(yù)冷和工作時(shí)需要的液氦。主要由液氦罐、真空管路、調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)閥、安全閥、壓力傳感器、溫度傳感器等組成。在用液氮將熱沉預(yù)冷到100 K時(shí)，用氦氣置換熱沉和管路中的氮。氦氣罐內(nèi)氦氣經(jīng)減壓閥、氣動(dòng)隔離閥進(jìn)入進(jìn)氣管路，而后分4路分別進(jìn)入液氦熱沉1、液氦熱沉2、液氦大門熱沉和羽流吸附泵，打開(kāi)熱沉各路出口管路上的調(diào)節(jié)閥和總管路上的氣動(dòng)閥，將液氮和氮?dú)獯党鰺岢?，?jīng)管路后放空。

圖1 羽流試驗(yàn)艙

圖2 液氦外流程系統(tǒng)原理圖

液氦外流程采用5個(gè)液氦罐并聯(lián)供液，打開(kāi)液氦杜瓦的節(jié)流閥，通過(guò)快速接頭，液氦經(jīng)自增壓進(jìn)入外流程，打開(kāi)各路管道上的手動(dòng)閥，分4路分別進(jìn)入液氦熱沉1、液氦熱沉2、液氦大門熱沉和羽流吸附泵。通過(guò)監(jiān)控4路熱沉前后端溫度傳感器的溫度信號(hào)，調(diào)節(jié)熱沉出口端的薄膜調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)熱沉從100 K預(yù)冷至10 K，后通過(guò)總管路上的氣動(dòng)閥，將氦放空。而后系統(tǒng)開(kāi)始工作，繼續(xù)通入液氦，維持液氦熱沉和羽流吸附泵出口溫度10 K，連續(xù)工作2 h后，關(guān)閉液氦熱沉和羽流吸附泵進(jìn)口端手動(dòng)截止閥，熱沉出口處氦流經(jīng)液氦隔離閥和總管路上的氣動(dòng)閥，放空。由于每路熱沉以及羽流吸附泵的高度流阻不一樣，在同樣的入口壓力下，各路的流量有差異甚至無(wú)液氦流過(guò)。在各個(gè)流路出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各路的流量達(dá)到控制溫度的目的。此外，在4路熱沉出口端管路上安裝安全閥，保護(hù)系統(tǒng)。

4 測(cè)量控制系統(tǒng)

測(cè)量控制系統(tǒng)主要完成液氦管路上流量、壓力的測(cè)量，熱沉進(jìn)出口溫度、特征點(diǎn)溫度的測(cè)量及液氦罐狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量。測(cè)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 液氦循環(huán)系統(tǒng)測(cè)量控制系統(tǒng)

為滿足測(cè)量要求，在系統(tǒng)相應(yīng)位置，如：壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)、液位計(jì)等前端測(cè)量設(shè)備。

前端傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理模塊的濾波和隔離放大后由采集板接收。模擬采集卡采用臺(tái)灣研華PCL多功能板，設(shè)計(jì)有1 KB FIFO緩存器數(shù)據(jù)傳輸塊；16路SE模擬輸入或8路差分模擬輸入；數(shù)字量輸入輸出通道分別為16路、16路，兼容TTL/DTL；板載1路模擬量輸出以及1個(gè)8254兼容定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

閥門的開(kāi)啟、關(guān)閉由控制臺(tái)進(jìn)行單元控制。當(dāng)接通相應(yīng)閥門的單元控制開(kāi)關(guān)后，產(chǎn)生的輸出量信號(hào)送給固態(tài)繼電器控制電路的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)二位五通電磁閥的開(kāi)關(guān)控制，從而完成氣動(dòng)球閥操縱氣的控制。

5 結(jié) 論

熱沉外流程供應(yīng)系統(tǒng)包含液氮、液氦、氣氮3個(gè)外流程系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)各設(shè)備工作協(xié)調(diào)性對(duì)于環(huán)境模擬至關(guān)重要。在項(xiàng)目建設(shè)中除考慮各系統(tǒng)工藝合理性、經(jīng)濟(jì)性外，還需統(tǒng)籌考慮各系統(tǒng)間的銜接問(wèn)題。