专利名称：：一种减小试验成本的液氦热沉支撑结构的制作方法一种减小试验成本的液氦热沉支撑结构
技术领域：
1本发明涉及一种减试-验成本的液氦热沉支撑结构。本发明特别用于一种减小液氦消耗的液氦热沉支撑结构。
背景技术：
：热沉是空间环境模拟设备的重要組成部分，其作用是在地面上模拟空间的冷黑环境。目前，国内外的热真空环境模拟试验设备大都采用液氮热沉模拟太空的冷黑环境，但对于要求有大放气量、大抽速的系统，能够模拟的真空度不高，只能模拟100km以下的环境压力。随着中国航天迅猛的发展，大放气量载人航天的需要，火箭发动机羽流试验的需求，采用液氮热沉已经无法达到试验要求，这就要求必须采用液氦热沉，其可以模拟iookm以上的环境压力，更接近于真实的真空深冷环境。发动机羽流试验一般采用氮气作为工作介质来模拟真实气体，此时，液氮热沉不能吸附发动机喷流氮气，无法维持一定的动态真空度，喷流氮气只能采用液氦热沉进行吸附，以维持足够高的动态真空度。羽流试^r用的液氦热沉由液氮热沉保护，以减小真空容器对液氦热沉的热负荷，即发动#几羽流试-验时,必须采用两层热沉，内部热沉为液氦热沉，液氦热沉主要用于气体吸附，外部热沉为液氮热沉，液氮热沉主要用于对液氦热沉的冷屏保护。为了保证热沉正常工作，其必须有稳定的支撑结构，传统的支撑结构包括两方面，一是热沉片与骨架之间的支撑，另一个是热沉片与骨架连成一体后在真空容器内的支撑。支撑结构的关键是要让热沉片在冷热温度循环下能自由伸缩，不产生较大的温度应力。在热沉骨架与容器的支撑点上加绝热垫，可节省液氮消耗并避免容器壁结霜或结露。按照常规设计方法，用于羽流试验的两层热沉应分別采用骨架支撑，如图1所示，主要由滚轮支撑(6)、液氦热沉及其骨架(7)、液氮热沉及其骨架(8)、真空容器(9)组成。对于汽化潜热大且价格低廉的液氮来说，这种支撑结构由于导热和辐射而造成的液氮耗量不多，产生的附加试验成本不高。但对于汽化潜热小且价格昂贵的液氦来说，这种支撑结构由于导热和辐射而造成的液氦耗量急剧增加，且附加试验成本急剧升高。
发明内容本发明的目的是提供一种筒单、能减小试验成本的液氦热沉支撑结构，即取消传统的液氦热沉骨架，将液氦热沉和液氮热沉设计成一体，液氦热沉通过聚四氟乙烯垫直接安装在液氮热沉上。4巴液氮热沉等效成液氦热沉骨架，从而减小了预冷液氦骨架所消耗的液量。一种减小试验成本的液氦热沉支撑结构由聚四氟乙烯垫(1)、滚轮支撑(2)、液氦热沉(3)、液氮热沉及其骨架(4)、真空容器(5)组成。本发明具有的优点在于(a)液氦热沉通过聚四氟乙烯垫直接安装在液氮热沉上面，减少了一套热沉骨架；(b)增加了真空容器内部的有效试验空间；(c)减少了真空容器内部材料的放气率；(d)提高了真空容器内部的静态真空度；(e)減少了预冷液氦热沉需要消耗的液氦量；(f)材料减少，加工成本降低；(g)耗液少，试验成本降低。图1是传统热沉骨架形式图2是等效热沉骨架形式具体实施方式l下面结合附图来进一步说明本发明。1、液氦热沉预冷过程分析为了减小液氦消耗，预冷时，先向液氦热沉管路中充入液氮，使液氦热沉充分预冷到100K,然后利用液氦继续预冷液氦热沉，直到液氦热沉温度达到10K左右时，开始做试验。预冷过程中，总的液氦耗量公式如下式中——总的液氦耗量，m3;VHel——预冷液氦热沉自身需要消耗的液氦量，m3,不包括骨架；VHe2——克服静负载需要消耗的液氦量，m3，静负栽包括各种热辐射和导热，主要是由液氮热沉、及骨架产生的；Q——预冷液氦热沉所需冷量，kJ;尽-液氦热沉入口处液氦对应的焓，kJ/kg;&——液氦热沉出口处气氦对应的焓，kJ/kg;Afe——液氦密度。2、预冷时，传统的液氦热沉骨架和等效液氦热沉骨架的液氦耗量对比分析由总的液氦耗量公式可以看出，无论采用哪种骨架形式，预冷液氦热沉自身质量需要消耗的液氦量VIIel不变，只要分析克服静负载需要消耗的液氦量VHe2即可。静负载包括液氮热沉对液氦热沉的辐射、骨架通过聚四氟乙烯对液氦热沉的导热、骨架对液氦热沉的辐射。其中，无"i仑采用哪种骨架形式，液氮热沉对液氦热沉的辐射不变，最后只需要分析骨架通过聚四氟乙烯对液氦热沉的导热及骨架对液氦热沉的辐射大小即可。以尺寸<D5.2mxl2.6m的羽流试-验用真空容器为例，其液氦热沉尺寸O4.0mx9.9m,液氮热沉尺寸①4.6mx9.9m,试验气体为氮气，流量为2g/s,静态真空度为l(T6Pa,动态真空度为10—3Pa。液氦热沉及其骨架质量如下表所示，从表中可以看出，骨架质量和热沉质量相当，如不对骨架做特殊处理，仅预冷这部分质量所消耗的液氦量就相当可观。不锈钢管质量(Kg)铜翅片质量(Kg)不锈钢骨架质量(Kg)145829134847(1)骨架对液氦热沉的;嬉射计算公式如下式中込——辐射传热速率，W;4~"液氦热沉外表面积，m2;4-骨架内表面积。取m、cy——^Jf蒂藩-玻尔兹曼常数；7;^液氦热沉温度；r2——骨架温度；《-e2--液氦热沉外表面吸收系数；-液氮热沉内表面吸收系数。K=最后得到骨架对液氦热沉的热负荷込=123W，带走此部分热负荷需消耗液氦量gx3600123x3600L2K+A/^2ok—4.2K124.9(20.9+87.8)计算，则共消耗165L液氦。等效液氦热沉骨架以液氮热沉为支撑，所以不存在该项消耗(2)过聚四氟乙烯对液氦热沉的导热导热计算公式如下1=33L/h,预冷过程按5小时式中込一《一;l————一导热量，W;一导热4妾触面积，m2，0.01;-材料导热系数，W/(mk)，聚四氟乙烯取0.29;-材料高温端温度(骨架温度)，K;-低温端温度(氦板温度)，K;T厂对于传统液氦热沉骨架来说，液氦开始预冷时，骨架温度？〖要高于100K,根据KM系列真空容器的使用经验，7;150K(主要是由于骨架质量太重，导致热容大，降温速率慢，热沉达到100K时，骨架还未冷下来。)，计算得到0,696W，需消耗的液氦量为184L/h,预冷过程按5小时计算，则共消耗920L液氦。对于等效液氦热沉骨架来说，液氦开始预冷时，等效骨架(液氮热沉)温度为100K,r,100K，得到込弓22W,需消耗的液氦量为138L/h,预冷过程按5小时计算，则共消耗6卯L液氦。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由上表可以看出，采用等效热沉骨架形式，可以节约试验成本，每次约节约7.9万元，经济价值十分可观。权利要求1、液氦热沉支撑结构，主要由液氮热沉及其骨架、液氦热沉、聚四氟乙烯垫组成，其特征在于液氦热沉通过聚四氟乙烯垫直接安装在液氮热沉上。全文摘要用于空间环境模拟设备的液氦热沉支撑结构，由液氮热沉及其骨架、液氦热沉、聚四氟乙烯垫组成，液氦热沉通过聚四氟乙烯垫直接安装在液氮热沉上。该结构可使热沉减少一套骨架，从而增加了真空容器内部的有效试验空间，减少了真空容器内部材料的放气率，提高了真空容器内部的静态真空度；同时，所需材料减少，预冷液氦热沉需要消耗的液氦量也减少，从而使试验成本降低。文档编号G01M15/02GK101592554SQ200910088108公开日2009年12月2日申请日期2009年7月2日优先权日2009年7月2日发明者凌桂龙,张国舟,李晓娟,王文龙,蔡国飙,黄本诚申请人:北京航空航天大学