[发明专利]多层热沉支撑结构

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种热沉系统的支撑结构，尤其适用于多层热沉的支撑结构。

【背景技术】

航天器在地面模拟试验系统中进行试验时，通常在模拟系统的容器内布置低温的液氮热沉和液氦热沉来模拟太空的冷黑环境，并利用热沉的低温吸附技术使容器内达到高真空(10^-4-10^-5Pa)甚至极高真空(＜10^-7Pa)要求。热沉在容器内的安装和支撑很重要，热沉片通常挂在热沉骨架上，热沉骨架与容器之间的连接机构称为热沉支撑结构，在满足结构强度的情况下，支撑结构越简单、质量越轻越好。由于热沉受冷热冲击明显，热胀冷缩程度很大，有时甚至达到几十毫米(KM6立式热沉的外形尺寸为Φ10m×h16.9m，其径向伸缩量达58mm)，所以支撑结构应保证热沉在冷热循环下自由伸缩，不产生较大温度应力。

常见的热沉支撑形式有：可调铰链型、支座型和螺栓连接型^[1]，见图1。中国大型空间环境模拟器KM6主容器的热沉支撑结构第一次使用了图2所示的“牛腿”型结构^[2]，固定在热沉骨架上的小车(滑轮)能在“牛腿”上滑动自如，该结构解决了热沉骨架热胀冷缩带来的径向应力影响，完全满足KM6热沉工作时径向伸缩量58mm的要求。图3为KM6辅容器的“挂钩型”热沉支撑结构，热沉骨架通过挂钩挂接在容器内壁的角钢导轨上，挂钩和导轨间贴有聚四氟乙烯绝热垫，聚四氟乙烯绝热垫既解决热沉与容器的绝热问题，又保证热沉骨架在导轨上的自由伸缩。

随着对容器内真空度要求的提高和不同试验的特殊要求，热沉系统逐渐采用多层形式。图4为某地面模拟试验系统的多层热沉结构示意图，从图中可见该系统的热沉有5层、7部分，分别为前部液氮热沉及骨架(2)；前部液氦热沉及骨架(3)；后部液氮热沉及骨架(4)；后部液氦热沉及骨架(5)；羽流泵大筒热沉及骨架(6)；羽流泵中筒热沉及骨架(7)；羽流泵小筒热沉及骨架(8)。容器内壁到最内层热沉(羽流吸附泵小筒)的距离约1.5m，间距如此大的热沉结构在中国属于首例，在国际上也属罕见。在工作时(热沉管路内通低温工质)单层热沉的最大质量约6t，要求热沉支撑结构牢固可靠，且拆装方便。

现有的支撑结构不能很好的解决多层热沉的支撑问题，对质量如此大的热沉，支座型和螺栓连接型支撑结构的结构强度不足，且不能解决伸缩量大的问题。中国早期KM系列空间环境模拟器较多采用可调铰链结构，但这种结构拆装困难，尤其是铰链需要穿过多层热沉时，铰链解锁后热沉支撑固定困难，向容器外运输难度也较大。图3所示的“挂钩”型也只适用于热沉紧贴容器内壁的单层热沉结构。

图2所示的支撑结构虽能很好的解决热沉冷热冲击时伸缩量大的问题，但对多层热沉结构，内层热沉到达容器内壁的距离较大，此时需要“牛腿”伸出长度较多，在承受热沉质量较大时，“牛腿”的挠度变形会很大。假设“牛腿”长1m，材料为0Cr18Ni9Ti，“牛腿”的截面惯性矩取I＝2e6mm⁴，承受载荷F＝1e4N时，根据材料力学的悬臂梁挠度计算公式w＝FL³/3EI，其中E为弹性模量，取E＝2.09e5N/mm⁴，经计算牛腿的最大挠度可达8mm，如此大的挠度变形是工程上不能接受的。可见牛腿型的支撑结构也不适于多层热沉的支撑结构。

综上所述，大型热沉的支撑结构应具备以下特点：

(1)承载大，能承受重达几吨的载荷；

(2)变形小，热沉支撑结构的变形不能过大；

(3)无温度应力，热沉支撑结构能保证热沉在大温度梯度下能自由伸缩，不产生温度应力；

(4)可拆卸，多层热沉在不用时可根据需要拆卸，且拆卸方便。

参考资料：

[1]黄本诚《模拟太空环境的热沉技术》，《第三届海内外华人航天科技研讨大会论文集》1997年于澳门。

[2]邹定忠《热沉设计技术》，《中国空间科学技术》2002年第3期。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种新型的热沉支撑结构，尤其适用于大尺寸、大跨度的多层热沉支撑，解决了多层热沉的最内层热沉与容器内壁间距较大时热沉支撑结构挠度变形大的问题。采用“可调支杆-多支点”热沉结构，更换不同高度的支杆即可实现热沉支撑结构的高度调节；通过增减支点的个数满足热沉支撑结构不同承重要求。安装在热沉骨架上的支撑轮可在热沉支撑结构的导轨上沿轴向和径向自由滑动，消除了由温度梯度导致热沉及骨架沿轴向及径向的伸缩量影响。