KM5B空间环境模拟试验设备研制

张世一，陈 丽，齐晓军，彭光东，李宏宇，纪晓志

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

KM5B空间环境模拟试验设备研制

张世一，陈 丽，齐晓军，彭光东，李宏宇，纪晓志

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

为满足SAST5000平台卫星及SAR系列卫星整星真空热试验需求，研制成一套大型空间环境模拟试验设备 KM5B。该设备采用整体设计、分步实施理念，现已完成立式主容器和右侧卧式容器的建设，后续还可根据需要对其进行扩展。文章概要介绍了该试验设备的技术指标、系统组成、研制特点等。KM5B是我国已建成投入使用的第二大空间环境模拟试验设备。

空间环境模拟；地面试验设备；KM5B；真空热试验

0 引言

空间环境模拟试验设备可模拟太阳辐射、高真空、低温、冷黑等空间环境，用于航天器系统级、分系统级大型部组件的真空热试验［1-2］。

为满足SAST5000平台卫星及SAR系列卫星整星真空热试验需求，由上海卫星装备研究所抓总，北京卫星环境工程研究所、杭州杭氧环保成套设备有限公司等单位参与，于2013年年底研制成一套组合结构大型空间环境模拟试验设备KM5B。该设备采用整体设计、分步实施的理念，现1个立式主容器和1个卧式侧容器已建成并投入使用。与我国 KM5A［3］、KM6［4-5］等主要大型空间环境模拟试验设备相比，KM5B具有功能多样、适用性广、开孔率大、可靠性高、远程集控水平高等特点［6-8］。

目前，KM5B的主容器和侧容器已分别圆满完成了多次航天器系统级真空热试验及载荷定标试验，系统状态优良。本文对该设备的研制方案及特点进行总结。

1 主要设计指标

根据现有型号试验指标要求，并适当兼顾后续型号需要，经过多轮论证，确定KM5B设备主要设计指标如表1所示。

表1　KM5B设备主要技术参数Table 1 Main technical parameters of KM5B

2 系统组成及方案

KM5B空间环境模拟试验设备组成见图1，本文主要介绍真空容器、热沉、真空抽气系统、氮系统、外热流模拟系统和中央控制系统等。

图1　KM5B组成示意Fig. 1 The structure blocks of KM5B

2.1真空容器

容器筒体为立式主容器+卧式侧容器结构，主容器以φ10m顶盖作为顶部大门，用于产品及大型工装进出，顶部大门通过厂房行车起吊实现开启和关闭。侧容器左侧开φ7m圆孔，配置接口法兰及封头，用于后期扩展。为提高大厅空间使用效率，侧容器右侧大门采用侧向旋转打开方式，由电机驱动，打开角度最大135°。KM5B实物照片见图2。

图2　KM5B实物Fig. 2 The photo of KM5B

KM5B容器强度（应力分布）、刚度（位移分布）有限元分析如图3、图4所示，最大应力为132.3MPa，最大位移为5.01mm。

图3　容器应力云图Fig. 3 Stress distribution in the chamber

图4　容器位移云图Fig. 4 Displacement distribution of the chamber

2.2热沉

筒体热沉分主容器热沉和侧容器热沉，主、侧容器联合可供试验的有效空间为φ6.2m×19m。热沉采用不锈钢管焊铜翅片的管板结构，内表面喷涂黑漆，工作温度低于100K（参见图5），各内表面半球发射率实测值为 0.91～0.92，均大于 0.9，热沉最大热负荷200kW。

图5　热沉温度曲线Fig. 5 Temperature curve of the thermal shroud

为确保主容器和侧容器均可独立进行试验，从而提高设备使用效率，节省试验运行费用，在主容器与侧容器交界处设置可移动的活动热沉，如图6所示。活动热沉分为左右2片，可沿环形导轨移动实现打开和关闭。活动热沉两面喷黑漆，采用轻便可拆卸的多层作为防辐射屏，可根据需要选择悬挂面，从而保证活动热沉的使用并减少辐射漏热。

图6　活动热沉Fig. 6 The removable thermal shroud

2.3真空抽气系统

KM5B真空抽气系统由粗抽系统、分子泵系统、低温泵系统3部分组成。系统组成原理见图7。为降低产品污染风险，整套真空抽气系统采用无油化设计理念，粗抽泵、分子泵的前级泵，低温泵的再生泵等均采用无油干泵，并在粗抽主管路设置冷阱，在增加对水汽抽速的同时进一步降低污染风险。

图7　真空系统组成原理Fig. 7 The principle diagram of vacuum pumping system

粗抽系统配有6套大抽速干泵、罗茨泵泵组，可以在2.5h内将容器由常压抽到5Pa，如图8所示。分子泵系统配有5台抽速3200 L/s（对氮气）的磁悬浮分子泵，主要用于容器的辅助抽气和真空检漏。低温泵系统是整个真空抽气系统的主泵，采用7台抽速50000L/s（对氮气）的低温泵，同时配备了无油干泵用于低温泵的再生。真空泵与容器之间采用真空气动插板阀实现通断控制。在空载状态下，常温环境下16h，容器真空度可达5×10-4Pa，通液氮后容器极限真空度可达10-6Pa量级，参见图8。

图8　空载真空度曲线Fig. 8 The curve of pressure without load

真空度测量包括管路真空度和容器真空度，采用电阻规、皮拉尼规、冷规、裸规等多种真空计实现1×105～1×10-7Pa的真空度测量。

2.4氮系统

KM5B氮系统主要包括液氮系统、气氮系统和复压系统，系统流程见图 9。氮系统配置了近 40个气动阀和电磁阀，以及液氮泵、压缩机、加热器等设备，基本实现了整个氮系统的远程控制。

图9　氮系统流程图Fig. 9 Flow chart of nitrogen system

液氮系统主要用于为热沉提供稳定的液氮冷源，确保热沉温度低于100K；另外还要给真空系统的低温泵、冷阱等提供液氮。其设计热负荷为260 kW，具备单相密闭循环和开式沸腾2种运行模式。为提高可靠性、保障试验安全，设计时考虑了多种故障情况，储槽供液、液氮泵增压、回液放空等均有备份或旁通设计。

气氮系统主要用于试验结束时热沉加热回温以及热沉烘烤除气。利用换热器、氮气螺杆压缩机等实现密闭循环工作模式，可将热沉从100 K加热到333 K。同时配置1台加热器，用于辅助加热及开式工作模式，确保压缩机故障时可正常回温。

复压系统利用液氮汽化获取氮气，通过加热器、三级过滤器等将氮气控制在要求范围内送入容器，实现容器复压。

2.5外热流模拟系统

外热流模拟系统（图10）包括300台150V/5A的程控直流电源及其控制软件，用于为红外加热笼、红外灯等外热流模拟装置提供稳定准确的电源供应。

针对不同试验需求，系统具备开环、闭环、跟随以及开关等控制方式，可实现稳态工况和瞬态工况的精确模拟。可提前编写工况文件，导入控制软件，通过设定工况文件列表顺序及起始时间实现工况的自动执行。

图10　外热流模拟系统组成Fig. 10 The structure of thermal simulation system

为提高设备使用效率，提高通用性，该电源控制系统可支持多种电源型号，如 Agilent N5750A （150V，5A）、Sorensen DCS1200（150V，8A）和Sorensen DLM600（150V，4A）等，并且可以对单台电源或是多台电源进行控制，还可根据需要对系统进行电源扩展。该系统曾在某型号试验中控制2000台多种型号电源同时工作，系统工作稳定。

2.6中央控制系统

中央控制系统负责在试验过程中对KM5B的真空系统、氮系统、外热流模拟系统、冷却水、气源、罐内照明与摄像等分系统和设备进行远程集中监控，对试验数据进行监测，实现实时可视化监控试验运行情况。

中央控制系统分为集中监控层和现场控制层，其系统架构如图11所示。集中监控层与现场控制层通过交换机构成的测控局域网交互数据。系统采用可扩展的多级集散式控制架构，各分系统可在设备现场的控制柜上对分系统进行独立控制，也可以在控制室内的计算机上进行集中监控，实现远程、本地控制无扰切换。此外，中央控制系统按照设备运行条件设置逻辑互锁保护，避免因人为误操作而造成运行故障。

图11　中央控制系统架构Fig. 11 The structure of central control system

2.7其他

温度测量系统包括热沉温度测量和产品温度测量。温度传感器主要是热电偶和热电阻，测量通道2000路，且可根据需要进行扩展。

残余气体测量系统利用四极质谱计进行气体组分的监测，分析真空容器内热沉、真空容器、辅助装置、电缆引线等释放出的不同气体成分及数量，以及卫星等试验件本身有机挥发材料的挥发物组分。

污染监测系统配置8探头的石英晶体微量天平实时地监测污染量，同时可根据需要在试验件周围安装多只光学试片，用于试验后污染情况分析。

3 研制特点

3.1组合结构、整体设计、分步实施

考虑型号大型化发展趋势，兼顾后续型号试验需求，节省设备建设成本，KM5B空间环境模拟试验设备采用组合结构、整体设计、分步实施的理念，分为立式主容器，左、右侧卧式容器，主容器增高段，太阳模拟器5个部分，根据型号实际需求分步实施。现立式主容器和右侧卧式容器部分已通过一期、二期完成建设，其余部分计划通过三期、四期实施。KM5B现有容器外形及最终建成外形分别见图12和图13。

图12　现有容器外形图（正面）Fig. 12 The shape of the present chamber （front view）

图13　最终建成后外形图（背面）Fig. 13 The shape of the chamber in final completion （back view）

3.2功能多样、适用性广

KM5B主、侧容器既可单独使用，又可联合使用；既能满足常规的整星真空热试验需求，又能满足 SAR系列卫星天线展开状态的真空热试验需求，而且侧容器也可满足大型载荷定标及热试验需求。同时，利用主、侧容器同时开展双星真空热试验也具有很大的可行性，上海卫星装备研究所正在开展该方面的研究。

3.3开孔率大

φ10m容器两侧开φ7m孔，如此大的开孔率为KM5B在国内同类设备中所仅有。为保证容器强度和稳定性，主、侧容器相贯处采用局部密集补强方案，经有限元仿真分析对容器补强结构进行多轮修正，最终对真空容器抽真空进行容器应力及稳定性实测，结果均满足使用要求。

3.4可靠性高

KM5B规模大、试验成本高，为保障试验安全，提高可靠性，采用了多种措施：

1）水、电、气等基础条件，以及液氮泵、低温泵等关键设备均有冗余备份；

2）真空抽气系统采用无油化设计，降低返油污染产品风险；

3）远程控制与本地控制之间无扰切换，一旦远程控制故障，可立即切换为本地控制；

4）真空、液氮等设备操作设置逻辑互锁保护，避免误操作引起故障；

5）系统主要参数及关键设备参数均可远程监测，并有报警设置，确保及时发现并处理异常情况。

3.5远程集控水平高

KM5B具有较高的远程集控水平，不但实现了各分系统参数的远程集中监测，而且除氮系统少量手动阀外，其余设备均实现了远程集中控制，系统控制效率大幅提升。成以来，KM5B已圆满完成了多次整星试验及载荷定标试验。试验期间，各分系统状态稳定可靠，性能优良，真空度（普遍优于4×10-5Pa）、热沉温度（稳定在-180℃（93K）以下）等各项指标均满足设计指标和实际试验要求。现根据型号需求，另一侧容器建设申报工作已经启动，建设完成后，KM5B内部有效长度将达到26m。作为我国现有第二大空间环境模拟试验设备，KM5B的成功研制将对我国航天事业的发展起到有力的保障作用。

4 结束语

KM5B采用立式容器和卧式容器的组合结构，整体设计、分步实施，不但试验功能多样、适用性广，还可有效降低大型试验设备的研制成本。自建

（References）

［1］ 黄本诚， 童靖宇. 空间环境工程学［M］. 北京:中国科学技术出版社， 2010

［2］ 达道安. 真空设计手册［M］. 北京:国防工业出版社， 2006

［3］ 彭光东， 齐晓军， 陈丽. KM5A空间环模试验设备研制［J］.航天器环境工程， 2010， 27（4）:485-488 PENG G D， QI X J， CHEN L. Development of KM5A space environmental simulation test facility［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2010， 27（4）:485-488

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［5］ 黄本诚. 神舟飞船特大型空间环境模拟器［J］. 航空制造技术， 2005（11）:34-37

［6］ 景加荣， 姜健， 陈剑霞. 红外及微波定标试验用空间环模设备研制［J］. 航天器环境工程， 2012， 29（1）:104-107 JING J R， JIANG J， CHEN J X. Design of space environmental simulation facility for calibration of microwave and infrared instruments［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2012， 29（1）:104-107

［7］ 郑保熹. 星载遥感器在模拟空间环境中辐射定标设备研制［J］. 航天器环境工程， 2001， 18（3）:1-14 ZHENG B X. Development of radiometric calibration facility of space-borne remote sensor in simulated space environment［J］. Spacecraft Environment Engineering，2001， 18（3）:1-14

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（编辑：冯露漪）

Development of KM5B space environmental simulation test facility

ZHANG Shiyi， CHEN Li， QI Xiaojun， PENG Guangdong， LI Hongyu， JI Xiaozhi
（Shanghai Institute of Spacecraft Equipment， Shanghai 200240， China）

To meet the test requirement of the satellites belonging to the SAST5000 satellite platform and the SAR series， a large space environmental test facility， named KM5B， is built. The KM5B facility， which includes a main erect chamber and an auxilliary horizontal chamber， can be expanded according to the requirement. This paper briefly introduces the technical specifications， the structure configuration， the key technologies of the KM5B facility， which is the second largest space environmental test facility in use in China.

space environmental simulation； ground test facility； KM5B； thermal vacuum test

V416.5； V416.8

B

1673-1379（2016）04-0434-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.017

2016-01-06；

2016-05-10

张世一（1986—），男，硕士学位，主要从事空间环境模拟试验技术研究。E-mail:wqe4566@163.com。