專利名稱：一種水升華器性能測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及航天器熱控技術領域，具體涉及一種水升華器性能測試系統(tǒng)。
背景技術：
水升華器是一種利用工質(zhì)的升華原理進行工作的熱控裝置，它通過使一種消耗性介質(zhì)發(fā)生相變并最終將其排放至外太空的過程將航天器廢熱帶走，從而實現(xiàn)航天器熱控系統(tǒng)的熱排散。它結(jié)構簡單、體積小、重量輕，是航天器不足以提供足夠的散熱面、或其它熱控措施不能發(fā)揮作用時必不可少的熱控措施。曾經(jīng)在國外的航天器熱控系統(tǒng)，尤其是航天員 出艙活動單元(EMU)生保系統(tǒng)(PLSS)的熱控中發(fā)揮了重大作用，并且仍是目前的宇航服必不可少的組成部分之一。隨著我國探月活動及深空探測工作的逐步開展，水升華器熱控技術已成為我國未來航天器熱控中必不可少和必須突破的熱控手段之一。在水升華器研制初期，一套可以對水升華器的工作環(huán)境進行全面模擬、對其性能進行全面監(jiān)測的水升華器性能測試系統(tǒng)和水升華器本身同樣重要。由于水升華器只能在真空環(huán)境下工作，而且伴隨有消耗性工質(zhì)的排放，因此水升華器性能測試系統(tǒng)必須滿足如下幾方面的條件(I)能夠在有連續(xù)工質(zhì)排放的環(huán)境下，模擬并維持水升華器工作的真空環(huán)境，并滿足一定的真空度要求；(2)具備模擬水升華器不同變化規(guī)律的熱負荷的能力；(3)可以模擬水升華器安裝姿態(tài)的變化；(4)具備溫度、壓力、流量、質(zhì)量控制功能，并可以對溫度、壓力、流量、質(zhì)量等多項試驗數(shù)據(jù)進行實時在線監(jiān)測與處理。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種水升華器性能測試系統(tǒng)，能夠解決水升華器地面性能測試試驗中水升華器真空工作環(huán)境模擬及維持、熱負荷加載模擬、水蒸汽捕獲、水升華器安裝姿態(tài)模擬及測試數(shù)據(jù)采集的技術難題。本發(fā)明的一種水升華器性能測試系統(tǒng)，包括透明玻璃罩真空罐、不銹鋼真空罐、真空機組、儲箱、壓力測量裝置、溫度測量裝置、流量測量裝置、質(zhì)量測量裝置、功率加載裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、程控電源、壓力調(diào)節(jié)裝置、高速攝像系統(tǒng)、液氮冷阱和安裝平臺；其中，所述質(zhì)量測量裝置用于在試驗前、后測量水升華器各部件的質(zhì)量，得到各部件試驗前、后的質(zhì)量差；質(zhì)量測量裝置還用于測量儲箱在水升華器試驗前、后的儲水量；所述安裝平臺有兩個，分別置于透明玻璃罩真空罐和不銹鋼真空罐中，用于固定水升華器，并可以通過改變水升華器安裝面的安裝角度來模擬水升華器在航天器不同姿態(tài)時所處于的不同角度；所述透明玻璃罩真空罐和不銹鋼真空罐用于在試驗中模擬水升華器工作的真空環(huán)境；當透明玻璃罩真空罐不能容納被測試的水升華器時，由不銹鋼真空罐容納水升華器進行測試；不銹鋼真空罐的兩端帶有對稱的觀察窗，其視野能夠覆蓋整個安裝平臺，使工作人員通過該觀察窗觀察水升華器的工作狀態(tài)；
所述真空機組用于對分別通過隔離閥與其相連通的透明玻璃罩真空罐和不銹鋼真空罐抽真空，模擬太空的真空度，為水升華器試驗提供真空環(huán)境；所述功率加熱裝置可對儲箱和水升華器底板進行加熱，分別用于模擬航天器中的水升華器工質(zhì)的溫度變化以及航天器熱控系統(tǒng)的溫度變化；功率加熱裝置的輸出功率由與其相連的程控電源控制；所述儲箱為水升華器的工質(zhì)存儲裝置，用于在水升華器工作時，為水升華器提供所需的工質(zhì)；儲箱的出水口依次串聯(lián)壓力調(diào)節(jié)裝置、一個隔離閥和流量測量裝置后分成兩路，其中一路串接一個隔離閥后與透明玻璃罩真空罐內(nèi)的水升華器的進水口相連通，另一路串接一個隔離閥后通過密封口接到不銹鋼真空罐中，與不銹鋼真空罐內(nèi)的水升華器的進水口相連通；其中的壓力調(diào)節(jié)裝置用于根據(jù)不同水升華器的需要對儲箱向水升華器輸出工質(zhì)的壓力進行調(diào)節(jié)；其中的流量質(zhì)量裝置用于實時測量并記錄儲箱為水升華器的供水質(zhì)量流量；
所述溫度測量裝置包括三個溫度測試端，其中的一個測試端用于對儲箱中的工質(zhì)溫度和儲箱上的功率加載裝置溫度進行測試，另外兩個測量端分別通過穿墻插頭連接到透明玻璃罩真空罐和不銹鋼真空罐中對其中測試對象的溫度進行測試，溫度測量裝置將測得的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸回與其連接的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；所述壓力測量裝置的兩個測量端分別對透明玻璃罩真空罐和不銹鋼真空罐的真空度進行測量，并將測量值輸出至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；所述液氮冷阱有兩個，分別置于真空機組和透明玻璃罩真空罐、真空機組和不銹鋼真空罐之間的管路上，用于對從透明玻璃罩真空罐或不銹鋼真空罐排出的蒸汽進行冷凝，輔助真空機組維持兩者的真空度；所述高速攝像系統(tǒng)布置在透明玻璃罩真空罐或不銹鋼真空罐內(nèi)部，用于對水升華器的正常工作狀態(tài)和失效后的實驗現(xiàn)象進行監(jiān)測；所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對采集到的水升華器不同工作模式對應的壓力、工質(zhì)流量和溫度進行采集并存儲，用于對水升華器工作性能進行分析。本發(fā)明的一種水升華器測試系統(tǒng)具有如下有益效果(I)本發(fā)明突破了國內(nèi)航天器熱控系統(tǒng)用水升華器地面性能測試技術，滿足了水升華器研制過程中開展工作性能測試與實驗的需求，為水升華器的研制提供了必不可少的技術保障；(2)本發(fā)明所采用的可視化真空罐設計，可以對被測試的水升華器進行360度觀測，為實時觀察和記錄實驗現(xiàn)象提供了便利；(3)本發(fā)明兩組真空室中所采用的可旋轉(zhuǎn)水升華器安裝平臺，可以模擬水升華器的不同安裝姿態(tài)，為獲得不同姿態(tài)下水升華器的工作性能提供了技術保障；(4)本發(fā)明所采用真空泵組和液氮冷阱相結(jié)合的真空獲得技術，大大降低了有水蒸汽排放的環(huán)境中真空泵組的工作負荷，提高了水升華器真空工作環(huán)境的獲得效率；(5)本發(fā)明水升華器性能測試系統(tǒng)中的高速攝像系統(tǒng)可以對水升華器的工作狀態(tài)或失效過程進行實時監(jiān)測，可以方便對水升華器的工作過程進行記錄和觀察。


圖I為本發(fā)明的一種水升華器的原理圖。其中，101-不銹鋼真空罐，102-透明玻璃罩真空罐；2_真空機組；3-儲箱；401_溫度測量裝置，402-壓力測量裝置，403-流量測量裝置；5_質(zhì)量測量裝置；6_功率加載裝置；7-數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；9_程控電源組；10_壓力調(diào)節(jié)裝置；11_高速攝像系統(tǒng)；12_液氮冷阱。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。本發(fā)明提供了一種水升華器性能測試系統(tǒng)，包括小型真空室、真空機組2、儲箱3、 壓力測量裝置402、溫度測量裝置401和流量測量裝置403、質(zhì)量測量裝置5、功率加載裝置6、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7、程控電源組9、壓力調(diào)節(jié)裝置10、高速攝像系統(tǒng)11、液氮冷阱12和安裝平臺；其中，小型真空室包括不銹鋼真空罐101和透明玻璃罩真空罐102，用于在試驗中模擬水升華器工作的真空環(huán)境。透明玻璃罩真空罐102用于進行水升華器的可視化試驗研究，便于全方位地觀察試驗現(xiàn)象；當透明玻璃罩真空罐102不能容納被測試的水升華器時，由不銹鋼真空罐101容納水升華器進行測試；所述不銹鋼真空罐101的兩端帶有對稱的觀察窗，其視野能夠覆蓋整個安裝平臺；儲箱3為水升華器的工質(zhì)存儲裝置，用于在水升華器工作時，為水升華器提供所需的水工質(zhì)；質(zhì)量測量裝置5用于在試驗前、后測量水升華器部件的質(zhì)量，得到試驗前、后的質(zhì)量差；質(zhì)量測量裝置5還用于測量儲箱3的儲水量、儲箱3的剩余水量，由此得到儲水減少量，用于計算水升華器的實際耗水量和散熱功率；儲箱3的出水口依次串聯(lián)壓力調(diào)節(jié)裝置10、一個隔離閥和流量測量裝置403后分成兩路，一路串接一個隔離閥后與透明玻璃罩真空罐102內(nèi)的水升華器的進水口相連通，另一路串接一個隔離閥后通過密封口接到不銹鋼真空罐101中，當水升華器置于不銹鋼真空罐101進行試驗時，對其進行供水；其中的壓力調(diào)節(jié)裝置10用于根據(jù)不同水升華器的需要對儲箱3向水升華器輸出工質(zhì)的壓力進行調(diào)節(jié)；流量質(zhì)量裝置用于實時測量并記錄儲箱3為水升華器的供水質(zhì)量流量，用于試驗結(jié)束后對水升華器的水利用效率進行分析，以及試驗過程中用于實時觀測水升華器工質(zhì)的消耗情況。真空機組2用于分別通過隔離閥與其相連通的透明玻璃罩真空罐102和不銹鋼真空罐101抽真空，模擬太空的真空度；溫度測量裝置401包括三個溫度測試端，其中的一個測試端對儲箱3中的工質(zhì)溫度和儲箱(3)上的功率加載裝置溫度進行測試，另外兩個測量端分別通過穿墻插頭連接到透明玻璃罩真空罐102和不銹鋼真空罐101中，對其中測試對象的溫度進行測試，溫度測量裝置401將測得的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸回與其連接的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；壓力測量裝置402的兩個測量端分別對透明玻璃罩真空罐102和不銹鋼真空罐101的真空度進行測量，并將測量值輸出至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7 ;功率加熱裝置對儲箱3和水升華器底板進行加熱，分別用于模擬航天器中的水升華器工質(zhì)的溫度變化以及航天器熱控系統(tǒng)的溫度變化；功率加熱裝置的輸出功率由與其相連的程控電源9控制；
安裝平臺有兩個，分別置于透明玻璃罩真空罐102和不銹鋼真空罐101中，用于固定水升華器，并通過改變水升華器安裝面的傾斜角度來模擬水升華器在航天器不同姿態(tài)時所處于的不同角度；液氮冷阱12置于真空機組2的工作入口處，用于對從透明玻璃罩真空罐102或不銹鋼真空罐101排出的蒸汽進行冷凝，輔助真空機組2維持兩者的真空度；高速攝像機布置在透明玻璃罩真空罐102或不銹鋼真空罐101內(nèi)部，用于對水升華器的正常工作狀態(tài)和失效后的實驗現(xiàn)象進行監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7對采集到的水升華器不同工作模式對應的壓力和溫度進行采集并存儲，用于對水升華器工作性能進行分析。進行水升華器試驗前，將水升華器的組件分別使用質(zhì)量測量裝置5進行測量，記錄每個組件的質(zhì)量。然后在超凈室內(nèi)對水升華器進行組裝，并固定在真空室內(nèi)進行相應的 測試試驗。試驗結(jié)束后，將水升華器的組件分別拆開，再對其組件質(zhì)量分別測量一次，得到各個組件在試驗前后的質(zhì)量差值，由此可分析得到各個組件在試驗過程中是否生成多余物質(zhì)或者是否發(fā)生腐蝕。進行水升華器試驗時，將溫度測量裝置401中的熱電偶分別布置在水升華器的底板和儲箱3上；根據(jù)被測對象水升華器的大小及不同的試驗需求，將被測試對象水升華器固定于透明玻璃罩真空罐102或常規(guī)的不銹鋼真空罐101中。對水升華器所在的真空罐進行密封，開啟真空機組2對真空室進行抽真空，并維持一定的輸出壓力。控制程控電源9開啟功率加載裝置6，對水升華器底板和儲箱3的溫度進行調(diào)控，當壓力測量裝置402顯示的真空罐內(nèi)壓力和溫度以及儲箱3中的溫度滿足試驗要求后，開啟儲箱3的閥門為水升華器供水，供水的質(zhì)量流量由流量測量裝置進行實時測量并記錄。水升華器工作過程中的溫度數(shù)據(jù)將由溫度測量裝置401進行實時監(jiān)測并記錄，水升華器工作過程中排放至真空罐內(nèi)的水蒸氣通過液氮冷阱12時被部分冷凝，未被冷凝的部分水蒸氣由真空機組2抽出，由此可以使真空罐維持一定的壓力。在試驗過程中，高速攝像機對升華器的正常工作狀態(tài)和失效后的實驗現(xiàn)象進行監(jiān)測。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種水升華器性能測試系統(tǒng)，其特征在于，包括透明玻璃罩真空罐(102)、不銹鋼真空罐(101)、真空機組(2)、儲箱(3)、壓力測量裝置(402)、溫度測量裝置(401)、流量測量裝置(403)、質(zhì)量測量裝置(5)、功率加載裝置(6)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(7)、程控電源(9)、壓力調(diào)節(jié)裝置(10)、高速攝像系統(tǒng)(11)、液氮冷阱(12)和安裝平臺； 其中，所述質(zhì)量測量裝置(5)用于在試驗前、后測量水升華器各部件的質(zhì)量，得到各部件試驗前、后的質(zhì)量差；質(zhì)量測量裝置(5)還用于測量儲箱(3)在水升華器試驗前、后的儲水量; 所述安裝平臺有兩個，分別置于透明玻璃罩真空罐(102)和不銹鋼真空罐(101)中，用于固定水升華器，并可以通過改變水升華器安裝面的安裝角度來模擬水升華器在航天器不同姿態(tài)時所處于的不同角度； 所述透明玻璃罩真空罐(102)和不銹鋼真空罐(101)用于在試驗中模擬水升華器工作的真空環(huán)境；當透明玻璃罩真空罐(102)不能容納被測試的水升華器時，由不銹鋼真空罐(101)容納水升華器進行測試；不銹鋼真空罐(101)的兩端帶有對稱的觀察窗，其視野能夠覆蓋整個安裝平臺，使工作人員通過該觀察窗觀察水升華器的工作狀態(tài)； 所述真空機組(2)用于對分別通過隔離閥與其相連通的透明玻璃罩真空罐(102)和不銹鋼真空罐(101)抽真空，模擬太空的真空度，為水升華器試驗提供真空環(huán)境； 所述功率加熱裝置可對儲箱(3)和水升華器底板進行加熱，分別用于模擬航天器中的水升華器工質(zhì)的溫度變化以及航天器熱控系統(tǒng)的溫度變化；功率加熱裝置的輸出功率由與其相連的程控電源(9)控制； 所述儲箱(3)為水升華器的工質(zhì)存儲裝置，用于在水升華器工作時，為水升華器提供所需的工質(zhì)；儲箱(3)的出水口依次串聯(lián)壓力調(diào)節(jié)裝置(10)、一個隔離閥和流量測量裝置后分成兩路，其中一路串接一個隔離閥后與透明玻璃罩真空罐(102)內(nèi)的水升華器的進水口相連通，另一路串接一個隔離閥后通過密封口接到不銹鋼真空罐(101)中，與不銹鋼真空罐(101)內(nèi)的水升華器的進水口相連通；其中的壓力調(diào)節(jié)裝置(10)用于根據(jù)不同水升華器的需要對儲箱(3)向水升華器輸出工質(zhì)的壓力進行調(diào)節(jié)；其中的流量質(zhì)量裝置用于實時測量并記錄儲箱(3)為水升華器的供水質(zhì)量流量； 所述溫度測量裝置(401)包括三個溫度測試端，其中的一個測試端用于對儲箱(3)中的工質(zhì)溫度和儲箱(3)上的功率加載裝置溫度進行測試，另外兩個測量端分別通過穿墻插頭連接到透明玻璃罩真空罐(102)和不銹鋼真空罐(101)中對其中測試對象的溫度進行測試，溫度測量裝置(401)將測得的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸回與其連接的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)；所述壓力測量裝置(402)的兩個測量端分別對透明玻璃罩真空罐(102)和不銹鋼真空罐(101)的真空度進行測量，并將測量值輸出至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(7)； 所述液氮冷阱(12)有兩個，分別置于真空機組(2)和透明玻璃罩真空罐(102)、真空機組(2)和不銹鋼真空罐(101)之間的管路上，用于對從透明玻璃罩真空罐(102)或不銹鋼真空罐(101)排出的蒸汽進行冷凝，輔助真空機組(2)維持兩者的真空度； 所述高速攝像系統(tǒng)(11)布置在透明玻璃罩真空罐(102)或不銹鋼真空罐(101)內(nèi)部，用于對水升華器的正常工作狀態(tài)和失效后的實驗現(xiàn)象進行監(jiān)測； 所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(7)對采集到的水升華器不同工作模式對應的壓力、工質(zhì)流量和溫度進行采集并存儲，用于對水升華器工作性能進行分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水升華器性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括透明玻璃罩真空罐、不銹鋼真空罐、真空機組、儲箱、壓力測量裝置、溫度測量裝置、流量測量裝置、質(zhì)量測量裝置、功率加載裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、程控電源、壓力調(diào)節(jié)裝置、高速攝像系統(tǒng)、液氮冷阱和安裝平臺，本發(fā)明的系統(tǒng)突破了國內(nèi)航天器熱控系統(tǒng)用水升華器地面性能測試技術，滿足了水升華器研制過程中開展工作性能測試與實驗的需求，為水升華器的研制提供了必不可少的技術保障；本發(fā)明兩組真空室中所采用的可旋轉(zhuǎn)水升華器安裝平臺，可以模擬水升華器的不同安裝姿態(tài)，為獲得不同姿態(tài)下水升華器的工作性能提供了技術保障。
文檔編號G01C11/00GK102967479SQ20121045282
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2012年11月13日
發(fā)明者王玉瑩, 寧獻文, 苗建印, 呂巍, 宗文波, 蔣凡 申請人:北京空間飛行器總體設計部