[发明专利]一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于空间环境模拟试验设备低温流程系统的部件，具体是一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法。

背景技术

人造卫星、飞船、空间站、深空探测器、导弹以及运载火箭上大量使用的姿轨控发动机，在高空稀薄环境下工作时其喷流会向外部环境自由膨胀形成真空羽流。羽流会对空间飞行器产生羽流污染、羽流干扰力和羽流热效应等羽流影响。这些影响轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败。随着航天事业的迅速发展，航天设计部门越来越关注空间飞行器上的姿轨控发动机工作时产生的羽流问题。

羽流效应问题研究的一个重要前提是保证羽流气体的快速吸附，使得环境真空度能够达到规定的指标。目前用于吸附羽流气体的设备主要是环绕真空舱内表面的深冷低温泵，即氦板。国际上研究较早的美国和德国均采用此种结构形式。如德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，简称DLR)的STG真空羽流试验系统，罐体直径为3.3m，长度为7.6m，内装直径1.6m、长度5.25m的圆筒形液氦低温泵，其吸附面积为30m²，可保证0.5N发动机(质量流量0.2g/s，试验介质常温氮气)连续工作时，维持压力小于10^-3Pa。

按照这种低温泵的布局结构，要实现较大推力发动机的高空(动态真空度小于10^-3Pa)研究工作，就要相应的增加氦板的面积，即增大真空舱的体积。实际上，根据气体的种类及其温度，氦板的面积会有很大的差异。气体分子量越小、温度越高，吸附面积越大。如要研究质量流量2g/s、温度1000K的氮气羽流效应，要维持连续工作时10^-3Pa量级，则需要的氦板面积达约3000m²。如果按照目前世界上通用的这种布局，真空舱的体积相当庞大，无论从成本还是从试验场地，都是难以实现的。

为了解决这一问题，根据羽流流场的特点，认为：试验发动机喷出的羽流气体密度(压力)分布、运动状况与静态气体完全不同，前者核心流区的气体占其总质量的绝大部分，其密度沿径向变化很大，且沿轴向高速运动(3～5个马赫数)，所以分布于真空舱壁的低温泵只能吸附流场中的小部分气体。为了提高真空舱的动态真空度，必须增大其轴向气体的吸附能力。为此发明了专用于吸附羽流气体的低温深冷泵，简称羽流吸附泵，羽流吸附泵是热沉的一种。

空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备都是模拟空间真空和低温环境的设备，热沉是该类设备的主要部件，通过辐射热交换，为设备试验空间提供所需的环境温度和真空度，为达到这一目的，必须对热沉进行温度控制，控制热沉温度是通过传热介质在热沉通道中强迫流动，与热沉换热来实现。

根据热沉要求的温度区间不同，目前的各种热沉常采用以下换热介质，液氮、酒精、氟利昂等，极少采用液氦，主要是由于液氦昂贵及用于液氦温区的超低温热沉技术复杂，因此目前国内还没有专门采用液氦作为换热介质的热沉系统。液体火箭发动机真空羽流效应试验时，常采用氮气作为试验工质，由于同种介质不能凝固吸附同种介质，这就必须采用比液氮温度更低的制冷介质来吸附羽流试验工质氮气，常压下液氦的液化温度达到4.2K，利用其作为换热介质，可使热沉表面平均温度达到液氦温区，此温区能够充分凝固吸附羽流试验工质氮气，满足试验要求。因此为了满足发动机羽流试验需求，就必须采用液氦作为制冷介质的热沉系统。

液氮、酒精、氟利昂这几种常见的制冷介质中，温度最低的是液氮，可使热沉达到77K，为节约昂贵的液氦用量，考虑用液氮和液氦组合制冷介质，即先利用液氮将热沉预冷至液氮温区(77K)，然后利用液氦接着将热沉预冷至4.2K。不管采用何种介质，目前的热沉均为单介质流道，热沉的流道只能循环一种传热介质，无法切换另外一种介质。主要原因是：各制冷介质的凝固点不同，以液氦、液氮两种制冷介质为例，当液氦通入循环过液氮的热沉流道时，流道中残存的液氮就会被冻成固体，堵塞甚至损坏热沉，故之前没有共用液氮、液氦两种制冷介质的超低温热沉流道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的羽流吸附泵，既为一种用于吸附羽流试验气体的低温深冷泵，又可同时用于发动机羽流试验和卫星等热真空试验，发动机羽流试验时通液氦制冷，热真空试验时通液氮制冷。