2.9,2.10液氮与气氮系统设计

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1、第2-9节空间环境模拟器液氮系统设计黄本诚1概述空间冷黑环境模拟技术是随着空间技术的发展，在空间模拟器的研制中由低温技术而派生出的一门技术。宇宙空间是一个温度约为3K、吸收系数为1的冷黑空间，在这个环境中运行的航天器发出的热量将会被完全吸收，不再返回，因此被称为冷黑环境。要在地面上精确模拟空间的冷黑环境是不必要的，也是成本所不允许的。理论分析和实践证明，选取适当的模拟参数不仅在经济上是可行的，而且能把模拟误差控制在允许的范围内。根据热模拟误差的理论分析，在空间模拟器中，用铝、紫铜或不锈钢等材料制成的管板结构，尺寸约为航天器的2

2、倍，管内通液氮，内表面涂以高吸收率的黑漆（这种结构被称为热沉），来模拟空间的冷黑环境，温度为100K，而不是空间真实的温度3K所引起的模拟误差仅为1%左右。因此各国的空间模拟器中的低温环境的模拟均采用较为经济的液氮为工质使热沉的温度保持在低于100K来模拟空间的冷黑环境。2液氮制冷技术2.1液氮液氮是无色、无味、无毒、透明的液体，空气中的含量很高，达到78%，很容易从空气中分离出来成为液体，且流动性能好，价格相对便宜。液氮的沸点为77.35K，密度约为0.8g/cm3，气化后可直接排入空气中。氮气，在标准状态下的密度为1.25

3、2kg/m3。因此液氮是空间环境模拟器热沉获得低于100K温度的一种很好的制冷工质。2.2液氮制冷原理过几十年空间环境模拟器研制技术的发展,液氮制冷技术已经比较成熟,根据工作原理的不同,主要形成如下几种方案。2.2.1开式沸腾系统原理图如图1所示，该系统是利用液氮的汽化潜热使模拟室内热沉的温度保持在低于100K，主要由液氮贮槽、热沉及管道、阀门组成，液氮的供给一般是靠液氮贮槽自增压方法或抬高液氮贮槽的液位，进入热沉内的液氮吸收热量，部分气化并被直接排入大气。优点：系统原理简单，投资少，无低温下运动机械设备、食用安全可靠、维修方

4、便。是空间模拟器最早使用的设计方案，一般较适用于中小设备。我国的KM2空间模拟器，直径为2m，长3.2m，其低温环境模拟系统（也称液氮系统）就是采用的该设计方案，其热沉的温度可很好地保持在低于100K。缺点：在多路热沉中液氮难以合理分配、液氮消耗量大、在热沉中2.2.2带压节流循环系统原理图如图2所示，该系统主要由液氮泵、热沉、液氮贮槽组成，工作原理是系统中液氮的压力既要克服液氮在循环中的管道流阻和静压头、要使液氮处于过冷状态，这是一种由泵增压，强迫流动的开式沸腾系统。优点：液氮流量可根据热负荷大小控制，热沉设计不受重力和位置

5、的限制。图2带压节流液氮系统原理图2.2.3单相密闭循环系统原理图如图3a、3b、3c所示，该系统主要由液氮泵、过冷器、带压杜瓦（或文丘利管、或压力调节容器）及热沉组成。该系统的工作原理是通过液氮泵将过冷状态下的液氮送入热沉，使热沉的温度保持在低于100K，从热沉返回的液氮，经过冷器重新冷却后，供给液氮泵，形成单相密闭循环。该系统液氮循环压力高，流量可根据实际需要进行调节，过冷度大，安全可靠，因此可以承受较大的热负荷，目前较多的大型空间模拟器采用了该设计方案，取得了较好的效果，其缺点是液氮泵电机的功率约40%转化为热量，热损大

6、另外也使系统的设备增多、管道复杂，冷损大，阻力大，系统液氮的消耗量增大，增加了试验的成本。图3aKM3、KM4设备液氮系统原理图图3b日本筑波宇宙中心设备带调压容器的单相密闭循环系统原理图图3c美国12.2的设备带有文丘利管的单相密闭循环系统原理图2.2.4重力自循环系统原理图如图4所示，重力式自循环系统是利用了热沉内的液氮吸收热量而部分汽化，使密度减小，从而在U型结构的两端产生压力差，使液氮在压力差的作用下进行自循环，来保持热沉的温度低于100K。图4俄罗斯17.5的设备重力式自循环液氮系统原理图2.3设计计算基本方法与步骤

7、对于空间环境模拟器液氮制冷系统的设计，主要需要进行如下设计计算工作，首先要确定系统设计输入条件，主要包括制冷量也称为系统的热负荷等；第二，根据所需制冷量等输入条件选择液氮制冷系统方案；第三，对选择的制冷系统的流量、压力、温度等参数进行计算，确定系统运行参数及各设备的技术指标；第四，主要设备的设计选型。2.3.1设计参数由于液氮制冷系统主要是为了保证热沉的温度低于100K，因此，设计的输入条件一般包括系统制冷量也称热负荷、液氮进入热沉时的温度、液氮的压力。2.3.2液氮制冷系统方案选择去选择一种合理的液氮制冷系统方案。一般小型空

8、间环境模拟器（如直径在2米以内）选择开式沸腾或重力自循环系统方案较合理；中型空间环境模拟器（如直径在2m到3m）选择带压节流循环系统方案较合理；大型空间环境模拟器（如直径大于3m）选择单项密闭循环系统方案较合理。2.3.3系统主要参数计算系统液氮消耗量计算：对于上述各种液氮制