基本介紹
- 中文名：熱真空試驗
- 外文名：Thermal vacuum test
試驗簡介,試驗目的,試驗條件,試驗要求,試驗分類,試驗環境模擬,發展趨勢,我國技術發展,
試驗簡介
試驗目的
熱真空試驗，是裝有真實產品的太空飛行器在真空和規定的溫度循環條件下，驗證或檢查太空飛行器產品功能、檢驗太空飛行器製造工藝、發現太空飛行器設備早期失效的熱真空試驗。
在研製過程中，太空飛行器都要進行熱真空試驗，在初樣研製階段要進行鑑定級熱真空試驗，對於發射的太空飛行器，無論是第一次發射，還是重複性發射，每發都要進行驗收級熱真空試驗。
在熱真空試驗中，高溫限與低溫限的停留時間通常為8-12小時。
在熱真空試驗中，熱控分系統承擔的工作包括：
（1）太空飛行器內溫度數據的監視、分析與檢測。
（2）太空飛行器內溫度控制：太空飛行器內溫度達到高溫限與低溫限的控制，以及高溫限與低溫限的保持。採取的方法是：控制太空飛行器散熱面的散熱能力；太空飛行器內儀器工作與不工作；控溫專用加熱器的通電與斷電；以及液體冷卻迴路降溫等。
（3）太空飛行器外溫度控制：太空飛行器外表面溫度控制，對於採用紅外籠模擬外熱流。通過改變黑片目標溫度實現；對於採用康銅加熱片模擬外熱流，通過改變加在康銅加熱片上的加熱功率實現。
（4）太空飛行器內儀器設備升降溫速率與升降溫時間的控制。
試驗條件
（1）環境壓力：優於6.65×10-3Pa。
（2）試驗溫度：一般電子電器設備的鑑定級溫度範圍為-35～65°C，驗收級試驗溫度範圍為-25～60°C。
（3）循環次數：鑑定級試驗的循環次數要求至少9.5次，準鑑定級試驗的循環次數要求至少3.5次，驗收級試驗的循環次數要求至少3.5次。
（4）停留時間：極端高低溫端停留時間至少6小時。
試驗要求
（1）溫度穩定性：溫度變化保持在3°C，溫度變化的速率不小於1°C/min。
（2）測溫點：進行熱浸試驗時，溫度系指機殼上或儀器板溫度，且此測溫點應遠離試驗設備的熱源處；進行冷浸試驗時，溫度系指機殼上或儀器板的溫度。
（3）整個試驗過程中，產品通電工作並進行設備的性能監測或測試。當溫度達到並穩定在極端低溫時產品斷電，然後作冷啟動並作性能測試；當溫度達到並穩定在極端高溫時產品斷電，然後作熱啟動。試驗前後對單機進行全面性能測試並對比。
（4）射頻單機應在設計頻率和最大功率下工作；機械運動部件在穩定的高低溫端進行力和力矩設計餘量的測試。
試驗分類
鑑定級熱真空試驗
其目的是驗證太空飛行器在規定的壓力與鑑定級溫度條件下是否滿足設計要求。溫度條件的最高溫度比最高預示溫度高10°C，最低溫度比最低預示溫度低10°C。
鑑定級試驗工況分為高溫鑑定工況和低溫鑑定工況。在高溫鑑定工況中應使產品內每個溫度控制區內至少有一個組件達到鑑定級最高溫度，在低溫鑑定工況中至少有一個組件達到鑑定級最低溫度，並以此作為該控溫區試驗溫度的控制點，其他儀器允許不達到上、下限值。也可取產品內的某一參考點溫度作為高、低溫鑑定級工況的基準溫度，並以此作為試驗溫度的控制點。鑑定級最高溫度等於最高預示溫度（即熱控系統給出的儀器最高工作溫度）加上環境設計餘量10°C；鑑定級最低溫度等於最低預示溫度（即熱控系統給出的儀器最低工作溫度）加上環境設計餘量-10°C。
驗收級熱真空試驗
其目的是在規定的壓力與驗收級溫度條件下暴露材料和工藝缺陷。溫度條件的最高(或最低)溫度為最高(或最低)預示溫度，溫度循環次數至少4次。
驗收級試驗工況也分為高溫驗收工況和低溫驗收工況。在高溫驗收工況中應使產品內每個溫度控制區內至少一個組件溫度達到驗收級的最高溫度，在低溫驗收工況中至少要有一個組件達到驗收級最低溫度，並以此作為該控溫區的試驗溫度控制點。驗收級最高溫度等於最高預示溫度；驗收級最低溫度等於最低預示溫度。允許根據實際溫度值加設計餘量。
試驗環境模擬
真空環境模擬
太空飛行器所處的環境真空度為13.3～13.3×10-10毫帕（10-4～10-14毫米汞柱），從傳熱學的角度看，13.3毫帕的真空度已能滿足太空飛行器熱物理性狀效應模擬的需要。為了節約試驗費用，熱真空試驗採用的真空度通常定為優於13.3毫帕。
為了考核和研究某些活動部件、伸展機構的乾摩擦、冷焊性能和研究材料在真空條件下的升華、重量損失、老化等效應，需要在更高的真空度和其他空間環境因素的組合下進行試驗，這時可在中小型空間模擬器中獲得 13.3×10-1～13.3×10-10毫帕（10-5～10-14毫米汞柱）的真空度。
冷黑環境模擬
宇宙空間的熱背景溫度為4K，吸收係數為1，相當於一個理想的黑體。在地面模擬這種熱沉效應時，通常採用液氮冷卻的黑輻射屏，屏的模擬溫度低於100K，吸收係數大於0.9。當模擬室與太空飛行器特徵尺寸比大於2∶1時，熱模擬誤差小於1%，這樣的誤差可以通過理論計算加以修正。對於遙感器的定標試驗，熱沉背景溫度應低於20K。
太陽輻照環境模擬
太陽電磁輻射相當於一個6000K的黑體輻射，是太空飛行器的主要外熱源。環地太空飛行器在軌道上還受到地球反照和地球紅外輻射。太陽模擬器通常採用碳弧燈或高壓短弧氙燈作光源，配以離軸式、同軸式或發散式光學系統來造成一定的輻照強度、光譜、均勻性和準直角，以模擬太陽光的強度和能譜分布。
由於太陽模擬器的製造和試驗耗費甚巨，對於大多數形狀不太複雜的太空飛行器多採用熱通量模擬的方法來代替太陽模擬。所用的加熱器有紅外加熱器、石英燈陣、籠式電阻片、貼片式電阻加熱器、電熱管及其組合等形式。這種方法的缺點是不能模擬太陽光的能譜和準直度。對於形狀複雜的太空飛行器和太陽電池翼、太陽敏感器、大型天線結構等特殊部件，仍然需要用太陽模擬器進行輻照試驗。
發展趨勢
進行太空飛行器熱真空試驗難度大，但這種試驗又非常必要。國外已經做到每顆發射太空飛行器都必須做熱真空試驗。為了使太空飛行器熱真空試驗能夠順利進行，應從以下三個方面進一步發展：
進行多種加熱手段的研究
進行太空飛行器熱真空試驗時，太空飛行器外部環境要靠非接觸式加熱器的輻射熱來提供，當然也包括使用太陽模擬器。由於太空飛行器的升溫和降溫都有一定的速率要求，因此有些加熱器在某些熱真空試驗（如太陽電池板熱真空試驗）中還不宜採用，比如紅外加熱籠的熱慣性大，不僅升溫速率受到影響，而且由於遮擋大，使太空飛行器的降溫速率也受到影響。基於這個原因，我們要加強紅外燈等加熱技術的套用。只有掌握了多種加熱手段和降低背景熱流方法，才能根據太空飛行器熱真空試驗的需要選擇1種或幾種加熱裝置來完成試驗任務。
提高空間外熱流和溫度的自動控制水平
由於熱真空試驗過程中，極值溫度和升、降溫速率都有一定要求，因此必須提高空間外熱流和溫度的自動控制水平。儘管目前程控電源已經相當普遍，但還應加強控制方法的研究，逐步實現通過調節紅外加熱器每個加熱區的輻射熱流和適當改變內部儀器的工作模式相結合來對太空飛行器多個組件的溫度進行自動控制。
進行熱真空試驗方法研究
新研製的太空飛行器不管進行哪種類型的熱真空試驗，我們都應該對如何做這些試驗的方法加以研究。比如試驗中溫度控制區如何劃分，試驗溫度和控制點的溫度如何確定，以及如何實現這些區域的溫度控制，熱平衡試驗與熱真空試驗如何緊密結合才更為合理、更節約經費等，是試驗中應該很好解決的重要問題。然而，解決這些問題的經驗還不夠豐富，有必要加強這些方面的研究工作。
我國技術發展
載人太空飛行器熱真空試驗的特點
載人太空飛行器保證航天員在軌道運行的熱真空環境條件下安全地生活與工作，並能順利地返回地面，其可靠性要求高於一般太空飛行器，因此提出了新的熱真空試驗技術要求。
載人太空飛行器除了太空飛行器上有的各種通用系統外，還有對航天員生活與工作的專用系統，環境條件要求更高、更複雜，在尺寸上比衛星要大得多，必須提出新的熱真空試驗技術與試驗方法。
航天員的艙外活動，直接暴露於熱真空環境中，對熱真空試驗具有更高的技術要求，更嚴格的試驗順序。
熱真空試驗項目
航天員及其裝備的熱真空試驗：①航天服的熱真空試驗；②著裝航天員工作能力的熱真空試驗③航天員艙內生命保障系統的熱真空試驗；④航天員艙內環境控制系統的熱真空試驗。
載人太空飛行器的熱真空試驗：①大型組件的熱真空試驗；②分系統的熱真空試驗；③艙段的熱真空驗；④整體的熱真空試驗。
航天員與載人太空飛行器組合體的熱真空試驗：①航天員艙內操作的熱真空試驗；②航天員緊急救生的熱真空試驗；③艙外用航天服的熱真空試驗；④出入座艙的熱真空試驗；⑤航天員出艙適應性的熱真空試驗；⑥航天員使用艙外活動裝置的熱真空試驗；⑦航天員艙外生命保障系統的熱真空試驗。
將來隨著載人航天技術的發展，航天員在太空中建造空間站系統、空間基地等長期活動，也要做相應的熱真空試驗項目。
