空间模拟器设计技术PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 概述 1

1.2 近地空间环境 2

1.3 空间环境及其效应 2

1.3.1 真空环境及其效应 2

1.3.2 原子氧环境及其效应 4

1.3.3 粒子辐射环境及其效应 5

1.3.4 太阳辐射环境及其效应 7

1.3.5 热环境及其效应 10

1.3.6 微流星与空间碎片环境及其效应 11

1.3.7 地球磁场环境及其效应 12

1.3.8 空间引力场环境及其效应 14

1.3.9 空间冷黑环境及其效应 14

1.3.10 空间污染及其效应 15

1.3.11 空间等离子体环境及其效应 15

1.3.12 空间微重力环境及其效应 16

1.3.13 空间大气环境及其效应 16

1.4 航天器经历的环境 17

1.5 空间模拟器 17

1.5.1 空间模拟器的分类 17

1.5.2 热真空试验设备 18

1.6 空间环境工程学研究的主要内容 19

1.7 空间模拟器与整星空间环境试验技术 20

1.7.1 空间模拟器是航天器环境试验验证工作的必要手段 20

1.7.2 空间环境试验的必要性 21

1.7.3 空间环境试验方法与使用程序 22

1.7.4 空间环境模拟试验技术的主要研究方向 23

1.7.5 在空间环境模拟器中进行典型试验的项目 25

1.8 空间模拟器的主要环境参数 29

1.8.1 真空环境 29

1.8.2 冷黑环境 30

1.8.3 空间外热流环境 30

1.8.4 航天器真空热试验环境模拟参数 31

1.9 建立空间模拟器的必要性 31

1.9.1 热真空、热平衡试验的需要 31

1.9.2 载人航天器试验的需要 31

1.9.3 航天器特殊组件试验的需要 32

1.9.4 航天器可靠性与经济上的需要 32

1.9.5 航天器研制性试验与改进性试验的需要 32

1.10 空间模拟器的国内外进展 32

1.10.1 中国空间模拟器的发展概况 32

1.10.2 国外空间模拟器的发展 39

第2章 空间模拟器总体设计 43

2.1 概述 43

2.2 总体设计主要技术指标的确定 43

2.2.1 明确服务对象 43

2.2.2 总体技术指标要求 44

2.3 总体技术指标中特殊要求的确定 46

2.3.1 根据不同特殊使用要求增加对应分系统的特殊要求 46

2.3.2 满足各分系统间的相互约束的特殊要求 47

2.3.3 环境、污染与安全的特殊要求 48

2.3.4 制造与工艺的特殊要求 49

2.3.5 优化设计与计划进度的特殊要求 50

2.3.6 测试与维修的特殊要求 51

2.3.7 发展与接口的特殊要求 51

2.4 总体方案设计任务与步骤 51

2.4.1 总体方案设计的宗旨 51

2.4.2 总体方案设计的步骤 52

2.4.3 总体方案设计任务 52

2.4.4 总体对分系统方案类型的选择和要求 53

2.5 空间模拟器分系统组成 53

2.6 总体设计方法与优化 58

2.6.1 总体方案设计的基本任务 58

2.6.2 总体综合设计 59

2.6.3 优化设计 59

2.6.4 预先研究 60

2.6.5 总体方案可行性论证 63

2.6.6 提出初步设计要求 65

2.6.7 总体设计中的反馈与评审 65

2.6.8 关键技术分析 68

2.6.9 总体设计基本原则与质量保证 69

2.7 分系统的设计原则 77

2.7.1 真空容器的设计原则 77

2.7.2 真空系统的设计原则 79

2.7.3 热沉的设计原则 82

2.7.4 液氮系统的设计原则 86

2.7.5 气氮系统的设计原则 87

2.7.6 氦系统的设计原则 88

2.7.7 太阳辐照环境的设计原则 88

2.7.8 测控系统的设计原则 90

2.8 空间模拟器的投资与运转费用 91

2.8.1 空间模拟器的投资 91

2.8.2 空间模拟器的运转费用 92

第3章 真空容器设计技术 94

3.1 概述 94

3.2 真空容器的结构设计与计算 95

3.2.1 真空容器的结构设计与稳定性计算 95

3.2.2 真空容器壳体及封头设计 100

3.2.3 球形真空容器设计 112

3.2.4 箱型真空容器设计 114

3.2.5 有限元计算在大型真空容器设计中的应用 115

3.3 大型圆柱形真空容器参数简要说明 116

3.3.1 真空容器参数说明 116

3.3.2 容器壳体设计计算参数 118

3.4 大型真空容器的制造工艺 120

3.4.1 大型真空容器的制造流程 120

3.4.2 真空容器筒体制造工艺 121

3.4.3 法兰制造工艺 127

3.4.4 大型真空容器开孔补强与对接焊接工艺 133

3.4.5 门与封头制造工艺 136

3.4.6 KM6大型喇叭形、锥形圆筒的焊接工艺 140

3.5 球形真空容器的制造工艺 140

第4章 热沉设计技术 145

4.1 空间冷黑环境 145

4.2 热沉模拟的有效性研究 146

4.3 热沉模拟的热辐射 147

4.3.1 有外部热源时，热沉温度对航天器的热辐射 147

4.3.2 由压力、剩余气体引起的热传导误差 148

4.3.3 没有外部热辐射时，热沉温度、尺寸与发射率对航天器热试验的影响 148

4.4 热沉热负荷计算分析 150

4.4.1 航天器对热沉的辐射与反辐射的数值模拟 150

4.4.2 用太阳模拟器进行真空热试验对热沉辐射热的计算 151

4.4.3 用红外模拟器进行真空热试验对热沉辐射热的计算 151

4.4.4 热沉接受圆柱体真空容器壁辐射热的数值模型 152

4.4.5 热沉传导漏热的计算 153

4.4.6 容器内剩余气体的传导漏热 153

4.5 热沉模拟的结构设计 153

4.5.1 热沉的形式 154

4.5.2 热沉壁板形式 154

4.5.3 热沉材料的选择 156

4.5.4 热沉支管间距设计 160

4.5.5 热沉液氮进出口管设计 160

4.6 分子沉模拟技术 161

4.6.1 分子沉模拟的结构形式 162

4.6.2 深冷抽气速率计算 165

4.6.3 深冷泵的热负荷 175

4.7 热沉制造工艺 177

4.7.1 材料的检验 178

4.7.2 焊接工艺及质量控制 178

4.7.3 热沉的检漏 179

4.8 热沉总装技术 180

4.9 热沉测温技术 181

第5章 真空系统设计技术 182

5.1 概述 182

5.2 真空系统设计流程 183

5.3 真空获得系统组成 186

5.3.1 概述 186

5.3.2 空间环境模拟设备常用真空获得设备 187

5.3.3 真空机组及其应用说明 194

5.4 被抽气体分析及计算 197

5.4.1 真空抽气过程 197

5.4.2 粗抽阶段气体分析及计算 199

5.4.3 高真空阶段气体分析及计算 199

5.5 抽气时间和压力的计算 202

5.5.1 气体流动状态及其判别 202

5.5.2 容器有效抽速及管道流导 204

5.5.3 抽气时间的计算 207

5.5.4 真空容器压力计算 210

5.6 真空获得系统的选择与匹配计算 212

5.6.1 高真空系统的选择 212

5.6.2 过渡系统 214

5.6.3 粗抽系统设计计算 215

5.7 复压系统设计 217

5.8 换气系统 218

5.9 尾气排放系统 219

5.10 真空测量 220

5.10.1 概述 220

5.10.2 真空测量的特点及真空计的选用原则 220

5.10.3 常用真空测量设备 221

5.10.4 真空测量系统设计 224

5.11 污染测量和控制 227

5.11.1 概述 227

5.11.2 污染测量方法 227

5.11.3 降低污染的方法及措施 229

5.12 真空检漏 230

5.12.1 概述 230

5.12.2 检漏规划与指标设计 231

5.12.3 检漏方法的说明与选择 236

5.12.4 大型真空系统检漏说明 246

5.13 大口径低温泵研制 252

5.13.1 研制流程说明 253

5.13.2 低温泵总体设计 254

5.13.3 设计计算 262

5.13.4 制造及装配工艺 262

5.13.5 低温泵测试 266

第6章 液氮系统设计技术 272

6.1 概述 272

6.2 方案设计 272

6.3 系统热负荷的计算 276

6.4 典型液氮系统举例 284

第7章 气氮系统设计技术 291

7.1 概述 291

7.2 气氮回温系统 291

7.2.1 方案设计 291

7.2.2 设计计算 293

7.2.3 典型气氮回温系统举例 295

7.3 气氮调温系统 298

7.3.1 气氮调温系统的应用目的与技术指标 298

7.3.2 热沉调温方法 299

7.3.3 调温系统的设计 303

7.3.4 中国KFT空间环境模拟设备的调温系统 308

第8章 氦低温系统设计技术 310

8.1 概述 310

8.1.1 氦低温系统在空间模拟器中的作用 310

8.1.2 空间模拟器中常用的几种氦制冷系统 311

8.2 中国几台典型的空间模拟器的氦制冷系统 318

8.2.1 KM3空间模拟器的氦制冷系统 318

8.2.2 KM4空间模拟器的氦制冷系统 320

8.2.3 KM6空间模拟器的氦制冷系统 325

8.2.4 直径5.2m空间模拟器的液氦低温系统 341

8.3 国际上空间模拟器中应用的氦低温系统 353

8.3.1 热真空试验用的空间模拟器中的氦低温系统 353

8.3.2 红外与多光谱定标试验用的空间模拟器中的氦低温系统 357

8.3.3 姿控发动机羽流试验用的空间模拟器中的氦低温系统 359

第9章 太阳模拟器设计技术 362

9.1 概述 362

9.2 太阳辐射能量与太阳常数 362

9.3 太阳辐照的环境特征 366

9.3.1 空间外热流模拟 366

9.3.2 太阳辐照的主要环境特征 367

9.4 太阳辐照环境效应 368

9.5 太阳辐照环境模拟技术 370

9.5.1 太阳模拟器的分类 370

9.5.2 光学系统设计 373

9.5.3 光学系统装校与测量 382

9.5.4 测控系统设计 383

9.5.5 冷却系统设计 385

9.6 太阳模拟器的光源 386

9.6.1 对光源的要求 386

9.6.2 短弧氙灯 389

9.7 国内太阳模拟器 394

9.7.1 KM4太阳模拟器 394

9.7.2 KFT太阳模拟器 397

9.7.3 TM-3000系列太阳模拟器 399

9.7.4 KM2太阳模拟器 399

9.7.5 KFTA太阳模拟器 400

9.7.6 KM6太阳模拟器 401

9.7.7 KM6A太阳模拟器 411

9.7.8 辐照面积直径5m发散式太阳模拟器方案设计 412

9.7.9 KM3E设备辐照面积直径2m离轴式太阳模拟器 412

9.8 国外太阳模拟器 414

9.8.1 美国典型太阳模拟器 414

9.8.2 欧洲空间局ESTEC大型太阳模拟器 416

9.8.3 俄罗斯大型太阳模拟器 419

9.8.4 德国大型太阳模拟器 420

9.8.5 日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）筑波中心两台大型太阳模拟器 422

9.8.6 印度空间研究院（ISRO）的大型太阳模拟器 422

9.9 光源性能和太阳模拟器性能测量 423

9.9.1 光源性能测量 423

9.9.2 太阳模拟器性能的测量 426

9.9.3 模拟太阳辐照标准 429

9.10 太阳紫外辐照模拟技术 431

9.10.1 太阳紫外光谱分类 431

9.10.2 紫外辐照效应 432

第10章 吸收热流模拟方法及设计技术 434

10.1 概述 434

10.2 航天器热控制系统的需求和吸收热流模拟设备的作用 436

10.2.1 航天器热控制系统对温度的需求分析 436

10.2.2 吸收热流模拟设备在航天器热控制系统任务中的作用 437

10.3 吸收热流模拟设备与真空热试验技术 438

10.3.1 一般概念 438

10.3.2 用吸收热流模拟设备做航天器真空热试验的重要性 439

10.3.3 航天器真空热试验类别 439

10.3.4 航天器真空热试验工况的确定 440

10.4 空间外热流及其模拟试验 441

10.4.1 空间外热流 441

10.4.2 空间外热流模拟试验 443

10.4.3 吸收热流模拟装置的要求 444

10.5 吸收热流模拟装置的类型与性能要求 446

10.5.1 吸收热流模拟装置的类型 446

10.5.2 吸收热流模拟装置的性能要求 451

10.6 红外加热器的设计 452

10.7 红外加热笼与试件的辐射换热计算 456

10.8 红外加热笼设计中的关键技术 461

10.9 红外灯模拟器的设计 467

10.10 红外加热器与太阳模拟器的比较 471

10.11 外热流模拟装置的选用原则 472

10.11.1 选用外热流模拟装置的主要原则 472

10.11.2 使用红外热流模拟器对空间模拟器的技术要求 472

10.12 外热流测量与误差要求 473

10.13 中国航天器真空热试验红外模拟器的设计和应用 478

10.13.1 中国返回式卫星热平衡试验红外加热笼的设计 478

10.13.2 中国东方红三号通信卫星通信舱南板红外灯阵的设计 480

10.13.3 中国神舟号飞船真空热试验 481

10.13.4 中国探月卫星真空热试验 487

第11章 运动模拟器与试验平台设计技术 491

11.1 概述 491

11.2 国内外运动模拟器结构形式 491

11.2.1 常平架式结构 492

11.2.2 弓形结构 493

11.2.3 半弓形式结构 498

11.2.4 两端支承的双十字形结构 501

11.3 KM6运动模拟器的设计 503

11.3.1 方案选择 503

11.3.2 技术指标 503

11.4 运动模拟器设计的具体要求 506

11.5 试验平台设计 507

11.5.1 KM6防振平台设计 507

11.5.2 具有自动水平调节机构的试验平台 509

第12章 载人试验空间模拟器设计技术 513

12.1 航天员舱外活动与舱外航天服试验舱设计 513

12.1.1 概述 513

12.1.2 舱外航天服试验舱用途 515

12.1.3 舱外航天服试验舱系统组成及性能 516

12.1.4 载人航天空间环境模拟试验技术 518

12.2 人舱联合试验实验舱设计技术 525

12.2.1 KM6水平舱舱门及舱体阀门设计技术 525

12.2.2 舱体阀门的设计 534

12.2.3 舱门系统和舱体阀门的研制结论 536

12.2.4 环境控制系统设计 537

12.2.5 综合复压系统设计 538

12.2.6 KM6水平舱真空系统设计技术 544

12.2.7 KM6水平舱消防系统设计 551

12.3 载人航天热试验技术 555

12.3.1 中国载人航天器热平衡与热真空试验技术 555

12.3.2 美国载人航天器的热真空试验技术 558

12.3.3 载人航天活动热真空试验的特殊要求 559

第13章 管理与测控系统设计技术 563

13.1 概述 563

13.2 总体设计及任务分解 564

13.3 试验管理子系统设计 567

13.3.1 用户管理分系统 568

13.3.2 试验任务分系统 568

13.3.3 数据管理分系统 569

13.4 设备运行子系统设计 570

13.4.1 设备运行子系统设计要求 571

13.4.2 设备测控分系统 571

13.4.3 设备管理分系统 581

13.5 测控系统接口需求 582

第14章 太阳系环境空间模拟器探讨 584

14.1 概述 584

14.2 行星际环境 584

14.2.1 热环境 584

14.2.2 大气环境 587

14.2.3 银河宇宙射线 587

14.2.4 太阳宇宙射线 587

14.2.5 太阳电磁辐照 588

14.2.6 太阳风 588

14.2.7 微流星体 589

14.2.8 行星际磁场 590

14.3 月球环境 591

14.4 内行星环境 596

14.4.1 金星环境 596

14.4.2 水星环境 598

14.4.3 火星环境 599

14.5 外行星环境 601

14.5.1 木星环境 601

14.5.2 土星环境 603

14.5.3 天王星环境 603

14.5.4 海王星环境 604

14.6 太阳系环境空间模拟器的设计探讨 605

14.6.1 目标与任务 605

14.6.2 总体技术指标与试验项目 606

14.6.3 技术方案设想 607

14.6.4 建立环形太阳系空间模拟器的必要性 609

14.6.5 设计原则 610

14.7 空间模拟器的分系统组成与技术指标 610

14.7.1 真空容器 610

14.7.2 模拟空间冷黑环境100K的热沉 611

14.7.3 真空系统 612

14.7.4 液氮系统设计 612

14.7.5 热沉复温系统设计 613

14.7.6 人机环境科学研究试验系统设计 613

14.7.7 发散式太阳模拟器 616

14.7.8 姿控发动机羽流效应试验单元 617

14.7.9 模拟空间4.2K热沉设计 618

14.7.10 模拟空间4.2K热沉的液氦系统设计 619

14.7.11 月球环境科学研究试验单元 620

14.7.12 模拟外星球（水星，金星）高温的红外板式模拟器 624

14.7.13 太阳电池阵、天线展开微重力试验单元 626

14.7.14 模拟地球反照与辐照的红外灯阵模拟器 627

14.7.15 真空及温度环境效应真空热试验 629

14.7.16 离轴式太阳模拟器 630

14.7.17 模拟航天器相对太阳运动的姿态模拟器 630

14.7.18 空间地磁亚暴环境效应试验单元 632

14.7.19 电离层等离子体环境效应试验单元 633

14.7.20 空间综合辐照环境效应试验单元 635

14.7.21 高能质子单粒子效应辐照环境试验单元 638

14.7.22 微流星体与空间碎片超高速撞击试验单元 638

14.7.23 低地球轨道原子氧、紫外环境协合效应试验单元 639

14.7.24 红外多光谱遥感器定标试验单元 640

14.7.25 空间等离子体“黑障”效应试验单元 641

14.7.26 测控中心 642

14.7.27 仿真中心 644

第15章 国内外空间模拟器 646

15.1 国内外空间模拟器概述 646

15.2 中国的空间模拟器 648

15.2.1 KM1空间模拟器 648

15.2.2 KM2空间模拟器 649

15.2.3 KM2A空间模拟器 650

15.2.4 KM3空间模拟器 651

15.2.5 KM3A空间模拟器 652

15.2.6 舱外航天服试验舱专用空间模拟器 652

15.2.7 PES专用空间模拟器 653

15.2.8 KM4空间模拟器 654

15.2.9 KM5空间模拟器 657

15.2.10 KM5A空间模拟器 657

15.2.11 KM6空间模拟器 658

15.2.12 KM6B空间模拟器 666

15.2.13 KM7空间模拟器 668

15.2.14 KM7A空间模拟器 669

15.2.15 KM8空间模拟器 671

15.3 国外空间模拟器 676

15.3.1 美国空间模拟器 677

15.3.2 欧空局欧洲空间研究与技术中心空间模拟器 691

15.3.3 法国空间模拟器 693

15.3.4 德国空间模拟器 695

15.3.5 英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的空间模拟器 698

15.3.6 比利时列日大学宇宙物理研究所（IAL）空间模拟器 698

15.3.7 苏联／俄罗斯大型空间模拟器 699

15.3.8 日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）空间模拟器 702

15.3.9 印度空间研究院（ISRO）的空间模拟器 706

15.4 光学遥感器定标与功能评价的专用空间模拟器 713

15.5 火箭发动机启动和羽焰热真空试验的空间模拟器 715

附录A 实验室规划 719

A.1 概述 719

A.2 空间模拟器实验室总体规划 719

A.2.1 真空容器安置区 720

A.2.2 热真空试验区 721

A.2.3 粗抽设备间 722

A.2.4 程控电源间 723

A.2.5 总控中心 724

A.2.6 液氮配置间 724

A.2.7 水路配置间 725

A.2.8 气路配置间 726

A.2.9 电路配置间 726

A.2.10 液氮罐安置区 726

A.2.11 其他 727

参考文献 728