真空热环境试验新型不锈钢结构热沉加工工艺研究

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1、航天器环境工程第28卷第3期246SFIACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年6月真空热环境试验新型不锈钢结构热沉加工工艺研究李罡(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：热沉是空间环境模拟真空热试验设备的重要组成部分，其功能是为航天器进行真空热试验提供冷黑环境。在国内以往的空间环境模拟试验设备中，热沉多采用铝结构、铜结构或不锈钢一铜翅片结构。不锈钢热沉是新型的热沉结构形式，具有良好的真空低温性能。文章对不锈钢板式热沉的结构和加工工艺进行了研究探索，在经过大量焊接加工与试验分析的基础上，总结

2、出一套不锈钢热沉的ho_z__z-艺技术。关键词：热沉；不锈钢；模压；加工工艺中图分类号：V461文献标识码：B文章编号：1673-1379(2011)03—0246-05DOI：10．3969／j．issn．1673-1379．2011．03．007O引言热沉是空间环境模拟试验设备的重要组成部分，为航天器地面真空热环境模拟试验提供冷黑环境【l。2J。在国内已经建成的试验设备中，其内部热沉多为紫铜结构、铝结构或不锈钢一紫铜翅片结构。根据以往试验使用情况，铝材耐腐蚀性不好，而紫铜材料在进行焊接时需要采用某种焊药，其焊药容易产生腐蚀，

3、甚至在焊缝处产生真空泄漏，导致热沉失效，使设备的使用寿命和可靠性受到影响。北京卫星环境工程研究所使用的老式真空环境模拟试验设备主要是铜结构热沉，但随着使用年限的建造的KM3B设备使用不锈钢一铜翅片结构热沉克服了上述热沉缺陷，但加工工艺相对复杂。不锈钢热沉属于新式结构热沉，由于其性能优良，在国外航天器真空热环境模拟试验设备中已经得到普遍应用。1热沉材料与结构1．1不锈钢材料不锈钢材料含Cr量大于12％，此外还含有Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、加工工艺以及较理想的化学性能[41。因此与铜和铝材料相比，不锈钢更适合

4、在真空低温环境下使用。增加，这些热沉都已进行过维修或改造。2004年不锈钢、铜、铅

5、生能比较见表1。表1不锈钢、铜、铝的性能比较Table1Propertiesofaluminum，copperandstainlesssteel性能不锈钢铜铝对热沉性能的影响因素密度／(g·cm‘3)7．9②8．94③2．7①影响热沉产品重量热导率／(w·cm-1．k-1)(93K)O．08⑨5．9Q1．4②决定热沉结构散热能力比热容／(J-kg-1．k‘1)251②232①422③决定试验时热沉预冷量的大小膨胀系数，X10427．8①30．2②3

6、9．1③与热沉在试验过程中的热变形相关辐射率(300K对78K)0．048③0．029@0．02①影响热沉对液氮的耗冷量屈服强度／MPa(93K)275①78．4③114．7②热沉抗屈服变形的能力弹性模量／GPa2060108②68③热沉抗变形能力切变模量／GPa79．4①39．2②26③热沉整体变形能力冲击韧性／(MPa·rn)1．127①O．892@0．402③热沉耐冲击能力出气率×10。6／(Pa·L·S·crn212．79①4．65②6．65⑧影响热沉工作的真窄度耐腐蚀性强①中②弱③影响热沉的使用寿命和安全性焊接性能易①较

7、易②较难③影响热沉加工后的密封性表中等级符号含义：①最佳；②中等：③差。收稿日期：2011-01．06；修回日期：2011—02．18基金项目：“不锈钢热沉制造工艺研究”自主研发课题作者简介：李罡(1980一)，男，主要从事航天器空间环境试验工装设备加工工艺研究。E-mail：lg1209@sina．corn。第3期李罡：真空热环境试验新型不锈钢结构热沉加工工艺研究247由表l可知：不锈钢性能最佳的占8项，中等的2项，差的2项；铜性能最佳的2项，中等的8项，差的2项；而铝性能最佳的2项，中等的2项，差的8项。由此可见3种材料的真空

8、低温性能优劣。1．2结构形式就不锈钢热沉制造而言，关键是解决结构形式的问题，因为结构形式不仅影响低温环境的可获得性，而且直接影响加工工艺的可行性。其结构形式的确定重点要考虑以下3方面的内容：1)主体结构是采用两张不锈钢板材加工而成的夹层结构，两张钢板之间要留有可供液氮流动的通道；2)热沉结构要有足够的强度，在真空通液氮的工作状态下能够保证设备运行正常并安全、可靠；3)保证液氮在热沉内流动畅通，防止出现气堵和冷却死角而影响热沉的温度均匀性。不锈钢热沉的主体结构形式采用两张l"--'2mm厚不锈钢板材加工而成，两张钢板之问的夹层间距为

9、6--一12film，板材四周采用氩弧焊密封焊接形成一个整体的密闭空间，确保液氮能够在板的夹层空间内充满、流动，从而获得均匀的低温环境。为了在钢板间形成夹层，采取先模压形成凹坑后实施点焊的方法：先在一张钢板上模压出宽度为12～16m／／1、深为6～