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《KM1型空间辐射制冷器环境模拟设备研制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、2000年第4期低温工程No142000总第116期CRYOGENICSSumNo1116KM1型空间辐射制冷器环境X模拟设备研制陆燕逄伟王少臣马吉祥(兰州物理研究所兰州市730000)摘要研制了一台空间辐射制冷器热模拟试验专用的清洁无油环境模拟设备。着重论述了其主要结构、性能指标及设计思路和原理,给出了辐射制冷器热模拟试验结果和在轨测试结果。主题词环境模拟辐射制冷热模拟试验低温泵1引言宇宙空间是个冷黑和真空环境,其温度低于4K,吸收率为1,能100%吸收来自航天器各表面的辐射。空间辐射制冷器就是利用这样的环境通过自身的特
2、殊结构,将其内部的热量由黑体辐射板辐射给空间,同时尽可能减少接受到的航天器和轨道的寄生热载,从而达到被动制冷的目的。辐射制冷器具有重量轻、无运动部件、寿命长、无振动、极少消耗航天器宝贵能源等突出优点,是卫星红外遥感系统首选的制冷手段。为保证辐射制冷器在轨工作性能,在地面要做大量的试验,其中最重要的是热模拟试验,检测辐射制冷器的热性能以验证其设计的正确性、工艺的合理性和机构的可靠性。空间辐射制冷器自60年代开始发展至今,其热模拟试验都在中大型的空间环境模拟设备中进行,模拟冷黑背景采用氦流程或氖流程,其优点是冷背景的制冷量大,
3、但运转费用十分昂贵,并且系统操作复杂。我所1982年开始W型辐射制冷器预研,首次提出以小型低温制冷机为冷背景冷源的技[1]术设想,在<500的小型环境模拟设备中得以实现。根据辐射制冷器研制要求,<500环境模拟设备不但真空室的容积和冷背景的冷量不能满足试验要求,而且还存在结构上的不足,为此在技术条件成熟的基础上,又研制了一台适应今后辐射制冷器发展需要的直径为<1000的KM1型环境模拟设备,其主要特点是清洁无油、操作简便、运转费用低廉。2性能指标空间辐射制冷器环境模拟设备的性能指标,主要是根据辐射制冷器的轨道冷黑真空环境X
4、本文于2000年6月11日收到。陆燕,女,35岁,高级工程师。8低温工程2000年[1,2]和热模拟试验要求,经热模拟试验误差理论分析和热分析后提出的。211系统真空度确定根据真空模拟腔内两个温度不等的表面之间存在残余气体导热的原理,真空室的压力抽到某一极限时,气体在换热表面之间传导的热量可以忽略不计。在低压下(一般在113@-110Pa以下),气体的平均分子自由程比结构尺寸要大,表面之间单位面积上气体传导的功率为5=KA0p(T2-T1)(1)式中A0为两换热表面的适应系数,与两表面的面积有关,在A1/A2[1时取为1,
5、p为压力,T1为内表面温度,T2为外表面温度,K为常数,对平行板、同心球面、同轴圆柱面:C+1R1K=()2(2)C-18PMT式中C=Cp/Cv为比热比,R为气体常数,M为气体分子的摩尔质量,T为测压点的温度,对空气K=01016。因此(1)式简化为-25=116@10p(T2-T1)(3)根据辐射制冷器各级温度,以及一级和二级辐射体的辐射能力,如控制级间残余气体的-3导热占辐射能力的1%以内,则要求系统压力低于113@10Pa。212冷背景温度的确定宇宙空间的温度为(3~4)K,根据航天器模拟试验误差理论,因热沉温度引
6、起的模拟误差为44ThTSD1=4(4)TV式中D1为因热沉温度引起的模拟误差,Th为热沉表面的温度,TS为宇宙空间的温度,TV为航天器温度。据此对辐射制冷器的模拟冷黑背景温度Th进行近似估算,若要求辐射制冷器二级温度100K,保证冷黑背景温度引起的误差D1<1%,则冷背景温度要低于30K。213冷背景表面有效发射率的确定宇宙空间是个无限大的热沉,航天器辐射出的能量被冷黑的宇宙空间全部吸收,冷黑空间的吸收率为1。模拟设备中的冷黑背景面积有限,而且表面有效发射率(即吸收率)小于1,由此引起的误差为A11D2=(-1)(5)A
7、2Ea式中D2为模拟冷黑背景的有效发射率和面积引起的误差,A1为辐射制冷器二级冷块的面积,A2为模拟冷黑背景的面积,Ea为冷黑背景的有效发射率。若A2/A110,Ea=0195则D2[015%;若A2/A110,Ea=0198则D2[012%;若A2/A15,Ea=0198则D2[014%。由此可见冷黑背景的有效发射率Ea越大,面积比A2/A1越大,则由此引起的模拟误差就越小。214冷黑背景冷量需求的确定模拟冷黑背景主要吸收来自辐射制冷器的热辐射,热负荷主要由三部分组成:来自辐射第4期KM1型空间辐射制冷器环境模拟设
8、备研制9制冷器的热辐射、活性炭的吸附热以及室温度真空容器壁的辐射漏热。21411辐射制冷器的热辐射空间辐射制冷器不断向冷黑空间辐射热量,以到达被动制冷的目的,因此辐射制冷器在降温后并维持所需制冷温度下,辐射制冷器的辐射热量为444Qr=AhEhRTh+AdEdRTd+ApEpRTp(6)式中R为斯蒂芬-
