ZM-4300光學遙感器空間環境模擬試驗設備研制

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境，并在這些環境下做充分的試驗。經驗證明：約 70%的航天器故障是由于空間環境的影響造成的[1]。故建造環境模擬與試驗設備是航天技術的一個重要組成部分。

空間光學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。在熱光學試驗中，要得出溫度值與成像效果之間的關系，以便對相機成像進行修正，進而得到清晰的照片圖像。這對試驗設備的溫控精度提出了很高的要求：10～50 ℃，設備溫控精度±1 ℃。

2）光學遙感器載荷對污染十分敏感，試驗中的超標污染將導致光學系統報廢，嚴重影響航天計劃的執行。要求設備連續24 h運行累積污染量≤2×10-8g/cm2。

3） 光學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模試驗設備，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模試驗設備[2]，設備主容器直徑φ12 m。以上這些設備大多是通用的真空熱試驗設備，專門針對光學遙感器載荷的大型真空熱試驗設備尚不多見。

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

1 設備系統組成

ZM-4300設備主要由8個分系統組成：真空容器分系統，真空抽氣分系統，熱沉分系統，液氮制冷分系統，機械制冷分系統，加熱分系統，參數測量分系統及控制管理分系統。

1.1 真空容器分系統

真空容器為臥式圓筒形，筒體內徑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的光學窗口，側面有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粗抽及預抽接口。設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。

真空室外側覆設保溫隔熱層，可以阻隔外界熱量傳入真空室，防止在常壓熱循環試驗時真空室筒體外壁結露、結霜。

1.2 真空抽氣分系統

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

圖1 真空系統抽氣原理圖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抽需要外，還用于設備檢漏抽氣及老煉去污染抽氣。粗抽系統配兩級液氮冷阱以防止油蒸氣污染。整個系統共設6只冷阱。真空容器與抽氣系統之間連接采用減振措施，粗抽管路設置波紋管減振隔震，以防振動傳至真空容器。

1.3 熱沉分系統

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

ZM-4300設備熱沉內尺寸為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構，底部熱沉、大門熱沉及活動熱沉采用豎排管式結構。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合。熱沉結構滿足了液氮和酒精共用同一熱沉流道的需要，內表面涂敷專用黑漆。熱沉可整體移出容器，方便維修；熱沉靜態漏率≤2×10-9Pa·m3/s。

1.4 液氮制冷分系統

液氮制冷分系統為熱沉、防污染板和冷阱供給穩定的液氮支持，主要由2只20 m3液氮儲槽、過冷器、穩壓增壓杜瓦、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系統，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 機械制冷分系統及加熱分系統

為了滿足設備熱真空、熱光學及熱循環試驗模式要求，設備熱沉需要在-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 ℃。設備設置了以酒精為循環傳熱介質的復疊式制冷機組和電阻絲加熱分系統。

1.5.1 機械制冷分系統

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

復疊機組一級制冷工質為R404，二級工質為R23。用R404通過中冷器冷卻R23，用R23通過蒸發器來冷卻酒精，使之溫度低于-70 ℃。

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

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

1.5.2 加熱分系統

加熱分系統在40～100 ℃溫度范圍內提供控溫手段，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成。采取分區獨立控制方式，共配置24塊同型號電源，最大功率為120 kW。

1.6 參數測量分系統

參數測量分系統具有真空度測量、污染監測、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和冷陰極規及相應的真空計；污染監測采用1臺四極質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儀表；壓力、液位及流量測量采用相應的傳感器和儀表。

1.7 控制管理分系統

控制管理分系統實現對設備工作過程控制和設備運行過程中各種數據的處理、顯示、存儲和打印等功能，包括：對真空部分進行控制和監測；對熱沉系統進行升溫、降溫以及恒溫控制及監測；對設備工作過程中的溫度、真空度以及設備工作狀態進行監測并記錄；對系統運行過程進行檢測，并給出分系統報警信號并做出相應的處理。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 設備達到的性能指標

2.1 真空度

極限真空度測量結果為1.4×10-5Pa。

2.2 熱沉溫度指標

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實現，20 ～100 ℃間通過加熱系統實現。在整個溫區設定了6個溫度點進行熱沉溫度性能測試，測試數據如表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定值間的偏差。

表1 熱沉溫控精度及溫度均勻性數據Table 1 Shroud temperature precision and uniformity

由表1數據可以看出，熱沉溫度均勻性和溫控精度達到了很好的指標，在10℃附近最佳，可以滿足空間光學遙感器熱光學試驗的精確控溫要求。

2.3 污染量

2.3.1 石英天平數據

在試驗產品進行熱平衡試驗時，采集記錄48 h數據：2008年6月10日21：44石英天平數據為4.36×10-8g/cm2，2008 年 6 月12 日 22：12石英天平數據為 7.08×10-8g/cm2。

24 h累積污染量計算結果為1.36 g/cm2。

2.3.2 四極質譜儀數據

采用四極質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，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物出現，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）

設備從驗收測試過程起，已經連續工作了5次，完成了4個產品的試驗，最長連續無故障工作45 d。

3 設備技術特點

1）設備兼具多種試驗模式，可進行熱光學、熱真空、熱平衡及熱循環等空間環模試驗。

2）應用污染綜合控制技術，從硬件配置、工藝、監測及操作等方面成功地解決了環模設備污染控制難題，實現了空間光學模擬環境的高潔凈，達到24 h累積污染量＜1.36×10-8g/cm2。

3） 實現了大尺寸熱沉精確控溫和極高的溫度均勻性，溫控精度達到±0.5 K，溫度均勻性達到±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，解決了設備多試驗模式的實現。

5）液氮流程可實現4種循環模式的運行，極大提高了設備的運行可靠性。

6）大門開啟懸吊首創卸載隔振機構，切斷外界振動經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，避免了將懸掛機構與大門脫開所帶來的安全隱患。

4 結束語

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

該設備研制成功將對我國大口徑高分辨空間光學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.航天器空間環境模擬試驗技術[M].北京： 國防工業出版社, 2002

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