用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)，包括KM6真空容器、真空容器外的冷卻水泵送裝置、制冷機、真空容器內的運動模擬器筒體和航天器微波負載，水鉸鏈設置在運動模擬器筒體內，其中，水鉸鏈并排設置有入水管路和出水管路，通過水鉸鏈以及各筒體連接部分的軟管實現旋轉過程中對微波負載的冷卻。運動模擬器自旋軸需要帶動航天器微波負載360°連續(xù)自由轉動，為了滿足水路360°連續(xù)自由轉動，采用在自旋軸筒體內配置水鉸鏈，筒體內充滿空氣，從而實現水路的360°連續(xù)自由轉動。
【專利說明】用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器真空熱試驗【技術領域】，具體涉及一種空間環(huán)境模擬器與航天器微波負載之間旋轉運動的水冷卻系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]目前，在航天器熱真空試驗中，太陽模擬器可以提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準直穩(wěn)定的光輻照，是最真實準確的熱流模擬手段。在使用太陽模擬器進行真空熱試驗時，航天器一般安裝在運動模擬器上。通過運動模擬器調節(jié)試件在空間環(huán)境模擬器內的姿態(tài)，使試件以不同的角度接收太陽模擬器光束的輻照，保證試件與陽光間的角度關系與在軌飛行條件相同或相近，或者與總體設計時的外熱流環(huán)境相同。
[0003]運動模擬器可以滿足航天器進行熱真空試驗時360°連續(xù)自由轉動并可垂直方向±30°擺動。微波負載的水冷系統(tǒng)用于冷卻衛(wèi)星微波負載，是一種應用于真空低溫環(huán)境中以水為介質的微波負載能量傳輸裝置，以循環(huán)水的方式將試驗過程中微波負載產生的能量帶到真空容器外，要求如下:
[0004]a)微波負載熱負荷為6kW ；
[0005]b)水流量為 5m3/h ；
[0006]c)微波負載有六路熱負荷,微波負載的入口水溫為15°C?25°C。
[0007]其中，水冷系統(tǒng)工作環(huán)境為:微波負載水冷系統(tǒng)工作在真空低溫的背景環(huán)境中，容器真空度為1.3X10_3Pa，背景溫度為100K。同時水冷系統(tǒng)通過運動模擬器連接衛(wèi)星上的微波負載，運動模擬器以5° /min的擺動速度繞姿態(tài)軸擺動，擺角為±30°，運動模擬器自旋軸可以360°連續(xù)自由轉動。
[0008]為了解決航天器姿態(tài)運動過程中空間環(huán)境模擬器與航天器微波負載之間的旋轉運動水冷卻難以實現的技術難題，本發(fā)明提出了一種可用于空間環(huán)境模擬器內旋轉航天器內微波負載的水冷卻系統(tǒng)。


【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明旨在提供一個用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)在空間環(huán)境模擬器內安裝一個獨立的腔體，腔體內安裝水鉸鏈，使固定的水路轉變?yōu)殡S航天器一同旋轉的水路，從而能夠保持水冷卻。腔體提供常溫常壓的空氣環(huán)境，常溫常壓是為了保障水鉸鏈可正常使用。
[0010]本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0011]用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)，包括KM6真空容器、真空容器外的冷卻水泵送裝置、制冷機、真空容器內的運動模擬器筒體和航天器微波負載，進行熱真空試驗時運動模擬器相對空間模擬器帶動航天器微波負載360°連續(xù)自由轉動并可垂直方向±30°擺動，水鉸鏈設置在運動模擬器筒體內，其中，水鉸鏈并排設置有入水管路和出水管路，在運動模擬器筒體內，入水管路進出水鉸鏈的管路上分別設置軟管二，軟管三，出水管路進出水鉸鏈的管路上設置有軟管四，軟管五；冷卻水泵送裝置的進水管通過水量控制閥與真空容器內的軟管一的第一端相連，軟管一的另一端穿過運動模擬器筒體與水鉸鏈的進水管路的軟管二相連，同樣，運動模擬器筒體內出水管路的軟管五第一端通過真空容器內的軟管六的一端相連，軟管六的另一端穿過真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管相連，水鉸鏈入水管路的軟管三，出水管路的軟管四分別穿過運動模擬器筒體，與軟管七，軟管八的一端相連，軟管七，軟管八的另一端分別與微波負載的冷卻水入口端和冷卻水出口端相連。
[0012]其中，真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管之間設置有控制閥和流量計。
[0013]其中，微波負載的進出水管路上分別設置溫度傳感器。
[0014]其中，所有管路穿過筒體時都采用水管密封頭進行密封。
[0015]其中，上述軟管為金屬軟管。
[0016]其中，水鉸鏈結構為管式機械密封水鉸鏈。
[0017]進一步地，水鉸鏈采用雙通道旋轉密封結構。
[0018]進一步地，水鉸鏈的整體結構由0Crl8Ni9的不銹鋼管和不銹鋼板組成。
[0019]進一步地，水鉸鏈由動環(huán)、定環(huán)、供水進口、供水出口、回水進口、回水出口、組合密封圈等組成，供水進口、回水出口做在定環(huán)上，供水出口、回水進口做在動環(huán)上，動環(huán)固定在運動模擬器自旋軸上腔內，隨運動模擬器自旋軸一起旋轉，定環(huán)固定在自旋軸下腔內，相對上KM6真空容器，只有擺動，沒有旋轉。
[0020]空間環(huán)境模擬器內旋轉航天器內微波負載的水冷卻系統(tǒng)用于航天器真空熱試驗，水冷系統(tǒng)位于KM6真空容器內，相對通用水冷系統(tǒng)，具有如下特點:
[0021]水冷系統(tǒng)的水路安裝在真空容器內，真空度優(yōu)于1.3X 10?,為保證密封效果，在不需要活接的地方采用焊接，在需要活接的地方采用錐密封兩端焊接式直通管接頭連接，接頭的密封采用錐面和橡膠圈相結合的密封形式。
[0022]水冷系統(tǒng)的水路安裝在真空容器內，背景溫度為100K，為了防止水管受低溫輻射而凍裂，在真空容器內的所有水管采用多層鍍鋁薄膜包裹保溫。
[0023]水冷系統(tǒng)和運動模擬器連接，運動模擬器姿態(tài)軸需要垂直方向±30°擺動，為了滿足水路垂直方向±30°擺動要求，水冷系統(tǒng)通過金屬軟管一、金屬軟管六與運動模擬器連接，通過軟管的伸縮實現水路的垂直方向±30°擺動。
[0024]運動模擬器自旋軸需要帶動航天器微波負載360°連續(xù)自由轉動，為了滿足水路360°連續(xù)自由轉動，采用在自旋軸筒體內配置水鉸鏈，筒體內充滿空氣，從而實現水路的360°連續(xù)自由轉動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)中水鉸鏈簡圖；

【具體實施方式】
[0027]以下介紹的是作為本
【發(fā)明內容】
的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本
【發(fā)明內容】
作進一步的闡明。當然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發(fā)明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發(fā)明范圍。
[0028]如圖1所示，用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)，包括KM6真空容器、真空容器外的冷卻水泵送裝置、制冷機、真空容器內的運動模擬器筒體和航天器微波負載，進行熱真空試驗時運動模擬器相對KM6空間模擬器帶動航天器微波負載360°連續(xù)自由轉動并可垂直方向±30°擺動，水鉸鏈設置在運動模擬器筒體內，其中，水鉸鏈并排設置有入水管路和出水管路，在運動模擬器筒體內，入水管路進出水鉸鏈的管路上分別設置軟管二，軟管三，出水管路進出水鉸鏈的管路上設置有金屬軟管四，金屬軟管五；冷卻水泵送裝置的進水管通過水量控制閥與真空容器內的金屬軟管一的第一端相連，金屬軟管一的另一端穿過運動模擬器筒體與水鉸鏈的進水管路的金屬軟管二相連，同樣，運動模擬器筒體內出水管路的金屬軟管五第一端通過真空容器內的金屬軟管六的一端相連，金屬軟管六的另一端穿過真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管相連，真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管之間設置有控制閥和流量計；水鉸鏈入水管路的金屬軟管三，出水管路的金屬軟管四分別穿過運動模擬器筒體，與金屬軟管七，金屬軟管八的一端相連，金屬軟管七，金屬軟管八的另一端分別與微波負載筒體內的冷卻水入口端和冷卻水出口端相連，在微波負載筒體內，微波負載的進出水管路上分別設置溫度計。
[0029]在一具體的實施方式中，所有管路穿過筒體時都采用水管密封頭進行密封。
[0030]在又一具體的實施方式中，水鉸鏈結構為管式機械密封水鉸鏈，優(yōu)選水鉸鏈采用雙通道旋轉密封結構。例如參見圖2的水鉸鏈簡圖。其中，水鉸鏈的整體結構由0Crl8Ni9的不銹鋼管和不銹鋼板組成，由動環(huán)、定環(huán)、供水進口、供水出口、回水進口、回水出口、組合密封圈等組成，供水進口、回水出口做在定環(huán)上，供水出口、回水進口做在動環(huán)上，動環(huán)固定在運動模擬器自旋軸上腔內，隨運動模擬器自旋軸一起旋轉，定環(huán)固定在自旋軸下腔內，相對上KM6真空容器，只有擺動，沒有旋轉。
[0031]水冷系統(tǒng)用于冷卻衛(wèi)星的微波負載，采用水冷的方式將大功率微波信號轉化的熱量帶走，水冷系統(tǒng)以循環(huán)水的方式將試驗過程中微波負載產生的能量帶到真空容器外，水冷卻系統(tǒng)由水箱、過濾器、水泵、換熱器、制冷機、金屬軟管、水餃鏈、微波負載水管組件、水管密封接頭等組成，系統(tǒng)流程見圖1。
[0032]循環(huán)水由水箱進入過濾器過濾后進入水泵，由水泵加壓通過熱交換器與制冷機進行熱量交換，使其溫度降低到設計要求值。然后進入KM6真空容器，采用金屬軟管和運動模擬器連接，由金屬軟管實現水路的擺動，進入運動模擬器，由水餃鏈實現水路的360°連續(xù)自由轉動。然后再次進入KM6真空容器，通過軟管連接入微波負載，來達到冷卻微波負載的目的。吸收微波負載熱量的循環(huán)水再次進入運動模擬器，通過水餃鏈實現回水管路的旋轉，然后進入KM6真空容器內，通過金屬軟管離開真空容器，回到水箱，實現密閉循環(huán)。微波負載的熱量通過循環(huán)水由換熱器傳遞為制冷機，制冷機將微波負載的熱量排出真空容器外，由制冷機提供整個系統(tǒng)的制冷量。
[0033]下面介紹隨運動模擬器擺動的金屬軟管技術細節(jié)。在KM6真空容器內，冷卻水通過金屬軟管連接運動模擬器筒體。冷卻水管擺動金屬軟管通徑為DMOmm，水管隨運動模擬器的擺動同步運動，與運動模擬器相聯接的金屬軟管，接口為焊接，材料為不銹鋼。運動模擬器的水管偏離太陽光方向15°，為了保證金屬軟管在一個平面運動，水管接頭需要偏向太陽光15°。運動模擬器以5° /min的擺動速度繞姿態(tài)軸擺動，運動速度相對緩慢，在這種運動狀態(tài)下，金屬軟管的動態(tài)最小彎曲半徑，可以按照最小靜態(tài)彎曲半徑進行設計。對于DMOmm的金屬軟管,靜態(tài)最小彎曲半徑為280mm。水管布置于迎光側。金屬軟管在運動模擬器擺動到0°、30°、-30°位置時的彎曲狀態(tài)，設計的轉彎半徑需滿足最小轉彎半徑要求。由于選用的金屬軟管長度大于兩個接口間的最大長度，且滿足最小轉彎半徑的要求，安裝過程中，需要將金屬軟管預先彎曲成Z字形或Ω形。
[0034]下面介紹水鉸鏈的技術細節(jié)。水餃鏈用于實現微波負載水管路隨運動模擬器自旋軸360。連續(xù)自由轉動，自旋軸速度為快速為lr/min?12r/min,慢速為lr/24h?lr/h。水餃鏈安裝在運動模擬器自旋軸腔體內，自旋軸腔體位于KM6真空容器內。自旋軸腔體內為空氣常溫常壓環(huán)境，提供了水鉸鏈的正常工作環(huán)境。水鉸鏈的要求為水流量為5m3/h，水鉸鏈內部共液和回液的二路總壓降彡0.1MPa，靜態(tài)耐壓彡IMPa，溫度為15?25°C。水鉸鏈結構為管式機械密封水鉸鏈。采用雙通道旋轉密封結構。水鉸鏈的整體結構均有材料為0Crl8Ni9的不銹鋼管和不銹鋼板組成。水鉸鏈由動環(huán)、定環(huán)、供水進口、供水出口、回水進口、回水出口、組合密封圈等組成。供水進口、回水出口做在定環(huán)上，供水出口、回水進口做在動環(huán)上。動環(huán)固定在運動模擬器自旋軸上腔內，隨運動模擬器自旋軸一起旋轉。定環(huán)固定在自旋軸下腔內，相對上KM6容器，只有擺動，沒有旋轉。水鉸鏈的密封性能是水鉸鏈中最為關鍵的部分，由于水鉸鏈穿過滑環(huán)中心，且其下半部分在運動模擬器自旋軸下腔內，狹小空間內安裝了許多電纜及電器設備，一旦水餃鏈發(fā)生泄漏就可能損壞匯電環(huán)、電纜等重要部件。水餃鏈的密封主要依靠密封件與水餃鏈殼體緊密結合來實現，所以水餃鏈殼體與密封件結合面的尺寸精度和表面粗糙度必須嚴格控制在設計要求范圍內，既要保證密封可靠，水餃鏈運轉力矩均勻，又要盡可能減少密封件材料的磨損。這樣才能保證水餃鏈運轉可靠無泄漏的同時，又能讓密封件達到較高的使用壽命。水鉸鏈的關鍵技術是在滿足微波工質冷卻的壓力和流量要求的前提下，解決動環(huán)和定環(huán)之間的旋轉動密封可靠，選擇合適的密封圈型式，確定接觸面的粗糙度以及提高密封效果和壽命。為了防止循環(huán)水泄漏，定環(huán)和動環(huán)之間密封件考慮星型密封圈結構，星形密封圈具有雙重密封作用，它需要較小的初始壓縮，因而在動密封處的摩擦就較小。這種密封圈摩擦力小、不易產生扭曲、密封效果好、低磨損。水鉸鏈泄漏回收裝置是機械密封水鉸鏈的配套裝置。當水餃鏈出現循環(huán)水泄漏時，泄漏出來的循環(huán)水進入泄漏回收裝置的小水箱，由水管擺動裝置傳過KM6真空容器排出容器外。
[0035]下面介紹微波負載連接管道的技術細節(jié)。微波負載連接管路由一路進水分為六路水進入衛(wèi)星微波負載，再匯成一路水流回運動模擬器。微波負載連接水冷需要根據星上微波負載的位置、功率大小等因素來確定。為使每個回路的負載功率盡量接近，可通過水冷管路將兩個或兩個以上的便于相互連接的微波負載串接起來，形成該回路的總負載。為準確連接各段水冷管路及微波負載，應依據安裝有微波負載的衛(wèi)星模型圖及衛(wèi)星在容器內的安裝位置圖來確定水冷管路的長度、安裝高度和與星表的距離。
[0036]水冷系統(tǒng)的水路安裝在真空容器內，為保證密封效果，在不需要活接的地方采用焊接，在需要活接的地方采用采用錐密封兩端焊接式直通管接頭連接，接頭的密封采用錐面和橡膠圈相結合的密封形式?；罱宇^檢漏通過氦質譜儀采用氦氣檢漏，滿足真空管路漏率小于1.0X l(T7Pa.m3/s的要求為合格。
[0037]為了減少100K低溫背景對管路的冷輻射，所有管道需進行保溫，采用多層鍍鋁薄膜包裹。由于管道有冷卻水流動，采用多層鍍鋁薄膜包裹后能夠保證管道處于常溫。
[0038]盡管上文對本發(fā)明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以根據本發(fā)明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.用于空間環(huán)境模擬器旋轉航天器微波負載的水冷卻系統(tǒng)，包括KM6真空容器、真空容器外的冷卻水泵送裝置、制冷機、真空容器內的運動模擬器筒體和航天器微波負載筒體，進行熱真空試驗時運動模擬器相對KM6空間模擬器帶動航天器微波負載360°連續(xù)自由轉動并可垂直方向±30°擺動，水鉸鏈設置在運動模擬器筒體內，其中，水鉸鏈并排設置有入水管路和出水管路，在運動模擬器筒體內，入水管路進出水鉸鏈的管路上分別設置軟管二，軟管三，出水管路進出水鉸鏈的管路上設置有軟管四，軟管五；冷卻水泵送裝置的進水管通過水量控制閥與真空容器內的軟管一的第一端相連，軟管一的另一端穿過運動模擬器筒體與水鉸鏈的進水管路的軟管二相連，同樣，運動模擬器筒體內出水管路的軟管五第一端通過真空容器內的軟管六的一端相連，軟管六的另一端穿過真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管相連，水鉸鏈入水管路的軟管三，出水管路的軟管四分別穿過運動模擬器筒體，與微波負載筒體外的軟管七，軟管八的一端相連，軟管七，軟管八的另一端分別與微波負載的冷卻水入口端和冷卻水出口端相連。
2.如權利要求1所述的水冷卻系統(tǒng)，其中真空容器與冷卻水泵送裝置的出水管之間設置有控制閥和流量計。
3.如權利要求1所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，在微波負載筒體內，微波負載的進出水管路上設置溫度計。
4.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，所有管路穿過筒體時都采用水管密封頭進行密封。
5.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，所述軟管為金屬軟管。
6.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，水鉸鏈結構為管式機械密封水鉸鏈。
7.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，水鉸鏈采用雙通道旋轉密封結構。
8.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)，其中，水鉸鏈的整體結構由0Crl8Ni9的不銹鋼管和不銹鋼板組成。
9.如權利要求1-3任一項所述的水冷卻系統(tǒng)水鉸鏈由動環(huán)、定環(huán)、供水進口、供水出口、回水進口、回水出口、組合密封圈等組成，供水進口、回水出口做在定環(huán)上，供水出口、回水進口做在動環(huán)上，動環(huán)固定在運動模擬器自旋軸上腔內，隨運動模擬器自旋軸一起旋轉，定環(huán)固定在自旋軸下腔內，相對上KM6容器，只有擺動，沒有旋轉。
【文檔編號】F25D1/02GK104374130SQ201410638155
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】李高, 張磊, 顧志飛, 肖慶生, 李昂, 何超 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所