[科普中国]-空间环境模拟器-

发展简介

空间环境模拟器是模拟宇宙空间环境的设备。用于试验航天器耐真空、冷黑、太阳辐射、磁场和承受高能粒子辐射、太阳风和微流星体等的能力。空间环境模拟器技术复杂，研制费用颇巨，但为了提高航天器的可靠性，自60年代以来各国已建造了数千台不同类型的空间环境模拟器。由于技术上的原因，一台空间环境模拟器只能模拟一种或数种环境。现代最大的空间环境模拟器直径达20米、高37米，可把整个“阿波罗”号飞船放进去试验。美国、日本、苏联都建有类似的大型空间环境模拟器。中国于1964年建成第一批空间环境模拟器，1976年建成大型的KM-4空间环境模拟器，可供通信卫星、广播卫星、气象卫星等各种应用卫星进行空间环境模拟试验。主模拟室直径7米、高12米、总容积400立方米，极限真空度优于5.3×10-3毫帕（4×10-8毫米汞柱），热沉温度低于95K，吸收系数大于0.92，配有辐照直径4米、由19 个卡塞格林系统组合的太阳模拟器。2

主要分系统及功用真空容器为模拟器主体；真空容器用于获得空间的真空环境。热沉用于模拟空间的冷黑环境。液氮系统用于热沉冷却。氦系统提供内装式深冷泵10K的冷源。太阳模拟器模拟空间太阳辐照环境。红外模拟器模拟太阳、地球及空间外热流环境。运动模拟器模拟航天器在太空中相对于太阳的姿态。载人航天试验系统提供航天员安全、救生等试验条件。此外，还有进出空间环境模拟器用的气闸舱系统，紧急复压系统，以及数据采集、控制与试验管理系统等。1

设备技术要求尺寸应有合适的空间环境模拟器与航天器的特征尺寸（比如长度和直径等）比。当采用太阳模拟器时，比值一般不小于3；采用红外加热器和表面接触式电加热器时，比值一般不小于2。3

压力空间环境模拟器内部的压力：中国规定不高于1.3×10-3Pa；美军标MIL-STD-1540B和MIL-STD-1540C规定不高于1.3×10-2Pa。3

热沉热沉朝向航天器的表面对太阳的吸收比不小于0.95，半球向发射率不小于0.90，热沉表面温度不高于100K，温度分布不均匀性不超过±5K。3

支架、吊点和运动模拟器 空间环境模拟器内具有吊挂航天器的支架或吊点，当采用太阳模拟器进行试验时，运动模拟器必须具有模拟航天器自旋和姿态变化的能力。3

洁净度和污染量 空间环境模拟器内部洁净度应不低于100000级，空间环境模拟器连续空载运行24小时后的有机污染量一般不能超过1×10-7g/cm2，试验过程中来自空间环境模拟器系统和航天器自身的累计污染量一般不大于1×10-7g/cm2。3

电缆通道 具有满足试验要求的测量和供电电缆通道。

空间外热流控制系统 具有足够数量的直流程控电源及空间外热流控制系统。

测量仪器 系统有监测航天器各部位和热沉表面温度、空间环境模拟器内压力、卫星表面的污染量和热流或功率的数据采集系统或仪器。3

地线空间环境模拟器内应有接地电阻不大于1Ω的地线。

摄像应配有电视摄像设备。

热气氦系统 有使热沉升温的热气氦系统。

复压系统 有使空间环境模拟器恢复常压的复压系统，该系统应能提供洁净、干燥的空气。3

主要类型主要的空间环境模拟器有热真空环境模拟器、空间动力学模拟器、空间组合环境模拟器等。

热真空环境模拟器 用以模拟真空、冷黑和太阳辐射 3项宇宙空间基本参数，用于进行航天器的热真空试验和热平衡试验。用于载人航天器时还应附加空气锁和应急复压系统等装置，以供航天员和试验人员出入、监视和急救之用。2

空间动力学模拟器 一种大型低真空模拟系统，模拟器中配备有精密转台、激振系统和测试、观察、记录装置等辅助设施，用于对整个航天器和大型结构进行旋转、展开、动力学特性测定以及火箭整流罩分离等试验。2

空间组合环境模拟器 一般为多种环境组合的中、小型试验设备。模拟的环境包括太阳辐射、紫外线、电子、质子、太阳风、极高真空、冷热交变、等离子体等，用于对航天器零、部件和材料的研究与检验试验。中国研制的高精度小太阳无油超高真空空间模拟器即属于这一类型。2

空间模拟器污染问题污染对空间模拟器影响（1）真空机组污染，特别是对极高真空模拟器，更明显的会影响极限真空度，延长抽气时间。

（2）污染将影响太阳模拟器的性能，如光学系统镜面的污染会降低反射率而影响太阳模拟器的性能。

（3）热沉表面的污染会降低热沉的吸收系数。4

污染检测方法包括气体质谱法、石英晶体微量天平秤、真空紫外线发射法、红外光谱分析法、气体色谱分析法、气体色谱质谱分析法等。4

防止污染的方法（1）防止空间环境试验设备对航天器的污染。减少真空系统中机械泵油返油；在试验前对模拟器和热沉进行烘烤处理；试验现场应有防尘、清洁措施；试验人员符合卫生要求；被试材料的挥发可疑量和质量损失要符合标准；所有材料进行预处理；防止复压过程中的污染；模拟器内保持低真空；定期清洁模拟器；采用无油或少油抽气系统；开展空间环境污染控制的理论和试验研究。4

（2）减少航天器自身污染。航天器设计上考虑防污染；建立严格的清洁制度；严格选用各种航天器材料；随时监视航天器关键部位引起污染的程度；建立预示污染的数学模型。4

典型空间环境模拟器卧式空间模拟器以中国卫星环境工程研究所、德国工业设备管理公司（IABG）、美国PDM公司、日本筑波宇宙中心的卧式设备为例，介绍如下：

中国KM3空间模拟器

KM3空间模拟器于1970年建成。主要为中、小型卫星做热真空、热平衡试验，为中国第一颗返回式卫星、实践2号卫星、天文卫星，做过热平衡与热真空试验。空间模拟器其真空容器直径为3.6米、长7.3米。试验空间直径2.9米、长5.2米。试件入口直径2.9米。采用特殊设计的小车，将试件沿导轨装入容器。5

空间模拟器的空载极限真空度为9.3×10-7Pa，热沉壁温度低于95K。

全套设备由真空容器、热沉、真空抽气系统、液氮系统、气氮系统及数据采集与处理系统等组成。

德国IABG空间模拟器

该设备直径6.8米、长15米、试验空间1000米2。真空度10-3Pa，太阳模拟器辐照面积直径3.5米、热沉温度100K～400K可调、运动模拟器自转轴转速为10r/min、姿态轴旋转角±200°、试件最大直径4米、高5米，载荷2000～2500千克。5

美国PDM公司空间模拟器

1986年PDM公司制造了这台空间环境模拟器，空间模拟器直径12.2米、长24.4米。真空容器的两端设计成可打开的大门，称德尔塔容器。采用无油抽气系统，该系统由深冷泵、分子泵等组成。真空容器内空载极限真空度为1.3×10-6Pa、热沉温度90K、带有光学平台。5

日本筑波宇宙中心的空间模拟器

筑波宇宙中心的空间模拟器直径14米、长16米。空载极限真空度1.3×10-5Pa、采用无油抽气系统；热沉温度100K或-100～+60°C可调；太阳模拟器辐照面积直径6米、均匀性±5%、光源用19支30千瓦的短弧氙灯组成；运动模拟器自旋轴转速0～10r/min（可调）、姿态翻转角±90°、载荷5000千克。5

立式空间环境模拟器以中国、欧洲空间技术研究中心（ESTEC）、日本、印度及美国的典型设备为例介绍。

KM4空间模拟器

KM4型设备是中国在21世纪初期最大的空间环境模拟器，用于大型卫星整星的热真空与热平衡试验，曾为中国已发射的通信卫星、气象卫星、返回式卫星做过热平衡试验与热真空试验。该模拟器空间模拟室直径7米、高12米，加太阳模拟器总高度15米。5

欧洲空间技术研究中心的空间模拟器

是目前欧洲最大的空间环境模拟器，设在欧洲空间技术研究中心。直径10米、高15米。顶部有可移动大门，容器内开有直径5米的侧门，供试件进出用，在侧门上开有直径1.8米小门，供人进出。5

日本筑波宇宙中心的空间模拟器

该设备建于1975年。空间模拟室直径8.5米、高25米，试验空间1350米3、真空容器壁厚20mm，热沉直径8米、温度100～300K可调，吸收率0.95，太阳模拟器辐照直径4米，运动模拟器可绕两个轴旋转，自旋轴转速0～90r/min，姿态轴翻转角0～120°。5

印度空间模拟器

1989年建造。空间模拟器直径9米、高13米，空载极限真空度5×10-6Pa。热沉温度+150°C～-180°C可调，太阳模拟器辐照面积直径4.5米。配有运动模拟系统。5

美国休斯敦空间中心的空间模拟器

它是美国最大的空间环境模拟器。分为A室和B室。直径19.8米、高36.6米，最大试件质量68100千克，真空抽气采用油扩散泵系统和20K深冷泵系统，空载极限真空度1.3×10-6Pa，热沉温度90K，吸收率0.95，最大热负荷330千瓦。曾提供阿波罗飞船与航天飞机做热真空与热平衡试验。5

未来发展趋势（1）世界各国空间中心都在建立自己的特大型空间环境模拟器。

（2）空间模拟室采用多种形式。

（3）洁净化程度更高。

（4）真空系统无油化。

（5）选用新型材料作为热沉材料。

（6）热沉温度要求更高。