一种空间环境模拟系统的制作方法

1.本实用新型涉及空间环境模拟技术领域，具体涉及一种能够同时模拟原子氧、紫外与热循环的系统。


背景技术：

2.原子氧是太阳中紫外线与氧分子相互作用并使氧分子分解形成的，是低地球轨道最危险的环境因素之一。在太空200-1000km的轨道高度内，原子氧是太空气体含量最多的成分，约占80％。波长小于240nm的太阳紫外线，对空间残余氧分子的光致解离造成原子氧环境的产生。原子氧具有高化学活性，其氧化作用远大于氧分子。原子氧会侵蚀暴露在太空环境中的航天器材料，原子氧与卫星表面作用时，会在材料表面形成裂纹萌生点，造成剥蚀现象，使材料性能退化，从而影响航天器的正常运行和使用寿命。
3.紫外辐照能在太阳总辐照能中所占比例很小，但其作用却十分重要。空间紫外光波长一般在10nm-400nm之间，当材料表面的分子吸收紫外或真空紫外的辐射后就有可能发生化学键的断裂，并引发相应的物理和化学变化，从而对材料的结构和性能产生影响。化学键的断裂，还会在材料表面生成一些新的反应基，从而促进了原子氧对材料的剥蚀。从宏观上看，长时间的紫外辐照可使材料产生褪色、开裂，造成热学、力学性能降低。
4.温度交变也是航天器在轨运行时遭遇的主要环境因素之一，这种高温、低温的反复交变会引起材料的热疲劳，导致材料表面产生微裂纹，在紫外辐射和原子氧的侵蚀以及材料的循环热胀冷缩下，裂纹扩展，材料剥蚀加速，极大影响空间材料性能。因此研究原子氧、紫外与热循环综合环境对航天器材料的影响十分重要。
5.申请号为201710196547.7的航天器材料原子氧与热循环效应试验方法的专利提出了在试验靶台上设置加热电阻来对样品升温，通过真空壁上的液氮对样品台降温，该专利只考虑了原子氧与热循环对样品的影响，并未考虑紫外、原子氧与热循环的综合效应；并且由于环境温度热滞后性，单纯的通过样品台设置加热电阻的方式升温，通过真空壁上液氮传热降低样品台上样品温度，会造成样品温度分布不均。
6.申请号为200910249901.3的低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统的专利提供了一种原子氧、紫外和电子环境的综合模拟装置，其目的是研究原子氧、紫外与电子环境的综合效应，未考虑原子氧、近紫外、远紫外与热循环的综合效应。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种空间材料在原子氧、近紫外、远紫外与热循环的空间复杂环境的地面综合试验系统。
8.为了达到上述目的，本实用新型提供了一种空间环境模拟系统，包括样品容器，及与所述样品容器连通的原子氧产生装置和紫外装置；贯通所述样品容器的侧壁设有介质管道，所述介质管道穿过设置于所述样品容器内的样品靶台。
9.可选地，所述介质管道穿过所述样品靶台的部分呈蛇形分布。
10.可选地，所述介质管道与所述样品容器的连接处分别设有法兰。
11.可选地，所述介质管道进口处设有波纹管，介质进入所述介质管道后，经波纹管，再进入所述样品容器内。
12.可选地，所述介质管道与所述波纹管的连接处设有法兰。
13.可选地，所述样品容器的内壁敷设热沉。
14.可选地，所述热沉为在所述样品容器内壁弯曲盘旋成弹簧状的热沉管道，所述热沉管道贯通所述样品容器的侧壁。
15.可选地，所述热沉管道与所述样品容器的连接处分别设有法兰。
16.可选地，所述样品容器的内壁敷设鱼骨状的加热笼。
17.可选地，所述紫外装置包括近紫外模拟装置和远紫外模拟装置。
18.本实用新型的有益效果为：
19.本实用新型能够探究原子氧、紫外以及热循环对材料的综合效应。本实用新型提供的系统使样品在样品容器中的温度分布更加均匀，热循环中控温更加精准，减小样品升温或降温导致的温度差对样品的影响，提高了样品的升降温速率，提供了一种筛选航天器材料的方法。
附图说明
20.图1为本实用新型的空间环境模拟系统结构示意图。
21.图2为本实用新型样品靶台内的介质管道布置方式示意图。
22.图3为本实用新型的波纹管结构示意图。
23.图4为本实用新型波纹管与介质管道连接法兰结构示意图。
24.图5为本实用新型介质管道进口法兰结构示意图。
25.图中，1-原子氧产生装置，2-近紫外模拟装置，3-远紫外模拟装置，4-样品靶台，5-介质管道，51-介质进口，52-介质出口，6-介质管道进口法兰，7-热沉进口法兰，8-热沉，9-热沉出口法兰，10-样品容器，11-介质管道出口法兰，12-加热笼，13-波纹管，14-波纹管与介质管道连接法兰。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“垂直”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；
可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.如图1所示，本实用新型提供了一种空间环境模拟系统，包括样品容器10，及与样品容器10连通的原子氧产生装置1和紫外装置。其中，紫外装置包括近紫外模拟装置2和远紫外模拟装置3。样品容器10有用于放置样品材料的样品靶台4，样品靶台4为可升降运动机构。介质管道5贯通样品容器10的侧壁，并穿过样品靶台4。在介质管道5与样品容器10的连接处，分别设有介质管道进口法兰6和介质管道出口法兰11。介质经介质管道进口法兰6进入样品容器内，为样品靶台4输送冷量或热量。优选地，介质为液氮或气氮。介质管道5的入口处可设有加热器，能够控制介质的温度，例如将液氮转化为气氮以提供热量。优选地，如图2所示，介质管道5穿过样品靶台4的部分呈蛇形分布，介质由介质进口51经蛇形管道后，从介质出口52流出，以利于管道内的介质与样品靶台4进行热量交换，提高样品材料的升降温速率。优选地，空间环境模拟系统还包括抽真空装置，使样品容器10内达到实验要求的真空度。通过原子氧产生装置1模拟真空环境、近紫外装置2和远紫外装置3模拟紫外环境、介质管道5提供热环境，可以同时获得原子氧、紫外和热循环的综合作用对样品材料的影响。
30.由于样品容器10内的热环境需要在-196℃-200℃的范围内，对温度的要求苛刻，实验温差大，介质直接从介质管道5的入口经介质管道进口法兰6进入样品容器10，介质管道进口法兰6的连接处会因频繁的热胀冷缩导致法兰紧固件松动，介质管道5和样品容器10的法兰焊接处的焊点容易受应力开裂，导致密封不良而漏气。如图3所示，在介质管道5的进口处设置波纹管13，介质先经过波纹管13再进入样品容器10。采用波纹管13转接的方式可以解决由于温差大、热应力大，导致介质进口法兰6连接处密封不良或焊点受应力开裂的问题。介质由介质管道5的入口通入，依次经波纹管与介质管道连接法兰14、波纹管13和介质进口法兰6，最后进入样品容器10内。图4示出了波纹管与介质管道连接法兰14的连接方式。图5示出了介质管道进口法兰6的连接方式，介质管道进口法兰6包含第一密封圈61、第二密封圈62和紧固件安装孔63。
31.样品容器10的内壁敷设热沉8，以使样品容器10内的环境温度分布更加均匀。热沉8为在样品容器10内壁弯曲盘旋成弹簧状的热沉管道，该热沉管道贯通样品容器10的侧壁。热沉8与样品容器10的连接处设有热沉进口法兰7和热沉出口法兰9，介质经热沉进口法兰7进入热沉8，顺着热沉管道的弯曲方向流动，与样品容器10内的真空环境换热，经热沉出口法兰9流出热沉管道。优选地，介质为液氮或气氮。热沉8的内侧敷设鱼骨状加热笼12，辅助热沉8加热真空环境。
32.优选地，介质管道5的进口和出口、热沉8的进口和出口均连接外部回收管路。介质经介质管道5或热沉8流出样品容器10后，在外部回收管路中经过换热器或过冷器处理，达到一定要求后，再经介质管道5或热沉8进入样品容器10内。设置外部回收管路使介质能被回收再利用，节约资源。
33.优选地，样品靶台4、热沉8和加热笼12上设有温度传感器，实时监测和反馈温度。
34.实施例1
35.将样品材料固定在样品靶台4上，调节运动机构，使样品靶台4上升到350mm处。开启抽真空装置，达到试验要求的真空度。开启原子氧产生装置1，待样品容器10的真空值稳
定，开启近紫外模拟装置2或远紫外模拟装置3，向热沉8和介质管道5中通入气氮，使真空环境温度及样品靶台4的温度在-100℃～100℃之间自由控制。气氮温度通过外部回收管路上的换热器或过冷器调节。此时，样品材料暴露于-100℃-100℃热循环、原子氧、近紫外或远紫外的综合环境中，极端温度条件下，样品的最大温差为0.5℃，温度变化速率达到5℃/min。
36.实施例2
37.将样品材料固定在样品靶台4上，调节运动机构，使样品靶台4上升到350mm处。开启抽真空装置，达到试验要求的真空度。开启原子氧产生装置1，待样品容器10的真空值稳定，开启近紫外模拟装置2或远紫外模拟装置3，向热沉8和介质管道5中通入液氮，使真空环境温度及样品靶台4的温度在-196℃～100℃之间自由控制。液氮和气氮之间的转换及温度通过外部回收管路上的换热器或过冷器调节。此时，样品材料暴露于-196℃-100℃热循环、原子氧、近紫外或远紫外的综合环境中，极端温度条件下，样品的最大温差为2.0℃，温度变化速率达到4.5℃/min。
38.实施例3
39.将样品材料固定在样品靶台4上，调节运动机构，使样品靶台4上升到350mm处。开启抽真空装置，达到试验要求的真空度。开启原子氧产生装置1，待样品容器10的真空值稳定，开启近紫外模拟装置2或远紫外模拟装置3，向热沉8和介质管道5中通入液氮或气氮，使真空环境温度及样品靶台4的温度在-196℃-200℃之间自由控制。液氮和气氮之间的转换及温度通过外部回收管路上的换热器或过冷器调节。此时，样品材料暴露于-196℃-200℃热循环、原子氧、近紫外或远紫外的综合环境中，极端温度条件下，样品的最大温差为2.0℃，温度变化速率达到4.5℃/min。
40.综上所述，本实用新型提供了一种空间环境模拟系统，通过对样品容器以及样品靶台的结构设计，可以使样品材料同时处于原子氧、紫外和热循环等综合环境中，设置热沉和加热笼，使实验过程中对样品材料控温更加精确，温度分布更加均匀，升降温速率得到提高。
41.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。