用於空間低氣壓環境下的風速發生裝置的製作方法

2023-04-29 16:42:56

本發明公開了一種用於空間低氣壓環境下的風速發生裝置，屬於空間環境模擬技術領域。

背景技術：

火星探測是我國今後航天技術領域發展的熱點方向,尤其著陸探測具有廣泛的現實性意義，而火星表面環境特點為：具有較為稀薄的大氣層，大氣主要成分為為二氧化碳和氮氣等，且有沙塵暴。火星表面溫度白天最高可達28℃，夜晚降低到－132℃，平均－57℃。

目前對於火星表面綜合環境的模擬技術在國內還處於空白,尤其是火星表面低氣壓環境下的氣流模擬,而在火星著陸探測器發射之前需要在地面進行充分的環境試驗驗證,用於充分暴露探測器潛在的設計和製造缺陷,儘量減小其失效的可能性,提高可靠性。本發明中的低氣壓風速發生裝置即是用於火星表面低氣壓條件下的氣流模擬。

當前對於空間環境模擬器雖然具備了熱真空環境試驗能力，但無法模擬火星表面氣體流動及風速分布情況。因此，在已有空間環境模擬器的基礎上，研究一種高效、可拆裝的低氣壓風速發生裝置，能有效解決火星著陸器環境試驗中氣流模擬的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了在已有空間環境模擬器中對低氣壓環境下的氣體流動及風速分布情況進行有效模擬，旨在解決火星表面綜合環境的模擬問題，同時滿足了火星著陸探測器等火星表面綜合環境的試驗需求。

本發明提供了一種高效，可拆裝，操作方便簡單的低氣壓風速發生裝置，該 裝置包括試驗平臺、風扇系統、傳動系統、驅動系統和由模擬器筒體與模擬器封頭組成的空間環境模擬器，試驗平臺通過底部支架設置在模擬器筒體內，傳動系統穿設固定在模擬器封頭上，模擬器封頭外部的驅動系統傳送動力給傳動系統並帶動模擬器封頭內的傳送系統輸出端固定設置的風扇系統轉動供風，試驗平臺包括整流涵道、熱球式風速儀和試驗件支架，整流涵道具有圓筒形的中間段和兩端外接的倒圓臺柱形的導風筒，進風端的導風筒還外接有供設置風速發生裝置的進風筒，整流涵道的內底面上設置試驗件支架，試驗件支架頂部掛設有熱球式風速儀以測量風速，供送的風從整流涵道的進風端進入，從整流涵道另一端流出，以便在空間環境模擬器的基礎上模擬低氣壓氣體流動及風速分布環境。

其中，風扇系統在低氣壓環境下工作，改變涵道的內外壓力，使試驗段產生穩定風速。

其中，試驗件支架從其底部到頂部逆著方向延伸且支撐高度逐漸升高，且位於整流涵道中間截面的圓心上。

其中，驅動系統由調速電機和電機支架組成，驅動系統獨立工作。

其中，傳動系統包括磁流體密封傳動裝置、傳動軸承機構，驅動系統的驅動動力通過傳動軸承機構(外部)傳至固定在空間環境模擬器封上的磁流體密封傳動裝置，磁流體密封傳動裝置用以隔絕空間環境模擬器內外環境，同時有效傳遞驅動動力；隨後，驅動動力再經過傳動軸承機構(內部)傳至風扇系統。

其中，傳動軸承機構由軸承、內外梅花聯軸器、軸承支架組成，軸承支架支撐在模擬器封頭的內壁上，並保證其與空間環境模擬器筒體同軸。

進一步地，軸承支架包括三根支腿，支腿的兩端分別連接軸承和空間環境模擬器封頭內壁上固定的耳片。

其中，風扇系統由多片低雷諾數風扇葉片組成。

其中，整流涵道通過底部支架固定在空間環境模擬器筒體內部，保證整流涵道中心與空間環境模擬器筒體同軸，整流涵道與空間環境模擬器體的軸向相對位置應不與風扇系統的結構產生幹涉。

其中，熱球式風速測量儀的信號線沿著整流涵道的外壁布置，與空間環境模 擬器筒體上預留的數據傳輸接口相連。

根據本發明的低氣壓風速發生裝置結構簡單，且在不改變現有空間環境模擬器結構的情況下，該裝置可重複拆裝，多次使用。這一特點使得該低氣壓風速發生裝置可在現有空間環境模擬器的基礎上模擬低氣壓氣體流動及風速分布環境，避免了空間環境模擬器的重新設計或空間環境模擬器結構修改所帶來的新問題。

根據本發明的低氣壓風速發生裝置的風扇系統採用低雷諾數風扇，經CFD仿真分析及實驗驗證，風扇系統能有效產生穩定風速。

根據本發明的，該風扇系統在低壓環境下能有效產生穩定風速，且與CFD仿真分析結果相近，風扇葉片數量是以效率最大為目標，通過CFD仿真分析優化得到的結果。

根據本發明的低氣壓風速發生裝置的傳動系統將驅動系統動力經傳動軸承機構(外部)傳遞到磁流體密封傳動裝置，進一步通過傳動軸傳遞到風扇系統。該傳動方案使得驅動系統在空間環境模擬器外工作，保證了調速電機的調速穩定性並且避免了低壓環境下電機冷卻不足和低氣壓放電的問題。

附圖說明

以下，結合附圖詳細說明本發明的實施例，其中：

圖1是本發明總體結構示意圖；

圖2是本發明試驗平臺的結構示意圖；

圖3是本發明風扇系統的結構示意圖；

圖4是本發明傳動系統的結構示意圖；

圖中：

1-試驗平臺；2-風扇系統；3-傳動系統；4-驅動系統；5-空間環境模擬器；11-整流涵道；12-熱球式風速儀；13-試驗件支架；31-磁流體密封傳動裝置；32-傳動軸承機構；51-模擬器筒體；52-模擬器封頭。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

本發明的低氣壓風速發生裝置總體上包括試驗平臺1，風扇系統2，傳動系統3，驅動系統4，空間環境模擬器5，具體參見圖1。在所示圖1的實施方式中，試驗平臺1包括整流涵道11、熱球式風速儀12和試驗件支架13(其設置方式具體參見圖2)。風扇系統2由多片低雷諾數風扇葉片組成，採用翼型。傳動系統3包括磁流體密封傳動裝置31，傳動軸承機構32,傳動軸承機構32包括內外梅花連軸器、軸承、軸承支架，傳動系統3依次序為：梅花聯軸器(外部)-磁流體密封傳動裝置-梅花聯軸器(內部)-軸承，將驅動系統4動力傳至風扇系統2。驅動系統4包括調速電機和電機支架。本發明的低氣壓風速發生裝置通過風扇驅動，改變風速發生截面前後壓力差實現了空間環境模擬器內氣體的循環，又通過涵道整流，得到較為穩定的試驗段。

本發明一實施方式的低氣壓風速發生裝置中試驗平臺的結構示意圖見圖2，本發明試驗平臺1中，整流涵道11內將形成穩定風速，即為試驗段，整流涵道11的內底面上設置試驗件支架13，試驗件支架13頂部掛設有熱球式風速儀12以測量風速，試驗件支架13從其底部到頂部逆著方向延伸且支撐高度逐漸升高。熱球式風速儀12和試驗件支架13不局限於圖2所示的實施例，根據不同工況，應以試驗段流場擾動最小為目標，優選或優化熱球式風速儀的布置方案及試驗支架的結構形式。

氣流經過氣流發生系統加速，通過試驗段後在涵道擴張段分流，再沿涵道外壁與試驗箱內壁之間的空間回流至風扇系統2，如此循環工作，具體參見圖2。

整流涵道11通過底部支架固定在空間環境模擬器筒體51內部，保證整流涵道中心與空間環境模擬器筒體51同軸，整流涵道與空間環境模擬器筒體51的軸向相對位置應不與風扇系統的結構產生幹涉。

本發明的試驗平臺1中的熱球式風速測量儀12的信號線與沿著整流涵道11外壁布置，與空間環境模擬器5預留的數據傳輸接口相連。

根據本發明的低氣壓風速發生裝置中試驗平臺1的所有部件均安裝在空間環境模擬器筒體51上，這一裝配方案避免了試驗平臺1的裝配受到空間環境模擬器封頭52的幹涉，有利於試驗平臺1的裝配與調整。

本發明的風扇系統2中單個風扇葉片的結構及其裝配結構，具體參見圖3，通過定位螺栓限位，多片風扇葉片依次首尾相連，裝配後的風扇與傳動軸法蘭相連。該裝配方案將風扇整體分解成多個單個葉片，這有利於葉片的成型加工，同時，每個風扇葉片21的結構形式和尺寸均相同，這也提高了加工效率。

本發明的風扇系統2的風扇葉片數量不局限於圖3所示的實施例，實際應用中，葉片數量應以效率最優為目標，優化出最優風扇結構形式。

本發明的傳動系統3中各傳動部件的相對位置及連接形式見圖4，驅動系統4的驅動動力通過傳動軸承機構32傳至固定在空間環境模擬器封頭52上的磁流體密封傳動裝置31，磁流體密封傳動裝置31用以隔絕空間環境模擬器內外環境，同時有效傳遞驅動動力。隨後，驅動動力再經過傳動軸承機構傳至風扇系統2。傳動軸承機構由軸承、內外梅花聯軸器、軸承支架組成，軸承支架支撐在模擬器封頭的內壁上，並保證其與空間環境模擬器筒體同軸。3根軸承支架兩端分別連接軸承和空間環境模擬器封頭的耳片。

本發明的傳動系統3中傳動軸承機構32的軸承支架與空間環境模擬器封頭52通過長螺栓孔連接，長螺栓孔連接方式保證了軸承的局部位置調整，裝配過程中應儘量保證軸承傳動機構32與空間環境模擬器筒體51同軸，以保證傳動部件運轉的穩定性，見圖4。

本發明的傳動系統3中軸承均採用潤滑脂進行潤滑，以防止試驗過程中空間環境模擬器5受到汙染。

本發明的傳動系統3中磁流體密封傳動裝置31的大部分結構處於空間環境模擬器5外側，因為試驗過程中，高轉速的情況下，磁流體密封傳動裝置31會出現發熱現象，在長時間工作狀態時，應在空間環境模擬器5外側對磁流體密封裝置31採取強制冷卻措施。

本發明的傳動系統3中磁流體密封傳動裝置31兩側均通過聯軸器與傳動系統3的傳動軸承機構連接，其中，聯軸器能有效隔振，以保證磁流體密封傳動裝置31的正常工作，見圖4。

根據本發明的低氣壓風速發生裝置中風扇系統2和傳動系統3都固定在空間環境模擬器大門52上，這一裝配方案避免了風扇系統2和傳動系統3的裝配 過程受到空間環境模擬器筒體51的幹涉，有利於風扇系統2和傳動系統3的裝配與調整。

本發明驅動系統4可根據空間環境模擬器5的具體結構調整驅源位置。驅動系統的安裝形式應根據具體試驗環境進行設計。例如，調速電機也可以採用將電機固定在空間環境模擬器封頭52上的支承形式，電機振動可通過空間環境模擬器承載。

根據本發明的驅動系統4具備調速及定速功能，例如，要使試驗段氣流達到預定流速，需進行動力源調速；要穩定試驗段氣流流速，需穩定動力源轉速。此外，調速系統具有調速保護功能。例如用於當測量系統測得的選定參數的值超過或達到預定的閾值時可通過調速或停止的方式保護本發明的低氣壓風速發生裝置各部件的安全運轉。

本發明的低氣壓風速發生裝置中驅動系統4的驅動動力是通過本發明的傳動系統3傳遞至風扇系統2的，因此，驅動系統4在空間環境模擬器5外工作，這一方案使驅動系統4在常溫常壓環境下工作，保證了調速穩定性並且避免了低壓環境下電機冷卻不足和低壓放電的問題。

本發明的一種低氣壓風速發生裝置的裝配方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：打開空間環境模擬器大門52，在預留的窗口上安裝磁流體密封傳動裝置31，並在兩側安裝傳動軸承機構32的聯軸器。

步驟二：在空間環境模擬器大門52上安裝傳動軸承機構32的軸承及軸承支架。

步驟三：調整傳動軸承機構32與空間環境模擬器大門52連接處螺栓與長孔(未示出)的相對位置，保證傳動軸與空間環境模擬器5同軸。

步驟四：在傳動軸承機構一側安裝風扇系統2，將多片風扇葉片用螺栓依次首尾定位，並與傳動軸上的風扇法蘭連接。

步驟五：安裝試驗平臺1，根據試驗件尺寸將試驗件安裝到試驗件支架13上，並根據試驗設計將熱球式風速測量儀12安裝到整流涵道11的相應位置。

步驟六：將裝配好的試驗平臺1到空間環境模擬器筒體51上，保證整流涵道11與空間環境模擬器5同軸，並將熱球式風速儀12的信號線連接到空間環 境模擬器5預留的信號採集接口上。

步驟七：關閉空間環境模擬器大門52，並根據風扇系統2的位置，調整整流涵道11與空間環境模擬器筒體51的相對軸向位置。

步驟八：關閉空間環境模擬器大門52，調整驅動系統4動力源安裝位置，保證其與磁流體密封傳動裝置31同軸。

步驟九：將空間環境模擬器5上信號採集接口輸出的信號以及調速電機上的輸出信號均接入驅動系統4的採集及控制計算機上，裝配完成

以上實施例僅是本發明有代表性的例子，只是為了說明本發明，而並非是對本發明的限定，根據所給出的上述說明本領域技術人員可以做出其他不同形式的變形。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉，而基於本發明所引出的等同、變化或變動仍處於本發明的保護範圍之內。