徐 烈1 孙培杰1 张良俊2 吴静怡1 江明旒1
(1上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)
(2上海宇航系统工程研究所 上海 201108)
摘 要:研制了一种新型对接机构综合试验台环境模拟分系统,为空间对接机构提供高低温的试验环境,以便了解对接机构在不同的冷却状态、冷却速率条件下的性能及其对对接过程的影响。系统利用液氮喷射散流装置与可控硅控制的电加热器组合运行,为模拟试验提供高低温环境。同时利用高精度快速反应的气动调节装置和旁通分流方法维持试验空间的压力稳定,以消除附加压力对对接试验过程的影响。通过基于PLC的Fuzzy-PID多级控制和数据实时采集系统对环境模拟分系统的各关键控制点和监视点进行实时扫描。试验验证表明,建立的对接机构综合试验台环境模拟分系统能够满足试验过程对温度均匀度和压力稳定的要求,能为地面模拟对接过程提供合适的模拟环境。
关键词:空间对接综合试验台 空间环境模拟 温度压力均匀度 试验验证
中图分类号:TB663 文献标识码:A 文章编号: 1000-6516(2008)05-016-07
1 引 言
航天技术的发展改变了人类的生产活动,推动和促进了科学技术的进步。空间环境试验设备在航天器的研制过程中发挥着极其重要的作用。美国、俄罗斯、日本、法国和德国等都建有大型的空间环境试验设备[1-5]。由于空间探索的特殊性,为保证运行的可靠性和安全性,大多数的设备研发和性能试验都是在地面模拟环境中进行的,如:火箭发动机等推进器、神舟飞船等各种航天器以及近地或远地探索卫星[6-8] 。空间对接结构是进行深度空间探索和载人航天发展的重要组成部分,随着中国国内载人航天技术的发展,对空间对接机构的理论分析和研制也取得了一定的成果[9-10] 。为确保对接机构可靠地完成预定的任务,一方面,对接机构本身的对接试验必不可少,同时对接系统在外太空环境的运行性能必须进行严格的研究试验。为保证对接机构在空间低温和低压强环境下以其预定的性能指标进行可靠地运转,提高在空间环境中的适用性,必须建立地面模拟试验设备,通过地面模拟试验,消除隐患,以确保运行的高可靠性。地面模拟试验的精度和可靠性将直接影响着对接机构的性能确定与考核。
在地面模拟过程中,对接试验不但要模拟对接过程中的运动状态,而且要了解空间环境变化对空间对接机构材料和运动状态的影响,试验环境的温度和压力分布对对接过程各参数的影响直接关系到对接试验的质量[11], 所以建立合适的空间环境模拟系统是空间对接模拟试验台的重要组成部分。
针对对接结构运动规律的特殊性,本研究设计的对接机构综合试验台环境模拟分系统不同于传统的空间环境模拟系统[6-8, 12] ,它是基于小温差大流量原理,具有变体积的空间环境模拟系统,为保证试验过程对温度和压力要求的高精度性,在模拟分析并进行优化设计的基础上[13] ,研制了对接机构综合试验台温度环境模拟分系统,它是一种新型的、具有针对性的空间环境模拟系统,在我国还属首创,外型照片如图1所示。
2 功能设计及系统原理
当飞行器、卫星等空间探索设备在空间环境中运行时,受太阳辐射的影响,其表面交替出现高温和低温状态。温度环境模拟分系统能够提供对接试验所需的高低温环境。将对接产品置于模拟环境,然后根据对接试验要求确定试验温度,由温控系统来实现,使升降温速率维持在1℃-5℃的范围内,避免急速温变损坏被试产品,温场内温度均匀度控制在±3℃。高温试验时,根据设定的试验温度,利用循环风机对系统中的空气进行循环,利用计算算法和循环管道温度测点的反馈,通过可控硅控制电加热器加热量。低温试验分为置换、冷却、保温和复温等阶段,为避免空气中水蒸汽凝结或结冰对对接机构的破坏,首先利用干空气对系统进行充分置换,通过检测露点,保证系统中的水蒸汽含量低于试验温度的露点温之下;然后联动控制电加热量和液氮的喷射量,使进入模拟空间低温气体的温度维持在要求的范围内,对模拟空间和被试产品进行降温;降温完成后,在试验对接阶段维持空间内温度的稳定,由于该环境模拟外围采用多层绝热柔性软罩结构,被试产品置于软罩内,随着对接过程的进行,软罩围成的空间体积不断变化,为尽可能的消除由于压力变化对对接产品的附加力,通过排风机、排风调节阀门和旁通调节阀门控制排出空间的气体量,以维持空间内压力的稳定。整个试验过程由一套基于PLC和Labview的测控系统自动完成,试验命令和试验数据能通过TCP/IP总线进行传输,从而完成与中央控制室命令和数据流的交互。对接机构综合试验台温度环境模拟分系统原理如图2所示。
3 主要系统构成
对接机构综合试验台温度环境模拟分系统,主要由模拟试验温场空间系统、高低温供给系统、压力平衡调节系统、测量控制系统组成。
3. 1 模拟试验空间系统
模拟试验空间是为对接过程提供合适高低温环境(-80℃-80℃)的温场空间,模拟试验空间主体采用柔性结构(如图3所示)。要保证-80℃-80℃与室温间的良好绝热必须隔绝通过固体导热、辐射传热、气体对流等途径的热传递,同时又要保证结构的柔韧性,能随对接结构一起运动,且产生较小的附加力。本系统采用了新型的超级绝热结构(多层绝热结构)的温场软罩,用低导热率且质轻的间隔材料减少固体导热、用高反射率的柔性反射屏材料减少辐射热、用密封外祔材料阻止气体流动来减少气体传热,从而获得理想的绝热性能。这种绝热结构具有重量轻、绝热性能优越、且对环境没有污染,已经成为航天领域被动热控技术主要手段之一[14-15 ] 。本温场软罩选用特制的超簿双面喷铝涤纶簿膜,利用绝热纤维作为间隔材料,内外表面采用憎水、质轻、密封性优的外布作为保护材料,该绝热结构可以用于低温到高温,已广泛用于低温储存、超导电缆等方面,这种类似技术曾在阿里亚娜火箭低温输液管、AMS-2的低温系统、80 m 3大型铁路液氢槽车及40 m 3LNG公路槽车等工程上应用[16-17] 。
温场软罩一端与温场具有布风散流装置的静压送风室相连(如图4),另一端与运动对接机构相连形成一个封闭的温场,温场软罩可随运动模拟器做六维运动。在环境模拟试验中温度均匀度是一个比较重要的指标,温度均匀度不同,对被试设备的冷却状态和冷却速率也不同,并且由于设备各部分温度不同,其热膨胀也不同,严重时可能会对设备造成损坏。重要的是,环境模拟试验台是模拟空间环境,温度的不均匀造成模拟的不真实,从而失去模拟的意义。一般的空间环境模拟试验是低压或真空环境,在这种条件下,空间的传热过程主要以辐射换热为主,减少了复杂的空气流动影响。在本试验台中,主要考虑不同温度条件下对试验过程的影响,辐射换热性能较低,空间传热主要以对流为主。所以进入腔体的空气气流组织形式、送、回及排风速度是影响空间温度均匀度的主要因素,在数值模拟分析的基础上,对腔体的气流组织方式进行优化设计,试验证明该结构能优化对流传热方式,有效改善温场温度和压力均匀性。
3. 2 高低温供给系统
该系统为整个环境模拟分系统提供高低温气体和干燥气体用于低温试验前的空气置换以消除水蒸气。采用液氮喷射散流装置与电加热平衡的原理获得温场软罩内所要求的温度。低温液氮首先利用水浴汽化装置转化为低温气体,然后通过气氮管路进入调温装置(图5),通过调节液氮管路的流量,电加热器功率对气体进行降温和升温,从而使进入系统的气体温度满足要求,液氮喷射散流装置的作用是对液氮进行雾化处理,使其在一定的流量内通过加热后全部气化,避免液态氮进入温场环境,对对接机构造成损坏。不同的液氮压力、喷射开孔率、开孔位置等都对雾化性能和温度调节有影响,这是本系统设计的难点和重点。这种设计方式既可以充分利用水热容及换热系数大的优点,节约电耗,减小电热汽化器的体积与成本,同时也改善了电加热的调节性能。
3. 3 压力平衡调节系统
对接过程会导致温场软罩内的体积发生变化(如图6),特别是体积变化率随对接缓冲过程的变化而变化,为保持温场软罩内部气压稳定,需采取充排气措施控制温场内压力波动。图7是温场压力调节原理示意图,根据温场内的微压差传感器作为控制量,控制排风阀和旁通阀的开度,来达到控制温场压力变化的目的。为避免变频器对其它电器设备的影响,风机等设备必须采用定速运行,因此本系统采用排风阀和旁通阀门联动运行,这样既可以在风机转速不变的条件下,调节排出温场的气体,又保证了风机的可靠安全的运行,但是阀门作为执行机构,其调性能具有非线性,不能通过简单的拟合方式来进行精确调节,况且本系统中的排风阀和旁通阀是联动控制,任何一个的变化都会影响另外一个变化,从而影响排风量的变化,分析两个阀门之间的联动关系对排气量的影响是实现精确控制的关键
3. 4 测量控制系统
温度环境模拟分系统的控制和测量硬件主要由PLC、数字电压表、温度传感器、微压差传感器、露点温度传感器、通信卡和IPC及被控设备仪器等组成(如图8)。PLC与计算机之间通过Rs-485/422串行接口实现数据的传送和通讯,分系统与中央控制室之间通过以太网进行命令交互和数据传输。支持软件由W inXP、板卡驱动及由Labview虚拟软件开发的核心程序组成。
温度环境模拟分系统的测量与控制部分的主要功能为:实时测量采集温场内不同点的温度、压力、湿度等参数(布置位置如图1所示);并根据测量值利用PLC模块完成对分系统中的液、空管路阀门、风机、电气动调节阀、电加热器的控制,保证温场分系统的正常工作;显示温度模拟分系统的工作模式和运行状态,并实现与任务管理计算机的连接,并实现故障报警功能。
测量控制系统的基本工作原理:试验运行前,首先对系统进行自检,自检通过后,才能进行试验;在系统试验过程中,通过测量传感器(压力传感器、温度传感器、露点温度传感器等)实时测量温场中的压力、温度、湿度等的变化,通过信号转换器(转换成数据信号)的放大、过滤等,把测量值传送到PLC和数字电压表,最后传送到温度环境模拟分系统的监控计算机(IPC),在Labview界面中显示重要数值和曲线的变的规律,并把重要的测量数据通过以太网传送到中央控制室。
控制实现过程:
(1) PLC和数字电压表同时接受来自温度系统和被试验对接组件传感器的信号;
(2)然后经PLC实现对温度系统的执行机构或加热器进行自控;
(3)采用监控程序来实现自检和故障报警功能;
(4)采用Labview软件来实现显示温控系统的工作模式,反映系统各执行机构的位置和状态信息。
4 试验验证
为验证系统设计的合理性及可靠性,在要求的温度范围内(-80℃-80℃),对系统的要求的重要指标温场温度的均匀度进行试验分析。根据模拟计算分析结果[13],在温度均匀性要求的重要点和最不利点即靠近上下对接机构的7个不同位置,分别布置测量温度点。如图9所示,在布风散流板下方0. 8 m和1.5 m处的水平面分别布置3个(T1、T3、T5)和4个温度点(T2、T4、T6、T7),它们分别与送风口、回风口及排风口在相同的竖直平面上。
图10和图11分别为高温试验(从35℃升到55℃左右)时,上对接机构附近的温度及最大的温度梯度(△T1)和下对接机构附近的温度及最大温度梯度(△T2)。从图上可以看出,温度梯度随温场温度上升速率的不同而改变。在最初的升温阶段(0 s-1 000 s的时间段),温度上升速率最大,此时的各点温度差异也最大,分别达到1. 16℃和1. 34℃,而后随着温度上升速率的减小,温度梯度也大大幅度减少。到达最后的复温阶段,温度均匀度波动减小,并趋于稳定。整个试验过程温度的均匀度一直维持在1. 5℃之内,完全满足设计的±3℃的要求。另外,上部空间的温度均匀性整体上要好于下部空间的温度均匀性,这也与模拟分析的结果相吻合。
在低温试验过程中(温度从39℃下降到-54℃左右),整试验过程中温度均匀度基本维持在±3℃之内(如图12,其中△T3和△T4分别代表温场7个点温度中最大值与平均值的差值和最小值与平均值的差值)。同样的在温度变化较为剧烈的时间段内,温场均匀性降低,特别是在降温的最初阶段,个别温差超出了±3℃的范围。在温度保持阶段和复温阶段温度较为均匀。
通过高温和低温试验初步可以看出,本设计系统较为合理,能够创造对接试验所需的高低温环境,整体温场的温度均匀性满足要求。同时也发现,为获得较好的温场温度均匀性,应尽量降低温场温度的波动,减小降温速率。
5 结 论
在中国载人航天计划重点项目921-Ⅱ期工程及上海市科学技术委员会资助项目的资助下,研制了一种新型对接机构综合试验台环境模拟试验台系统,系统为对接机构产品提供高低温的试验环境。系统中利用液氮喷射散流装置与可控硅控制的电加热器结合的方式为模拟试验提供低温环境。采用新型的超级绝热结构(多层绝热结构)作为主体结构,建立了能随对接机构上下运动的变容积的温场试验空间,实现理想的绝热效果。同时利用高精度快速反应的气动调节装置和旁通分流方法维持试验空间的压力恒定,以消除附加压力对对接试验过程的影响。同时建立了基于PLC的Fuzzy-PID多级控制和数据实时采集系统,并利用Labview虚拟系统对系统主要监视数据和各设备的运行状态及试验状态进行显示,并能实现故障报警。通过高低温试验验证初步表明,建立的对接机构综合试验台环境模拟分系统能够提供合适的高低温环境,整个试验过程温度的均匀度在±℃的范围之内,完全满足试验过程对温度均匀度的要求,能保障对接机构地面对接模拟试验对环境的需求。
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