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空间站高温材料科学实验系统真空室设计与分析

崔晓杰 孙晋川 康昌玺 段福伟 张富华 马彦坤

崔晓杰, 孙晋川, 康昌玺, 段福伟, 张富华, 马彦坤. 空间站高温材料科学实验系统真空室设计与分析[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2023.02.220321031
引用本文: 崔晓杰, 孙晋川, 康昌玺, 段福伟, 张富华, 马彦坤. 空间站高温材料科学实验系统真空室设计与分析[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2023.02.220321031
CUI Xiaojie, SUN Jinchuan, KANG Changxi, DUAN Fuwei, ZHAGN Fuhua, MA Yankun. Vacuum Chamber Design and Analysis of the Space Station High Temperature Material Science Experimental System (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2023.02.220321031
Citation: CUI Xiaojie, SUN Jinchuan, KANG Changxi, DUAN Fuwei, ZHAGN Fuhua, MA Yankun. Vacuum Chamber Design and Analysis of the Space Station High Temperature Material Science Experimental System (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2023.02.220321031

空间站高温材料科学实验系统真空室设计与分析

doi: 10.11728/cjss2023.02.220321031
基金项目: 中国载人航天工程计划材料科学实验系统项目资助
详细信息
    作者简介:

    崔晓杰:E-mail:cuixiaojie2000@163.com

  • 中图分类号: V524.7

Vacuum Chamber Design and Analysis of the Space Station High Temperature Material Science Experimental System

  • 摘要: 中国空间站高温材料科学实验系统能够在轨进行多种材料的微重力高温加热实验,其关键组件真空室是可实现密封的压力容器,为实验插件提供机械、真空、氮气、废气排放、供电、控制、冷却等接口,支持实验插件完成相关功能。本文依据承压范围、漏率等设计技术指标进行真空室的结构设计和力学分析。真空室采用分段式结构,由方形真空室、密封门、圆形真空室、安装支架等组件依次连接组成,连接结构处使用密封圈。通过真空室的承压分析、模态分析、随机响应分析和力学试验,校核了真空室的强度、刚度及随机振动响应特性,验证了真空室设计的安全性和可靠性,其能够满足发射及在轨工作要求。

     

  • 图  1  空间站高温科学实验柜结构

    Figure  1.  Structural diagram of space station high temperature materials experiment rack

    图  2  高温材料科学实验系统空间布局关系

    Figure  2.  Spatial layout of the high temperature materials science experimental system

    图  3  真空室及其主要模组件结构

    Figure  3.  Structural diagram of the vacuum chamber and its main modules

    图  4  真空室密封设计

    Figure  4.  Schematic diagram of vacuum chamber seal design

    图  5  模块对中定位设计

    Figure  5.  Schematic diagram of centralization design of two modules

    图  6  真空室水、气、电接口分布

    Figure  6.  Schematic diagram of distribution of water, air and electrical interfaces in vacuum chamber

    图  7  压力计算结果

    Figure  7.  Calculation results for Pressure

    图  8  后面板变形分析结果

    Figure  8.  Results of the back panel deformation analysis

    图  9  左侧板变形分析结果

    Figure  9.  Results of the left panel deformation analysis

    图  10  上面板变形分析结果

    Figure  10.  Results of the top panel deformation analysis

    图  11  $ x $方向随机响应分析结果

    Figure  11.  Results of $ x $-directional random response analysis

    图  12  $ y $方向随机响应分析结果

    Figure  12.  Results of $ y $-directional random response analysis

    图  13  $ z $方向随机响应分析结果

    Figure  13.  Results of $ z $-directional random response analysis

    图  14  真空室力学振动试验

    Figure  14.  Mechanical vibration test of vacuum chamber

    表  1  真空室设计指标

    Table  1.   Vacuum chamber design specifications

    初始压力压力控制范围:≤ 1 atm (绝对压力)
    通用功能为实验插件提供机械、电、气、液接口,具有相应的散热功能,满足航天员换样的人机工效功能
    漏率≤ 5×10–3 Pa·m3·s(氦检)
    真空室最大变形(插件接口安装面)真空情况下最大变形量≤3 mm
    基频>70 Hz
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    表  2  真空室接口类型及功能

    Table  2.   Interface type and function of vacuum chamber

    编号零件类型功能
    1DN4氮气
    2电连接器X70氮气阀供电
    3DN8冷却液出口
    4电连接器X76机构控制
    5电连接器X77磁场供电
    6电连接器X75加热炉供电
    7电连接器X71阀体控制器供电
    8电连接器X72阀体信号
    9电连接器X74真空阀供电
    10DN16真空出口
    11DN8冷却液入口
    12电连接器X73废气阀供电
    13DN16废气出口
    14电连接器X60样品机构供电
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    表  3  材料参数

    Table  3.   parameters

    材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m–3)
    5 A06710.322800
    2 A12710.32760
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    表  4  前6阶固有频率

    Table  4.   First six natural frequencies

    阶数第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶
    频率/Hz276.4357.8409.2467.9567.5574.1
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    表  5  加速度功率谱密度 (总均方根加速度值9.6 g,每向试验持续时间180 s )

    Table  5.   Accelerated power spectral density (Root mean square acceleration value is 9.8 g. Duration of the experiment in each direction is 180 s)

    频率范围/Hz功率谱密度
    10~503 dB/oct–1
    50~3000.25 g2·Hz–1
    300~2000–12 dB·oct–1
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    表  6  真空室自然频率

    Table  6.   Natural frequency of vacuum chamber

    振动方向xyz
    频率/Hz255247294
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-19
  • 录用日期:  2022-09-27
  • 修回日期:  2022-10-24
  • 网络出版日期:  2023-03-31

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