為了滿足在低溫下固體和涂層材料物理性能參數(shù)的測(cè)量，研制出一套低溫真空測(cè)試系統(tǒng)。該套設(shè)備采用固體傳導(dǎo)形式使熱沉快速降溫，模擬了在高真空、冷黑環(huán)境下對(duì)試件主要性能的影響。主要對(duì)設(shè)備中熱沉的降溫速率、溫度均勻性和控溫精度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求。

　　空間環(huán)境包括：真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場(chǎng)和引力場(chǎng)等。對(duì)于航天材料而言，由于外層空間環(huán)境的嚴(yán)酷，必須針對(duì)航天材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。航天科技中需要做大量的環(huán)境試驗(yàn)，針對(duì)產(chǎn)品可能發(fā)生的缺陷進(jìn)行探測(cè)。

　　目前，國(guó)外TENNEY 和BEMCO 的熱真空設(shè)備可以采用無(wú)需潤(rùn)滑的磁懸浮技術(shù)和專用控速電機(jī)的分子泵。國(guó)內(nèi)除空間技術(shù)研究院自行研發(fā)使用熱真空試驗(yàn)箱較多，專業(yè)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備的廠家和產(chǎn)品數(shù)量都是屈指可數(shù)的，沒(méi)有一個(gè)廠家像美國(guó)TENNEY 和BEMCO 一樣將該類設(shè)備系列化。為滿足國(guó)家航天事業(yè)蓬勃發(fā)展的需要，立足自身發(fā)展的熱真空試驗(yàn)箱成為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的新課題。

　　低溫真空測(cè)試系統(tǒng)是專項(xiàng)試驗(yàn)，也是典型的熱真空試驗(yàn)設(shè)備的縮影，屬于定制類項(xiàng)目，應(yīng)用面比較窄。為了對(duì)產(chǎn)品提供在低溫-180℃、極限真空度為1×10^-5 Pa 的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，因此研制出該系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果檢驗(yàn)產(chǎn)品最終的可靠性。

1、主要技術(shù)參數(shù)

　　低溫真空測(cè)試系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：真空容器、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。

　　1.1、真空容器

　　a、設(shè)計(jì)尺寸為Φ600mm×800mm

　　b、空載極限真空度：優(yōu)于1×10^-5 Pa；

　　c、真空容器總漏率：優(yōu)于1×10^-9 Pa·m³/s；

　　d、熱沉有效尺寸：Φ400mm×400mm

　　e、熱沉外表面鍍鎳光亮，內(nèi)表面涂黑漆，內(nèi)表面發(fā)射率﹥0.90；

　　1.2、真空系統(tǒng)

　　a、主抽真空泵采用日本住友低溫泵(型號(hào)：CP-8，極限真空1×10^-7 Pa)；

　　b、粗抽系統(tǒng)采用日本巖田干泵(型號(hào)：ISP-250C，抽速1.5L/s)；

　　1.3、制冷系統(tǒng)

　　a、熱沉從常溫降至-180℃時(shí)，制冷機(jī)提供冷源(制冷機(jī)采用日本住友型號(hào)：CH-110)；

　　b、熱沉降溫速率：0.8℃/min；

　　1.4、測(cè)控系統(tǒng)

　　a、溫度范圍：77K～常溫；

　　b、熱沉溫度均勻性：±1.5℃；

　　c、熱沉控溫精度：±0.5℃；

　　d、加熱方式：電加熱。

2、設(shè)備分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)通過(guò)干泵和低溫泵來(lái)維持高真空。本試驗(yàn)裝置采用固體傳導(dǎo)將制冷機(jī)冷量直接傳遞給熱沉降溫，設(shè)備系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

　　2.1、真空容器

　　真空容器經(jīng)過(guò)整體檢漏后，漏率優(yōu)于1×10^-9 Pa·m³/s，內(nèi)部封頭上焊接兩角鋼用來(lái)支撐熱沉，角鋼上采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行隔熱。

圖2 設(shè)備示意圖

　　熱沉是為樣品提供冷、黑背景的光封閉容器，安裝于真空容器內(nèi)部，樣品架安裝在熱沉內(nèi)，與熱沉絕熱。熱沉外面包扎相關(guān)鍍鋁薄膜進(jìn)行防輻射，樣品放置在樣品架上，處于熱沉內(nèi)部均勻溫場(chǎng)中。如圖3 所示模擬了熱沉溫場(chǎng)的變化。

圖3 熱沉溫場(chǎng)分布

　　2.2、制冷系統(tǒng)

　　熱沉常規(guī)制冷方式有氦氣循環(huán)制冷、液氮制冷、復(fù)疊機(jī)組制冷和固體熱傳導(dǎo)制冷。

　　氦氣循環(huán)制冷需要氦氣壓縮機(jī)把冷源(制冷劑)氦氣源源不斷的通過(guò)盤(pán)管輸入熱沉中，最終形成閉環(huán)，這種原理中，需要板式換熱器，浪費(fèi)了試驗(yàn)空間，同時(shí)降溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且不能保證熱沉的溫度均勻性。

　　液氮制冷和復(fù)疊機(jī)組制冷屬于冷量要求較大的條件下使用，亦可作要求。

　　為了方便有效的使熱沉滿足所需求的技術(shù)參數(shù)，該套低溫真空測(cè)試系統(tǒng)用固體熱傳導(dǎo)模式原理。

　　低溫制冷系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組成，制冷機(jī)主要功能為熱沉提供冷量，維持并穩(wěn)定熱沉的溫度。制冷機(jī)安裝在真空容器尾部封頭上，冷頭穿過(guò)容器封頭伸入真空容器內(nèi)，與熱沉底法蘭銅螺栓聯(lián)接。

　　在罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，依次布置傳感器，分別為冷頭、銅編織帶、熱橋、熱沉左、熱沉中和熱沉右(其中熱沉上均勻布置3 個(gè)傳感器)。采用兩根不銹鋼角鋼支撐熱沉，用M5 銅螺栓使冷頭和法蘭固定，冷頭法蘭焊接6 根銅編織帶至熱沉尾部，熱橋通過(guò)冷頭前端法蘭和熱沉相連，為保證溫度均勻性，在熱橋和熱沉相連處分別搭接熱橋分支至熱沉兩端，如圖4 所示。

圖4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　該套設(shè)備現(xiàn)已成功運(yùn)用于客戶試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，主要技術(shù)參數(shù)均滿足達(dá)標(biāo)。采用固體傳導(dǎo)方式對(duì)熱沉進(jìn)行直接降溫，和傳統(tǒng)氦氣循環(huán)方式對(duì)比具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行增加了保障性，同時(shí)大大減少了成本，為類似的試驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)。