專利名稱：：增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式的制作方法增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式。本發(fā)明特別應(yīng)用于增加羽流氣體吸附的圓柱段熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式。
背景技術(shù)：
：人造衛(wèi)星、飛船、空間站、深空探測器、導(dǎo)彈以及運載火箭上大量使用的姿軌控發(fā)動機，在高空稀薄環(huán)境下工作時其噴流會向外部環(huán)境自由膨脹形成真空羽流。羽流會對空間飛行器產(chǎn)生羽流污染、羽流干擾力和羽流熱效應(yīng)等羽流影響。這些影響輕則降低工作元件的性能，重則導(dǎo)致飛行任務(wù)的失敗。隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，航天設(shè)計部門越來越關(guān)注空間飛行器上的姿軌控發(fā)動機工作時產(chǎn)生的羽流問題。羽流效應(yīng)問題研究的一個重要前提是保證羽流實驗氣體的快速吸附，使得環(huán)境真空度能夠達到規(guī)定的指標(biāo)。高空羽流實驗大都采用氮氣模擬，用于吸附羽流實驗氣體的設(shè)備主要是環(huán)繞真空容器內(nèi)表面的深冷低溫泵，即氦板(液氦熱沉)。20世紀90年代，美國戈達德空間飛行中心在高真空設(shè)備中進行的肼發(fā)動機推力實驗中，采用有液氮遮擋保護片冷卻的氦板(二級低溫泵)對主要成分包括^、112的燃氣進行冷凝抽氣。氦板的抽氣面積為57m2，在燃氣的質(zhì)量流量0.0445g/s時，實現(xiàn)了動態(tài)工作真空高度128km(1.33X10-3Pa)的羽流效應(yīng)試驗研究。20世紀90年代末，德國DLR建設(shè)了STG真空羽流實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)與戈達德空間飛行中心的設(shè)備不同，氦板內(nèi)部沒有液氮屏蔽板，羽流氣體直接作用于氦板表面。STG的低溫泵氦板面積為301112，可保證0.5N(相應(yīng)質(zhì)量流量為0.2g/s)推力發(fā)動機連續(xù)工作時，維持壓力小于10—3Pa。按照這種低溫泵的布局結(jié)構(gòu)，要實現(xiàn)較大推力發(fā)動機的高空(動態(tài)真空度小于10—3Pa)研究工作，就要相應(yīng)的增加氦板的面積及氣體分子的捕獲率。實際上，根據(jù)氣體的種類及其溫度，氦板的面積及氣體分子的捕獲率會有很大的差異。如何在有效的空間內(nèi)盡量加大吸附面積及氣體分子的捕獲率成為了高空羽流實驗的設(shè)計關(guān)鍵。羽流實驗的基本過程是，實驗過程中噴流氣體以超音速噴出，在真空容器中迅速擴散，為了維持高的動態(tài)真空度，需要對噴出的氣體瞬間冷凝吸附(速度降為零)，從而模擬真實的空間環(huán)境。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過合理的熱沉結(jié)構(gòu)布局來提高氣體分子的捕獲率，以維持高的動態(tài)真空度。用于羽流試驗的熱沉壁板主要由液氮熱沉翅片(1)、液氮熱沉支管(2)、液氦熱沉支管(3)、液氦熱沉翅片(4)組成，常用的壁板是由銅翅片和不銹鋼支管焊接而成，其中不銹鋼支管內(nèi)通液氮或液氦制冷介質(zhì)。本發(fā)明具有的優(yōu)點在于(a)液氦熱沉位于液氮熱沉內(nèi)部，減小了真空容器對液3氦熱沉的熱負荷；(b)液氦熱沉直接面對羽流試驗氣體，抽速大，羽流吸附效率高；(c)液氦熱沉壁板開口方向逆著羽流來流方向，羽流氣體能夠快速進入液氦熱沉和液氮熱沉夾層中，通過多次反彈降低羽流噴流速度，提高吸附效率；(d)液氮熱沉壁板開口方向順著羽流來流方向，和液氦熱沉壁板開口方向成幾何對稱，使羽流氣體易進，不易出，增加了氣體的捕獲率；(e)翅片和翅片之間留有空隙，使得熱沉正反兩面都可以吸附羽流氣體，有效的增加了羽流吸附面積；(f)材料采用不銹鋼支管和銅翅片；(g)有效提高了真空容器內(nèi)部的靜、動態(tài)真空度。圖1是羽流用熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式圖2是真空容器內(nèi)圓筒段熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局示意圖具體實施方式下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明。圖l所示的用于羽流試驗的熱沉壁板主要由液氮熱沉翅片(1)、液氮熱沉支管(2)、液氦熱沉支管(3)、液氦熱沉翅片(4)組成，常用的壁板是由銅翅片和不銹鋼支管焊接而成，其中不銹鋼支管內(nèi)通液氮或液氦制冷介質(zhì)。液氮熱沉不銹鋼管間距400mm，不銹鋼管尺寸O20X2;液氦熱沉不銹鋼管間距200mm，不銹鋼管尺寸①20X2。這種熱沉壁板尺寸形式可保證熱沉溫度的均勻性，滿足實驗需求。下面用公式說明熱沉吸附面積和氣體分子捕獲率對熱沉抽速的影響。液氦熱沉的靜態(tài)理想抽速計算公式如下S0=3.64X101気(Tg/M)1/2式中S。——氦深冷泵的理想抽速，L/s;A氦——氦板的面積，m2;Tg——氣體的溫度，真空羽流效應(yīng)實驗系統(tǒng)處取Tg=300K;M——氣體的相對分子量，g/mol。實際工作過程中，氣體分子在某一冷凝面上不可能完全被冷凝吸附，碰撞在熱沉表面上的部分能量特別大的分子會反射回去(由于速度太快，超音速流)。實際抽速要比理論抽速小。液氦熱沉的實際抽速計算公式如下S=CS0=3.64X1()4CA氦(Tg/M)1/2式中S——氦深冷泵的實際抽速，L/s;C——氣體分子的捕獲率(冷凝系數(shù))；S。——氦深冷泵的理想抽速，L/s;A氦——氦板的面積，m2;Tg——氣體的溫度，真空羽流效應(yīng)實驗系統(tǒng)處取Tg=300K;M——氣體的相對分子量，g/mol。C=1—e-s/(&)表1氣體為300K，對20K的深冷表面的e/K值<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2300K的氣體在各種冷凝表面溫度下的冷凝系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從以上公式和圖表可以看出熱沉吸附面積越大，抽速越大；氣體分子的捕獲率取決于氣體的種類、速度、熱沉溫度及壁板結(jié)構(gòu)布局形式，本發(fā)明設(shè)計的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式就是根據(jù)羽流試驗氣體的特殊性設(shè)計的。權(quán)利要求增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，由液氮熱沉翅片(1)、液氮熱沉支管(2)、液氦熱沉支管(3)、液氦熱沉翅片(4)組成。2.如權(quán)力要求1所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于液氦熱沉位于液氮熱沉內(nèi)部。3.如權(quán)力要求2所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于液氦熱沉直接面對羽流試驗氣體。4.如權(quán)力要求3所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于液氦熱沉壁板開口方向逆著羽流來流方向。5.如權(quán)力要求1所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于液氮熱沉壁板開口方向順著羽流來流方向。6.如權(quán)力要求1所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于翅片和翅片之間留有空隙，使得熱沉正反兩面都可以吸附羽流氣體。7.如權(quán)力要求1所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于材料采用不銹鋼支管和銅翅片。8.如權(quán)力要求7所述的增加羽流氣體吸附的熱沉壁板結(jié)構(gòu)布局形式，其特征在于不銹鋼支管和銅翅片采用焊接而成。全文摘要用于羽流試驗的熱沉壁板主要由液氮熱沉翅片(1)、液氮熱沉支管(2)、液氦熱沉支管(3)、液氦熱沉翅片(4)組成。液氦熱沉位于液氮熱沉內(nèi)部，減小了真空容器對液氦熱沉的熱負荷；液氦熱沉直接面對羽流試驗氣體，抽速大，羽流吸附效率高；液氦熱沉壁板開口方向逆著羽流來流方向，羽流氣體能夠快速進入液氦熱沉和液氮熱沉夾層中，通過多次反彈降低羽流噴流速度，提高吸附效率；液氮熱沉壁板開口方向順著羽流來流方向，和液氦熱沉壁板開口方向成幾何對稱，使羽流氣體易進，不易出，增加了氣體的捕獲率；翅片和翅片之間留有空隙，使得熱沉正反兩面都可以吸附羽流氣體，有效的增加了羽流吸附面積；材料采用不銹鋼支管和銅翅片；有效提高了真空容器內(nèi)部的靜、動態(tài)真空度。文檔編號G01M15/00GK101718626SQ20091023720公開日2010年6月2日申請日期2009年11月10日優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日發(fā)明者凌桂龍,張國舟,李曉娟,王文龍,蔡國飆,黃本誠申請人:北京航空航天大學(xué)