一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置及模拟方法

1.本发明属于空间环境模拟技术领域，特别是涉及一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.地球外苛刻的空间环境会导致航天器故障频发。据统计，空间环境导致了40％左右的航天器故障，是影响航天器长寿命高可靠运行的根本问题之一。我国航天发射任务稳居世界前列，但对复杂空间环境与物质作用的物理本质认识不足。国内现有大型空间环境模拟装置可模拟一种或两种环境因素，仅能满足工程试验要求，难以揭示综合环境效应规律及物理本质，无法支撑原创性基础科学研究。因此，急需构建国际一流水平的大型综合环境地面模拟装置，突破地面单因素模拟的局限，以便开展瓶颈问题攻坚，自主发展新材料、新器件，从根本上解决制约我国航天技术跨跃式发展的关键问题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置及模拟方法。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置，它包括容器系统、热沉系统、真空系统、低温系统、太阳模拟器、紫外辐照源、粒子辐照源、样品台和测控系统，所述热沉系统安装在容器系统的内壁，所述真空系统与容器系统相连，所述低温系统与热沉系统相连，所述太阳模拟器、紫外辐照源和粒子辐照源均设置在容器系统的顶部，所述样品台安装在容器系统的内部，所述测控系统与热沉系统、真空系统、低温系统、太阳模拟器、紫外辐照源和粒子辐照源控制相连。
5.更进一步的，所述粒子辐照源包括一个1.2mev电子加速器系统、一个200kev电子加速器系统和两个2mv串列离子加速器系统，并分布在容器系统顶部的三个接口上。
6.更进一步的，所述热沉系统包括铝制板材和管材，所述管材与低温系统相连，所述铝制板材和管材内壁面上均喷涂黑漆。
7.更进一步的，所述真空系统包括粗抽机组、分子泵系统、低温泵系统、管路系统、阀门系统、负压系统和压力测量系统，所述粗抽机组包括三台抽速740m3/h的干泵和三台抽速3400m3/h的罗茨泵，分子泵系统包括两台抽速2000l/s的分子泵和一台抽速160m3/h的前级干泵，低温泵系统包括十台dn500口径、抽速10000l/s的低温泵和两台抽速160m3/h的前级干泵。
8.更进一步的，所述真空系统与容器系统的连接管路上设置有真空抽气阀门系统和真空复压阀门系统。
9.更进一步的，所述低温系统包括液氮循环系统、液氮贮存汽化系统、气氮系统、管路系统和阀门系统，所述液氮循环系统包括一个过冷器和三个液氮泵，所述液氮贮存汽化系统包括三个液氮贮槽、一个储气罐、两个空温式汽化器和两个电加热器，所述气氮系统包
括两个电加热器、一个冷冻式干燥机和一个压缩机。
10.更进一步的，所述低温系统通过液氮管路和气氮管路与热沉系统相连，所述液氮管路上设置有液氮阀门系统，所述气氮管路上设置有气氮阀门系统。
11.更进一步的，所述紫外辐照源包括氘灯阵列，并分布在容器系统顶部的三个接口上。
12.更进一步的，所述样品台具有升降、二维平移和二维旋转功能。
13.本发明还提供了一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟方法，在一套装置下实现真空、高低温、太阳辐照、紫外辐照、多能级多种类带电粒子辐照5大类太阳系典型空间环境的集成模拟。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有环境模拟装置难以对空间综合辐照环境进行模拟的问题。本发明提供了一种可模拟真空、高低温、太阳辐照、紫外辐照、带电粒子辐照5大类太阳系典型空间环境的集成模拟方法，用于支撑开展材料、器件及系统部件模块在空间综合环境中的可靠性和性能退化规律研究。是国内首个实现多种空间环境因素耦合模拟的装置及方法，且具有国际领先水平。所能达到的主要性能指标如下：
15.(1)容器系统容器主筒体空间为φ5000mm
×
6350mm；
16.(2)容器内空载极限压力优于5
×
10-5
pa，有载极限压力优于6.5
×
10-3pa；
17.(3)热沉在经受平均热负荷≤400w/m2时，热沉内表面的平均温度≤100k，温度不均匀性≤
±
5k，热沉表面吸收率＞0.9；
18.(4)从常温常压到试验工作压力(空载压力10-5
pa量级)、热沉温度≤100k时，所需时间≤10h；
19.(5)具有1.2mev电子加速器(最高能量≥1.2mev、最高流强≥10ma@1.0mev)、200kev电子加速器(最高能量≥200kev、最高流强≥50ma@200kev)和2
×
2mv串列离子加速器(终端电压0.1～2mv、质子束流强度≥100μa@全部质子能量范围)三个带电粒子辐照源，辐照面积达1000mm
×
1000mm；
20.(6)太阳光辐照度范围0.5～2个太阳常数，辐照面积达φ1000mm；
21.(7)紫外辐照波长100～200nm，辐照强度≥3.5个真空紫外常数，辐照面积达φ1000mm；
22.(8)样品台负载样品尺寸≥1000mm
×
1000mm
×
1000mm，负载样品重量≥200kg。
附图说明
23.图1为本发明所述的一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置组成结构示意图；
24.图2为本发明所述的真空系统组成结构示意图；
25.图3为本发明所述的低温系统组成结构示意图；
26.图4为本发明所述的一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟方法示意图。
27.1-容器系统，2-热沉系统，3-真空系统，4-低温系统，5-太阳模拟器，6-紫外辐照源，7-1.2mev电子加速器系统，8-200kev电子加速器系统，9-2mv串列离子加速器系统，10-样品台，11-测控系统，12-真空抽气阀门系统，13-真空复压阀门系统，14-液氮阀门系统，
15-气氮阀门系统。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
29.参见图1-4说明本实施方式，一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置，它包括容器系统1、热沉系统2、真空系统3、低温系统4、太阳模拟器5、紫外辐照源6、粒子辐照源、样品台10和测控系统11，热沉系统2安装在容器系统1的内壁，真空系统3与容器系统1相连，低温系统4与热沉系统2相连，太阳模拟器5、紫外辐照源6和粒子辐照源均设置在容器系统1的顶部，样品台10安装在容器系统1的内部，测控系统11与热沉系统2、真空系统3、低温系统4、太阳模拟器5、紫外辐照源6和粒子辐照源控制相连。
30.本实施例容器系统1用于构造试验空间，同时为其他系统提供支撑结构和连接接口。热沉系统2包括铝制板材和管材，管材与低温系统4相连，铝制板材和管材内壁面上均喷涂黑漆，用于模拟空间冷黑环境。真空系统3包括粗抽机组、分子泵系统、低温泵系统、管路系统、阀门系统、负压系统和压力测量系统，粗抽机组包括三台抽速740m3/h的干泵和三台抽速3400m3/h的罗茨泵，分子泵系统包括两台抽速2000l/s的分子泵和一台抽速160m3/h的前级干泵，低温泵系统包括十台dn500口径、抽速10000l/s的低温泵和两台抽速160m3/h的前级干泵，真空系统3与容器系统1的连接管路上设置有真空抽气阀门系统12和真空复压阀门系统13，为容器系统1提供真空试验环境，在试验结束后可充入洁净空气恢复至常压。低温系统4包括液氮循环系统、液氮贮存汽化系统、气氮系统、管路系统和阀门系统，液氮循环系统包括一个过冷器和三个液氮泵，液氮贮存汽化系统包括三个液氮贮槽、一个储气罐、两个空温式汽化器和两个电加热器，气氮系统包括两个电加热器、一个冷冻式干燥机和一个压缩机，低温系统4通过液氮管路和气氮管路与热沉系统2相连，液氮管路上设置有液氮阀门系统14，气氮管路上设置有气氮阀门系统15，为模拟装置提供液氮、气氮需求，通入液氮时用于模拟低温环境，通入高温气氮时用于热沉回温，通入常温气氮时用于容器初始阶段复压(从试验真空度至1000pa)。太阳模拟器5是模拟地球外层空间太阳光辐射的一种装置，实现高强度准直太阳光模拟，用于航天器部组件的辐照效应试验和热平衡试验，并用于考核材料、器件及部组件在轨运行的可靠性。紫外辐照源6主要包括氘灯阵列，并分布在容器系统1顶部的三个接口上，为模拟装置提供紫外辐射环境。粒子辐照源包括一个1.2mev电子加速器系统7、一个200kev电子加速器系统8和两个2mv串列离子加速器系统9，并分布在容器系统1顶部的三个接口上，用于提供不同类型、能量范围和束流强度的带电粒子辐照环境。样品台10具有升降(z向)、二维平移(x、y向)和二维旋转(y、z向)功能，共计5个自由度，用于装载试验样品、模拟航天器在轨运动行为，以满足科学实验研究测试分析要求。测控系统11用于实现热沉系统2、真空系统3、低温系统4、太阳模拟器5、紫外辐照源6和粒子辐照源的本地控制以及容器内的摄像和照明。
31.本实施例为一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟方法，它包括以下步骤：
32.步骤1：首先将待测的样品装夹至样品台10上，通过测控系统11操控样品台10，将样品送至预定位置，随后关闭容器系统1的舱门，检查模拟装置各个设备的状态是否正常；
33.步骤2：确认各设备状态正常后，开启真空系统3的粗抽机组对容器系统1抽真空，
当容器系统1舱内压力降低至10pa以下时，开启分子泵系统，同时开启低温泵系统预冷模块，当容器系统1舱内压力降低至10-1
pa量级时，启动低温泵系统继续抽真空，此时关闭粗抽机组及分子泵系统，抽真空过程中，真空抽气阀门系统12配合开关；
34.步骤3：真空系统3运行过程中，启动低温系统4及其液氮阀门系统14向热沉系统2充入液氮，当舱内压力和热沉表面温度稳定时，真空及冷黑环境构建完成，可进行样品热真空考核试验；
35.步骤4：开启太阳模拟器5、紫外辐照源6、1.2mev电子加速器系统7、200kev电子加速器系统8和两个2mv串列离子加速器系统9可构建相应的太阳光辐照、紫外光辐照、电子辐照、质子辐照模拟环境，辐照强度、辐照时间、粒子能量参数通过测控系统11进行控制。
36.步骤5：实验结束后，先关闭太阳模拟器5、紫外辐照源6、1.2mev电子加速器系统7、200kev电子加速器系统8和两个2mv串列离子加速器系统9，随后关闭真空系统3的各个泵组、真空抽气阀门系统12及液氮阀门系统14，开启气氮阀门系统15向热沉系统2提供高温氮气，促使热沉系统2恢复至常温，再开启真空复压阀门系统13，使容器系统1内压力恢复至常压，最后关闭、低温系统4和测控系统11。
37.以上对本发明所提供的一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟装置及模拟方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。