[发明专利]一种温度-离心复合环境考核试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种温度‑离心复合环境考核试验装置及试验方法，试验装置包括离心机试验系统、热加载单元、数据监控处理单元；离心机试验系统包括离心机、整流罩；热加载单元集成安装在离心机大臂远端，整流罩套装在热加载单元外部，整流罩内部设置为真空环境，试验件置于热加载单元内；本申请可准确模拟空间同位素热源产品地面发射、空间姿态调整、空间探测、登陆等动作场景下的真空、高温、离心载荷及载荷历程；本申请设置了完善的数据测试系统，可在试验过程中集成检测温度、应变、真空度、产品状态等多个参数，准确获取试验产品在经受温度‑离心复合环境下的产品响应情况。

技术领域

本发明属于同位素热源技术领域，具体涉及一种温度-离心复合环境考核试验装置及试验方法。

背景技术

同位素热源(电源)是根据温差材料的塞贝克效应，利用放射性同位素(238PuO2)衰变释放热能的现象获取热量或电能,由于其具有工作寿命长(数十年甚至更久)、可靠性高(释放出长时间、稳定的热量)等特点，在深空探测领域得到了广泛应用。典型的应用包括美国将同位素电源应用在伽利略号的木星探测任务、前苏联在月球表面探测任务Luna-21中使用同位素热源、我国嫦娥任务深空探测器中利用同位素热源实现了探测器在月球极低温度环境下的生存任务等。

目前同位素热源的燃料芯块通常选用238PuO2材料，具有辐射强、半衰期久等特点。空间同位素热源随深空探测器在运载火箭发射过程中会经受加速度过载环境。同时，热源自身衰变热会产生高温工作环境。在高温的作用下，可能引起热源包壳材料的力学性能发生变化，影响材料的强度和刚度，从而导致材料的承载能力发生变化。在此影响下，经历加速度过载环境，可能导致包壳结构产生变形、裂纹、破损等，从而影响同位素热源的性能，甚至导致故障的发生，严重时还可能导致放射性物质的泄漏。因此，为保证应用于深空探测器的同位素热源在使用过程中的可靠性及安全性，需在地面开展加速度环境试验。238Pu属高度放射性物质，为保证试验的安全性，在地面加速度环境试验中往往采用结构模拟件代替真实产品进行试验。对于空间同位素热源结构模拟件，其本身不会像真实产品产生衰变热。因此，为保证试验产品与真实产品的热等效性，需对结构模拟件进行适当的热加载。综上，对于空间同位素热源地面加速度环境适应性的考核属温度-离心复合环境试验考核。另外，需要指出的是，同位素热源的真实使用环境，是真空密封环境，真空度约为0.1个大气压。在进行热加载时，还需要考虑气压环境带来的传热等方面的影响。

综上，开展用于同位素热源温度-离心复合环境试验的装备研制技术研究及温度-离心复合环境试验方法的制定，对空间同位素热源可靠性及安全认证具有重要支撑作用。

已有技术方案:

通过调研，美、俄关于空间同位素热源环境试验主要集中在安全性验证试验上，美对空间同位素热源安全性验证主要集中在发射场事故场景(发射失败引起的火灾、撞击等)，俄对空间同位素热源安全性验证则更偏重异常再入阶段的事故场景(气动热高温、热冲击等)，尚未有高温—加速度环境试验相关研究报导。相比美、俄，我国空间同位素热源研制和应用尚属起步阶段，环境试验需兼顾可靠性及安全性验证。国内方面，在温度-离心复合环境试验技术研究中，常见的方法包括：1、离心机转动前向离心机整流罩内吹热风的方法进行热加载。2、利用柔性加热带对试验产品进行缠绕，并将产品固定在离心机上实现250℃条件下产品响应温度控制的温度-离心复合环境试验；3、设计加热密封腔体，利用加热膜贴附在腔体四壁，耐热风扇增强对流，实现200℃空间环境的温度-离心复合环境试验。

上述技术手段，无法真实模拟同位素热源所经历温度-离心复合环境载荷。

直接原因包括：

1、载荷模拟能力不足：上述加载手段，如吹热风、加热膜或柔性加热带缠绕，仅能实现产品响应温度数十度、200℃、250℃温度条件下的模拟，无法实现空间同位素热源高温热载荷的加载条件，(以某型空间同位素热源为例，为保证其结构模拟件与真实产品热等效，需对结构模拟件加热至550℃)；