[發明專利]多層熱沉支撐結構

無效

• 申請號: 200910086074.0
• 申請日: 2009-06-08
• 公開（公告）號: CN101578028A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 蔡國飆;王文龍;凌桂龍;黃本誠;張國舟;李曉娟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明涉及一種熱沉系統的支撐結構，尤其適用于多層熱沉的支撐結構。

【背景技術】

航天器在地面模擬試驗系統中進行試驗時，通常在模擬系統的容器內布置低溫的液氮熱沉和液氦熱沉來模擬太空的冷黑環境，并利用熱沉的低溫吸附技術使容器內達到高真空(10^-4-10^-5Pa)甚至極高真空(＜10^-7Pa)要求。熱沉在容器內的安裝和支撐很重要，熱沉片通常掛在熱沉骨架上，熱沉骨架與容器之間的連接機構稱為熱沉支撐結構，在滿足結構強度的情況下，支撐結構越簡單、質量越輕越好。由于熱沉受冷熱沖擊明顯，熱脹冷縮程度很大，有時甚至達到幾十毫米(KM6立式熱沉的外形尺寸為Φ10m×h16.9m，其徑向伸縮量達58mm)，所以支撐結構應保證熱沉在冷熱循環下自由伸縮，不產生較大溫度應力。

常見的熱沉支撐形式有：可調鉸鏈型、支座型和螺栓連接型^[1]，見圖1。中國大型空間環境模擬器KM6主容器的熱沉支撐結構第一次使用了圖2所示的“牛腿”型結構^[2]，固定在熱沉骨架上的小車(滑輪)能在“牛腿”上滑動自如，該結構解決了熱沉骨架熱脹冷縮帶來的徑向應力影響，完全滿足KM6熱沉工作時徑向伸縮量58mm的要求。圖3為KM6輔容器的“掛鉤型”熱沉支撐結構，熱沉骨架通過掛鉤掛接在容器內壁的角鋼導軌上，掛鉤和導軌間貼有聚四氟乙烯絕熱墊，聚四氟乙烯絕熱墊既解決熱沉與容器的絕熱問題，又保證熱沉骨架在導軌上的自由伸縮。

隨著對容器內真空度要求的提高和不同試驗的特殊要求，熱沉系統逐漸采用多層形式。圖4為某地面模擬試驗系統的多層熱沉結構示意圖，從圖中可見該系統的熱沉有5層、7部分，分別為前部液氮熱沉及骨架(2)；前部液氦熱沉及骨架(3)；后部液氮熱沉及骨架(4)；后部液氦熱沉及骨架(5)；羽流泵大筒熱沉及骨架(6)；羽流泵中筒熱沉及骨架(7)；羽流泵小筒熱沉及骨架(8)。容器內壁到最內層熱沉(羽流吸附泵小筒)的距離約1.5m，間距如此大的熱沉結構在中國屬于首例，在國際上也屬罕見。在工作時(熱沉管路內通低溫工質)單層熱沉的最大質量約6t，要求熱沉支撐結構牢固可靠，且拆裝方便。

現有的支撐結構不能很好的解決多層熱沉的支撐問題，對質量如此大的熱沉，支座型和螺栓連接型支撐結構的結構強度不足，且不能解決伸縮量大的問題。中國早期KM系列空間環境模擬器較多采用可調鉸鏈結構，但這種結構拆裝困難，尤其是鉸鏈需要穿過多層熱沉時，鉸鏈解鎖后熱沉支撐固定困難，向容器外運輸難度也較大。圖3所示的“掛鉤”型也只適用于熱沉緊貼容器內壁的單層熱沉結構。

圖2所示的支撐結構雖能很好的解決熱沉冷熱沖擊時伸縮量大的問題，但對多層熱沉結構，內層熱沉到達容器內壁的距離較大，此時需要“牛腿”伸出長度較多，在承受熱沉質量較大時，“牛腿”的撓度變形會很大。假設“牛腿”長1m，材料為0Cr18Ni9Ti，“牛腿”的截面慣性矩取I＝2e6mm⁴，承受載荷F＝1e4N時，根據材料力學的懸臂梁撓度計算公式w＝FL³/3EI，其中E為彈性模量，取E＝2.09e5N/mm⁴，經計算牛腿的最大撓度可達8mm，如此大的撓度變形是工程上不能接受的。可見牛腿型的支撐結構也不適于多層熱沉的支撐結構。

綜上所述，大型熱沉的支撐結構應具備以下特點：

(1)承載大，能承受重達幾噸的載荷；

(2)變形小，熱沉支撐結構的變形不能過大；

(3)無溫度應力，熱沉支撐結構能保證熱沉在大溫度梯度下能自由伸縮，不產生溫度應力；

(4)可拆卸，多層熱沉在不用時可根據需要拆卸，且拆卸方便。

參考資料：

[1]黃本誠《模擬太空環境的熱沉技術》，《第三屆海內外華人航天科技研討大會論文集》1997年于澳門。

[2]鄒定忠《熱沉設計技術》，《中國空間科學技術》2002年第3期。

【發明內容】

本發明的目的是提供一種新型的熱沉支撐結構，尤其適用于大尺寸、大跨度的多層熱沉支撐，解決了多層熱沉的最內層熱沉與容器內壁間距較大時熱沉支撐結構撓度變形大的問題。采用“可調支桿-多支點”熱沉結構，更換不同高度的支桿即可實現熱沉支撐結構的高度調節；通過增減支點的個數滿足熱沉支撐結構不同承重要求。安裝在熱沉骨架上的支撐輪可在熱沉支撐結構的導軌上沿軸向和徑向自由滑動，消除了由溫度梯度導致熱沉及骨架沿軸向及徑向的伸縮量影響。