空間環(huán)境模擬器真空度異常診斷系統(tǒng)開發(fā)
真空系統(tǒng)作為空間環(huán)境模擬器的重要組成部分,其一般分為粗抽與高真空兩部分,在航天器熱試驗(yàn)過程中起著模擬空間真空背景的關(guān)鍵作用,一旦熱試驗(yàn)過程中真空度出現(xiàn)異常,不但試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行,甚至可能對(duì)航天器造成危害。本文針對(duì)大型環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽階段的真空度異常診斷方法進(jìn)行研究,開發(fā)了真空度異常診斷系統(tǒng),并將其應(yīng)用在了KM7A 空間環(huán)境模擬器上,取得了良好的效果。
1、概述
為驗(yàn)證航天器熱設(shè)計(jì)的正確性及各個(gè)飛行階段熱控系統(tǒng)適應(yīng)各種熱環(huán)境的能力并確定熱控系統(tǒng)的最佳熱控參數(shù),考核和驗(yàn)證航天器的工作能力,在航天器的研制過程中必須進(jìn)行充分的地面試驗(yàn),航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)是在空間環(huán)境模擬器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的,真空是不可缺少的環(huán)境條件。一旦空間環(huán)境模擬器真空環(huán)境在建立或維持過程中出現(xiàn)異常,航天器產(chǎn)品地面模擬試驗(yàn)的效果將難以保證甚至有可能對(duì)航天器產(chǎn)品本身造成危害。例如,若真空度在粗抽階段出現(xiàn)異常,則航天器在發(fā)射階段進(jìn)行的各項(xiàng)測(cè)試將無(wú)法全部完成。因此有必要開展熱試驗(yàn)真空度異常診斷技術(shù)的研究,在空間環(huán)境模擬器真空度異常時(shí),進(jìn)行診斷,分析原因,及時(shí)提示試驗(yàn)人員進(jìn)行處理,確保熱試驗(yàn)順利進(jìn)行。
2、空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)組成
在大型空間環(huán)境模擬器內(nèi)要實(shí)現(xiàn)宇宙空間的超高真空環(huán)境模擬是相當(dāng)困難的,而且也沒有必要這么做。從熱平衡試驗(yàn)看,只要克服空間環(huán)境模擬器內(nèi)的空氣的對(duì)流和導(dǎo)熱的影響就可滿足試驗(yàn)要求。
空間環(huán)境模擬器的真空系統(tǒng)一般由高真空系統(tǒng)與粗抽系統(tǒng)兩部分組成,如下圖1 所示。粗抽系統(tǒng)一般由多級(jí)干泵羅茨泵機(jī)組、閥門、真空規(guī)、管道等部分組成,其在空間環(huán)境模擬器啟動(dòng)時(shí)工作,將容器真空度降低到高真空系統(tǒng)可以啟動(dòng)的壓力;高真空系統(tǒng)一般由多臺(tái)低溫泵、閥門、真空規(guī)等部分組成,其在整個(gè)航天器熱試驗(yàn)工況過程中一直工作,作用是維持空間環(huán)境模擬器內(nèi)的真空度優(yōu)于試驗(yàn)大綱要求值,一般為1.3×10-3 Pa。
圖1 空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)原理圖
3、真空度異常診斷方法研究
航天器熱試驗(yàn)階段,空間環(huán)境模擬器的真空度從一個(gè)大氣壓變化到高真空(一般為10-4 Pa 量級(jí)),這期間如果環(huán)境模擬器密封不好或者真空測(cè)量系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致環(huán)境模擬器真空度出現(xiàn)異常。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),真空度出現(xiàn)異常大多是容器密封問題所導(dǎo)致,例如,真空法蘭上電連接器漏率過大、真空法蘭與容器密封不良、容器上的閥門漏率過大、容器內(nèi)的熱沉漏率過大等等,上述問題80%以上均可以在試驗(yàn)粗抽階段反映出來(lái),因此,空間環(huán)境模擬器真空度的異常診斷主要針對(duì)試驗(yàn)粗抽階段討論。
根據(jù)上述分析,結(jié)合空間環(huán)境模擬器粗抽階段的運(yùn)行特點(diǎn),我們總結(jié)出試驗(yàn)粗抽階段真空度異常診斷的方法如下:
a)整理空間環(huán)境模擬器不同衛(wèi)星平臺(tái)粗抽試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù),應(yīng)涵蓋所有衛(wèi)星平臺(tái),保證數(shù)據(jù)全面性;
b)根據(jù)整理的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù),選擇一定時(shí)間間隔,對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理,得出每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)歷史數(shù)據(jù)的最大值、最小值;
c)所有的最大值形成一條曲線(高限曲線),所有的最小值形成一條曲線(低限曲線),這樣所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線均被限定在了高、低限曲線之間;
d)根據(jù)得到的高、低限曲線,擬合出對(duì)應(yīng)的高、低限函數(shù);
e)得到高、低限函數(shù)后,編制真空度異常診斷程序,將試驗(yàn)粗抽階段任意時(shí)刻的壓力檢測(cè)值與函數(shù)同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓力值比較,若任意時(shí)刻的真空度檢測(cè)值超出此區(qū)間,則認(rèn)為容器可能存在泄漏情況,需要提醒試驗(yàn)操作人員注意并進(jìn)行相關(guān)檢查。
4、真空度異常診斷系統(tǒng)開發(fā)
下面以KM7A 空間環(huán)境模擬器為例,詳細(xì)介紹試驗(yàn)粗抽階段真空度異常診斷系統(tǒng)的開發(fā)以及應(yīng)用情況。
4.1、歷史數(shù)據(jù)整理收集
我們對(duì)KM7A 空間環(huán)境模擬器所有航天器真空熱試驗(yàn)粗抽階段的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,結(jié)合航天器的平臺(tái)特點(diǎn),選取了九組試驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù),形成了歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線簇,如下圖2 所示。
圖2 KM7A 空間環(huán)境模擬器粗抽歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線簇
4.2、歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
根據(jù)4.1 中選取好的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本,我們?nèi)?0s 時(shí)間間隔為樣本數(shù)據(jù)采集點(diǎn),這樣就可以得出每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)最大值與最小值。KM7A 空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽時(shí)間不到4 個(gè)小時(shí),30s 一個(gè)采樣點(diǎn),整個(gè)粗抽階段累計(jì)采集歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)約400 多個(gè),這400 多個(gè)采集點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)著九個(gè)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù),將每個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大值與最小值找到,即完成了歷史數(shù)據(jù)的處理工作。
4.3、真空度高、低限曲線獲得
根據(jù)4.2 部分的結(jié)論,我們將得到的每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大歷史數(shù)據(jù)繪成一條曲線即得到了真空度高限曲線,如圖3 中的黑色曲線;將每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小歷史數(shù)據(jù)繪成一條曲線即得到了真空度低限曲線,如圖3 中的紅色曲線。
圖3 真空度高、低限曲線
4.4、真空度高、低限函數(shù)獲得
根據(jù)4.3 中的結(jié)論,得到了真空度的高、低限曲線,我們采用多項(xiàng)式擬合的方式,可以分別求出真空度的高低限曲線所對(duì)應(yīng)的函數(shù)。由于真空度低限曲線對(duì)于空間環(huán)境模擬器密封性能的判斷指導(dǎo)意義不大,這里未予以考慮,僅考慮粗抽的高限曲線所對(duì)應(yīng)的函數(shù)即可,具體擬合公式以及方法如下。
以真空度開始變化為啟動(dòng)判讀時(shí)刻,標(biāo)記為時(shí)間零點(diǎn),真空度到達(dá)5Pa 停止判讀。
4.5、真空度異常診斷系統(tǒng)開發(fā)
根據(jù)4.4 中得到的結(jié)論,即獲得了真空度高限的曲線函數(shù),那么將高限函數(shù)集成到上位控制程序后,上位程序可以根據(jù)需要在固定時(shí)間間隔(例如1min) 將試驗(yàn)粗抽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)刻高限函數(shù)計(jì)算得到的真空度限值進(jìn)行比較,如果檢測(cè)真空度明顯超出高限值,則由上位程序觸發(fā)報(bào)警提示信息,容器密封可能存在問題,提醒試驗(yàn)操作人員檢查容器狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài),這就避免了粗抽已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)個(gè)小時(shí)后,真空度不在變化或變化緩慢時(shí)才覺得有問題,這時(shí)候再進(jìn)行問題定位、解決,需要耽誤較長(zhǎng)的時(shí)間,影響試驗(yàn)進(jìn)度。
5、結(jié)論與展望
故障診斷技術(shù)是近20 多年來(lái)國(guó)際上隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。本文對(duì)大型空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽階段真空度的異常診斷方法進(jìn)行了研究,提出基于全面歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)合多項(xiàng)式擬合的方法,可以對(duì)整個(gè)試驗(yàn)粗抽過程的真空度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷,并將成果應(yīng)用在了KM7A 空間環(huán)境模擬器上,效果良好。
后續(xù)課題組將結(jié)合粗抽系統(tǒng)真空度異常診斷的相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn),繼續(xù)深入研究空間環(huán)境模擬器其它重要分系統(tǒng)的故障模式以及診斷方法,為空間環(huán)境模擬器的健康穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。
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