專利名稱：內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備與方法
技術領域：
本發明涉及電熱材料或加熱器快速壽命測試的實驗技術，具體為一種內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備與方法。
背景技術：
我國航天科技集團公司于二十世紀末開始發射一系列包括對地觀測衛星和飛船等空間飛行器。它們的運行軌道低、壽命長，姿態和軌道需要經常調整，目前采用單組元肼催化分解式推力器組成推進系統。但所用催化劑降低了推力器的可靠性，制約了整星的使用壽命。而采用單組元肼電熱直接熱分解式推力器(電熱肼推力器)，免用催化劑，真空比沖更高，節約星上能源，內置式多孔加熱器是它的關鍵組件，我國對電熱肼推力器的研制還處于起步階段。為保證電熱肼推力器的高效率和長壽命工作，對內置式多孔加熱器的工作壽命提出很高要求。為了驗證加熱器能否滿足設計指標，模擬器件在軌工作狀態，研制出內置式多孔加熱器快速壽命的實驗設備并擬定出實驗方案，對內置式多孔加熱器的性能和壽命進行考核。
發明內容
本發明的目的是提供一種內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備與方法，用于對航天器推進系統的電熱推力器內置式多孔加熱器的性能和壽命進行考核。本發明的技術方案是:一種內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備，該設備由以下三部分組成:(I)真空系統:包括真空室、分子泵、機械泵、波紋管和真空計，所述真空室包括不銹鋼圓筒、法蘭盤和氣密封電連接器，不銹鋼圓筒一端封口，另一端安裝法蘭盤，不銹鋼圓筒和法蘭盤之間通過密封圈密封；法蘭盤連接氣密封電連接器，不銹鋼圓筒上部連接真空計，不銹鋼圓筒下部連接分子泵，分子泵通過波紋管與機械泵連接；(2)樣品安裝架:包括真空隔熱套筒、不銹鋼支架、不銹鋼托架和底盤，不銹鋼支架和不銹鋼托架固定于底盤上，真空隔熱套筒由不銹鋼支架支撐；帶有熱電偶的實驗樣品裝入真空隔熱套筒后，將真空隔熱套筒固定在不銹鋼支架上，試驗樣品的固封段放置在不銹鋼托架上，然后將樣品安裝架裝入真空室中，熱電偶線通過氣密封電連接器相連接入測量控制系統中；所述真空隔熱套筒由內層不銹鋼圓筒、外層不銹鋼圓筒和多層隔熱材料組成，內層不銹鋼圓筒直徑大于試驗樣品，多層隔熱材料在內層不銹鋼圓筒和外層不銹鋼圓筒之間，多層隔熱材料由一層高溫氧布和一層鎳箔交替排列構成，共18層。(3)測量控制系統:由四路獨立的控制回路組成，每一路控制回路包括溫度控制器、固態繼電器、直流電源、循環計時器、計數器、電流檢測器、電壓表、電流表、無紙記錄儀，負載為帶有熱電偶的內置式多孔加熱器，即實驗樣品，實驗樣品置于真空室內；熱電偶線通過氣密封電連接器接入溫度控制器，直流電源正極與固態繼電器正向輸入端連結，固態繼電器反向輸出端與電流檢測器連接，溫度控制器正極和固態繼電器正向輸入端通過循環計時器中的控制觸點Jl-1連接，溫度控制器負極與固態繼電器反向輸入端連接，循環計時器和計數器通過循環計時器中的控制觸點J1-2與電流檢測器中的控制觸點J2串聯連接，電流檢測器、電流表、電壓表與負載連接，溫度控制器、電流表、電壓表的輸出端與無紙記錄儀輸入端連接。所述直流電源的電壓在0 65V間調節。所述測量控制系統一個控制回路的工作過程為:(I)當真空室壓力達到規定值后，啟動設備電源，根據所要求的樣品通電、斷電時間設定循環計時器周期參數；(2)接通對負載加熱的直流電源，根據對樣品的溫度要求設定直流電源的輸出電壓，可以分別給各路樣品加0 65伏電壓，每路最大電流可達3安培；(3)樣品的溫度由安置在樣品上的熱電偶輸出信號，溫度控制器可在要求的范圍內通過調節負載電流進行溫度控制和測量；(4)根據設定的每一循環周期內樣品通電加熱和斷電降溫的要求，循環計時器內部的控制觸點分別通、斷其與固態繼電器的連接，同時向計數器輸出信號令其計數；(5)當負載意外開路時，電流檢測器中的控制觸點J2將封鎖計數器，使其停止計數；(6)無紙記錄儀同時記錄每一路負載(樣品)的溫度值、電壓值、電流值以及計算得到的電阻值。所述內置式多孔加熱器快速壽命的實驗設備應用于航天飛行器姿軌控推力器熱控裝置所用的內置式多孔加熱器測試中。利用上述設備進行內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其原理是利用模擬內置式多孔加熱器空間工作環境的實驗設備，考核其使用壽命。所述實驗樣品使用專利申請號為201110278801.0中提到的內置式多孔加熱器，該內置式多孔加熱器包括一體化發熱芯、鎧裝殼體、過渡引出組件、引出段和外引線；所述一體化發熱芯包括發熱體和發熱體骨架；發熱體骨架由七根氮化硼管經密排而成，所述密排具體為六根周邊氮化硼管以一根中心氮化硼管為中心對稱排布；中心氮化硼管管內軸向放置隔片，周邊氮化硼管的兩端開有槽口，發熱體經槽口依次往復穿裝入周邊氮化硼管；氮化硼管間以無機膠固定；所述鎧裝殼體包括不銹鋼圓筒、法蘭盤和變徑管，不銹鋼圓筒和變徑管通過法蘭盤焊接在一起，一體化發熱芯封裝在不銹鋼圓筒中，法蘭盤中心留有過渡線的引出孔；所述過渡引出組件包括過渡線和復合組成的絕緣材料部件，過渡線為多股鎳鉻合金絲，其截面積為發熱體真實截面積的4 5倍；復合組成的絕緣材料部件包括雙孔氮化硼圓片、石英管、無機膠和氧化鎂微粉；雙孔氮化硼圓片利用無機膠粘接在一體化發熱芯與法蘭盤之間，過渡線其一端與發熱體兩端相連后從中心多孔氮化硼管中隔片兩側引出，然后經雙孔氮化硼圓片上的兩個孔進入變徑管中，過渡線引出變徑管后與外引線相連，變徑管中的過渡線外套石英管，變徑管中充填無機膠和氧化鎂微粉；過渡線與外引線連接點用熱縮套管包覆后，采用耐高溫環氧膠將其與變徑管末端一起固封在不銹鋼管中，構成引出段。在真空條件下，將試驗樣品通電，調整通電電壓使試驗樣品在2分鐘內中心溫度(試驗樣品發熱體的溫度)達到700°C，隨后對樣品進行通電2分鐘、斷電2分鐘為一個周次的考核測驗，在2萬周次的實驗中考查試驗樣品電阻和中心溫度的變化，以確定樣品的使用壽命；實驗條件:真空條件指環境壓力10_2 10_3Pa，試驗樣品通電后中心溫度不低于700 0C ；實驗模式:通電2分鐘、斷電2分鐘為一個周次，共進行2萬個周次；測試項目:實驗過程中測量實驗樣品通電狀態的電壓、電流及實驗樣品不同位置的溫度；性能考核指標:試驗樣品通電后中心溫度達到700°C時，加熱功率不高于20W ;試驗樣品經2萬個周次實驗后電阻變化不超過15%。該方法的具體步驟為:I)試驗樣品的安裝:實驗前測量試驗樣品的電阻；然后將第一熱電偶從實驗樣品一體化發熱芯的底部放入中心氮化硼管的中心位置，實驗樣品變徑管的管壁中部點焊第二熱電偶，實驗樣品引出段的不銹鋼管管壁中部點焊第三熱電偶；將帶有熱電偶的試驗樣品裝入真空隔熱套筒；將真空隔熱套筒固定在不銹鋼支架上，試驗樣品的引出段安放在環形不銹鋼托架上；將樣品安裝架裝入真空室內部，試驗樣品的弓I出線及三個熱電偶的電偶線通過氣密封電連接器接入測量控制系統；安裝真空室的法蘭盤；2)模擬真空系統:通過機械泵將真空室內部抽至IOPa以下的低真空環境，然后用分子泵將真空室內部抽至KT2Pa以上的高真空環境；3)實驗參數設定:設定試驗樣品通、斷電時間，均為2分鐘；4)電壓的調整:調整試驗樣品通電電壓，使第一熱電偶所在位置溫度在2分鐘內到達700°C，然后開始記錄實驗周次；測量結果顯示在無紙記錄儀上；如果實驗過程中試驗樣品第一熱電偶所在位置溫度低于700°C，則需要調整通電電壓，以維持樣品溫度；5)過程記錄和結果分析:試驗樣品須經歷2萬個周次的循環，實驗過程中周次可以累積；實驗過程中記錄樣品通電時的電壓、電流和三個熱電偶所在位置的溫度；實驗結束后停止對樣品通電，關閉真空系統，取出樣品再次測量其阻值；根據考核指標判斷其性能和使用壽命是否滿足研制技術要求，需要時對試驗樣品進行材料結構、成分分析。實驗中，需要監測第二熱電偶所在位置的溫度不高于350°C，第三熱電偶所在位置的溫度不高于180°C。所述第一熱電偶、第二熱熱電偶和第三熱電偶為K型熱電偶，由鎳硅合金絲、鎳鉻合金絲通過儲能式脈沖點焊技術熔焊而成，外套剛玉絕緣套管。本發明的有益效果:1、內置式多孔加熱器應用于航天飛行器姿、軌控電熱推力器上，由于其工作環境及使用要求不能用常規的檢驗方法對其壽命進行判斷評估，為此制定了內置式泡沫加熱器快速壽命的實驗方法并研制相應的設備，取得樣品加熱電壓、電流、溫度分布等與使用周次關系曲線圖。
2、本發明采用在試驗樣品不同位置安置熱電偶的設計，有效的測試了加熱電壓、電流的變化對試驗樣品一體化發熱芯及整體器件溫度分布的影響。3、本發明采用真空隔熱套筒設計，有效地模擬空間推力器推力室外包覆的隔熱材料，降低了在高真空度環境下，器件由于熱輻射及熱傳導所造成的熱量損失，提高了測量數據的準確性。4、本發明采用的多路測量控制裝置，每次可以對4個樣品同時進行實驗，操作簡單，實驗效率高、成本低。
圖1為本發明內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備結構示意圖。圖2為本發明樣品安裝架結構示意圖。圖3為本發明真空隔熱套筒結構示意圖。圖4為本發明帶有熱電偶的實驗樣品示意圖。圖5為本發明的測量控制系統其中一個控制回路框圖。圖中:1循環計時器，2溫度控制器，3無紙記錄儀，4計數器，5法蘭盤，6不銹鋼圓筒，7真空計，8電流表，9直流電源，10電壓表，11固態繼電器，12氣密封電連接器，13密封圈，14分子泵，15波紋管，16機械泵，17真空隔熱套筒，18不銹鋼支架，19底盤，20不銹鋼托架，21外層不銹鋼圓筒，22多層隔熱材料，23內層不銹鋼圓筒，24中心氮化硼管，25變徑管，26不銹鋼管，27第一熱電偶，28第二熱電偶，29第三熱電偶。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖1、2、3、6所示，本發明內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備，由以下三部分組成:(I)真空系統:包括真空室、分子泵(14)、機械泵(16)、波紋管(15)和真空計(7)，所述真空室包括不銹鋼圓筒￠)、法蘭盤(5)和氣密封電連接器(12)，不銹鋼圓筒(6) —端封口，另一端安裝法蘭盤(5)，不銹鋼圓筒(6)和法蘭盤(5)之間通過密封圈(13)密封；法蘭盤(5)連接氣密封電連接器(12)，不銹鋼圓筒(6)上部連接真空計(7)，不銹鋼圓筒(6)下部連接分子泵(14)，分子泵(14)通過波紋管(15)與機械泵(16)連接；(2)樣品安裝架:包括真空隔熱套筒(17)、不銹鋼支架(18)、不銹鋼托架(20)和底盤(19)，不銹鋼支架(18)和不銹鋼托架(20)固定于底盤(19)上，真空隔熱套筒(17)由不銹鋼支架(18)支撐；帶有熱電偶的實驗樣品裝入真空隔熱套筒(17)后，將真空隔熱套筒
(17)固定在不銹鋼支架(18)上，試驗樣品的固封段放置在不銹鋼托架(20)上，然后將樣品安裝架裝入真空室中，熱電偶線通過氣密封電連接器(12)相連接入測量控制系統中；所述真空隔熱套筒(17)由內層不銹鋼圓筒(23)、外層不銹鋼圓筒(21)和多層隔熱材料(22)組成，內層不銹鋼圓筒(23)直徑大于試驗樣品，多層隔熱材料(22)在內層不銹鋼圓筒(23)和外層不銹鋼圓筒(21)之間，多層隔熱材料(22)由一層高溫氧布和一層鎳箔交替排列構成，共18層。 (3)測量控制系統:由四路獨立的控制回路組成，每一路控制回路包括:溫度控制器(2)、固態繼電器(11)、直流電源(9)、循環計時器(I)、計數器(4)、電流檢測器、電壓表
(10)、電流表(8)、無紙記錄儀(3)，實驗樣品置于真空室內；熱電偶線通過氣密封電連接器
(12)接入溫度控制器(2)，直流電源(9)正極與固態繼電器(11)正向輸入端連接，固態繼電器(11)反向輸出端與電流檢測器連接，溫度控制器⑵正極和固態繼電器(11)正向輸入端通過循環計時器中的控制觸點Jl-1連接，溫度控制器負極與固態繼電器反向輸入端連接，循環計時器(I)和計數器(4)通過循環計時器中的控制觸點J1-2與電流檢測器中的控制觸點J2串聯連接，電流檢測器、電流表、電壓表與負載連接，溫度控制器、電流表、電壓表的輸出端與無紙記錄儀輸入端連接。K型熱電偶的制作(如圖4):將兩根400mm長的00.3鎳鉻、鎳硅絲在端頭點焊在一起，在兩根絲外套陶瓷管絕緣保護。將第一熱電偶(27)的測溫點放置于中心氮化硼管
(24)的中部，第二熱電偶(28)的測溫點點焊在實驗樣品變徑管(25)的管壁中部，第三熱電偶(29)的測溫點點焊在實驗樣品引出段不銹鋼管(26)管壁的中部。將帶有熱電偶的試驗樣品裝入真空隔熱套筒(17);將真空隔熱套筒(17)固定在不銹鋼支架(18)上，試驗樣品的引出段安放在不銹鋼托架(20)上；將樣品安裝架(圖2)裝入不銹鋼圓筒(6)內部，試驗樣品的引出線及三個熱電偶的線與氣密封電連接器相連；安裝真空室的法蘭盤(5);安裝前測量試驗樣品的電阻。通過機械泵(16)將真空室內部抽至低真空環境(IOPa以下)，后用分子泵(14)抽至高真空10_2以上。設定樣品通、斷電時間，均為2分鐘。調整樣品通電電壓，使試驗樣品工作段溫度在2分鐘內到達700°C，然后開始記錄實驗周次；測量結果顯示在無紙記錄儀(3)上；如果實驗過程中試驗樣品溫度降低，則需要調整通電電壓，以維持樣品溫度。試驗樣品須經歷2萬個周次的實驗，實驗過程中周次可以累積；實驗過程中無紙記錄儀記錄試驗樣品通電時的電壓、電流和三個熱電偶所在位置的溫度，同時記錄根據電壓、電流值計算出的相應電阻值；實驗結束后停止對樣品通電，關閉真空系統，取出試驗樣品再次測量其阻值；根據考核指標判斷其性能和使用壽命是否滿足研制技術要求，需要時對試驗樣品進行材料結構、成分分析。
權利要求
1.一種內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備，其特征在于:該設備由以下三部分組成: (1)真空系統:包括真空室、分子泵、機械泵、波紋管和真空計，所述真空室包括不銹鋼圓筒、法蘭盤和氣密封電連接器，不銹鋼圓筒一端封口，另一端安裝法蘭盤，不銹鋼圓筒和法蘭盤之間通過密封圈密封；法蘭盤連接氣密封電連接器，不銹鋼圓筒上部連接真空計，不銹鋼圓筒下部連接分子泵，分子泵通過波紋管與機械泵連接； (2)樣品安裝架:包括真空隔熱套筒、不銹鋼支架、不銹鋼托架和底盤，不銹鋼支架和不銹鋼托架固定于底盤上，真空隔熱套筒由不銹鋼支架支撐；帶有熱電偶的實驗樣品裝入真空隔熱套筒后，將真空隔熱套筒固定在不銹鋼支架上，試驗樣品的固封段放置在不銹鋼托架上，然后將樣品安裝架裝入真空室中，試驗樣品的引出線及熱電偶線通過氣密封電連接器相連接入測量控制系統中； (3)測量控制系統:由四路獨立的控制回路組成，每一路控制回路包括溫度控制器、固態繼電器、直流電源、循環計時器、計數器、電流檢測器、電壓表、電流表、無紙記錄儀，負載為帶有熱電偶的內置式多孔加熱器，即實驗樣品，實驗樣品置于真空室內；熱電偶線通過氣密封電連接器接入溫度控制器，直流電源正極與固態繼電器正向輸入端連結，固態繼電器反向輸出端與電流檢測器連接，溫度控制器正極和固態繼電器正向輸入端通過循環計時器中的控制觸點Jl-1連接，溫度控制器負極與固態繼電器反向輸入端連接，循環計時器和計數器通過循環計時器中的控制觸點J1-2與電流檢測器中的控制觸點J2串聯連接，電流檢測器、電流表、電壓表與負載連接，溫度控制器、電流表、電壓表的輸出端與無紙記錄儀輸入端連接。
2.根據權利要求1所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備，其特征在于:所述真空隔熱套筒由內層不銹鋼圓筒、外層不銹鋼圓筒和多層隔熱材料組成，內層不銹鋼圓筒直徑大于試驗樣品，多層隔熱材料 在內層不銹鋼圓筒和外層不銹鋼圓筒之間，多層隔熱材料由一層高溫氧布和一層鎳箔交替排列構成，共18層。
3.根據權利要求1所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備，其特征在于:所述直流電源的電壓在O 65V間調節。
4.根據權利要求1所述的內置式多孔加熱器快速壽命的實驗設備，其特征在于:所述內置式多孔加熱器快速壽命的實驗設備應用于航天飛行器姿軌控推力器熱控裝置所用的內置式多孔加熱器測試中。
5.一種利用權利要求1所述設備進行內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其特征在于:在真空條件下，將試驗樣品通電，調整通電電壓使試驗樣品在2分鐘內中心溫度達到700°C，隨后對樣品進行通電2分鐘、斷電2分鐘為一個周次的考核測驗，在2萬周次的實驗中考查試驗樣品電阻和中心溫度的變化，以確定樣品的使用壽命； 所述中心溫度是指試驗樣品發熱體的溫度。
6.根據權利要求5所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其特征在于:實驗條件:真空條件指環境壓力10_2 10_3Pa，試驗樣品通電后中心溫度不低于700°C ； 實驗模式:通電2分鐘、斷電2分鐘為一個周次，共進行2萬個周次； 測試項目:實驗過程中測量實驗樣品通電狀態的電壓、電流及實驗樣品不同位置的溫度；性能考核指標:試驗樣品通電后中心溫度達到700°C時，加熱功率不高于20W ;試驗樣品經2萬個周次實驗后電阻變化不超過15%。
7.根據權利要求6所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其特征在于:該方法的具體步驟為: 1)試驗樣品的安裝: 實驗前測量試驗樣品的電阻；然后將第一熱電偶從實驗樣品一體化發熱芯的底部放入中心氮化硼管的中心位置，實驗樣品變徑管的管壁中部點焊第二熱電偶，實驗樣品引出段的不銹鋼管管壁中部點焊第三熱電偶；將帶有熱電偶的試驗樣品裝入真空隔熱套筒；將真空隔熱套筒固定在不銹鋼支架上，試驗樣品的引出段安放在環形不銹鋼托架上；將樣品安裝架裝入真空室內部，試驗樣品的引出線及熱電偶線通過氣密封電連接器接入測量控制系統；安裝真空室的法蘭盤； 2)模擬真空系統: 通過機械泵將真空室內部抽至IOPa以下的低真空環境，然后用分子泵將真空室內部抽至KT2Pa以上的高真空環境； 3)實驗參數設定: 設定試驗樣品通、斷電時間，均為2分鐘； 4)電壓的調整: 調整試驗樣品通電電壓，使第 一熱電偶所在位置溫度在2分鐘內到達700°C，然后開始記錄實驗周次；測量結果顯示在無紙記錄儀上；如果實驗過程中試驗樣品第一熱電偶所在位置溫度低于700°C，則需要調整通電電壓，以維持樣品溫度； 5)過程記錄和結果分析: 試驗樣品須經歷2萬個周次的循環，實驗過程中周次可以累積；實驗過程中記錄樣品通電時的電壓、電流和三個熱電偶所在位置的溫度；實驗結束后停止對樣品通電，關閉真空系統，取出樣品再次測量其阻值；根據考核指標判斷其性能和使用壽命是否滿足研制技術要求，需要時對試驗樣品進行材料結構、成分分析；試驗過程中第二熱電偶所在位置的溫度不高于350°C，第三熱電偶所在位置的溫度不高于180°C。
8.根據權利要求7所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其特征在于:所述測量控制系統一個控制回路的工作過程為:(I)當真空室壓力達到規定值后，啟動設備電源，根據所要求的樣品通電、斷電時間設定循環計時器周期參數；(2)接通對負載加熱的直流電源，根據對樣品的溫度要求設定直流電源的輸出電壓，給樣品加0 65伏電壓，最大電流為3安培；(3)樣品的溫度由安置在樣品上的熱電偶輸出信號，溫度控制器在要求的范圍內通過調節負載電流進行溫度控制和測量；(4)根據設定的每一循環周期內樣品通電加熱和斷電降溫的要求，循環計時器內部的控制觸點分別通、斷其與固態繼電器的連接，同時向計數器輸出信號令其計數；(5)當負載意外開路時，電流檢測器中的控制觸點J2將封鎖計數器，使其停止計數；(6)無紙記錄儀記錄負載的溫度值、電壓值、電流值以及計算得到的電阻值。
9.根據權利要求7所述內置式多孔加熱器快速壽命實驗的方法，其特征在于:第一熱電偶、第二熱熱電偶和第三熱電偶為K型熱電偶，由鎳硅合金絲、鎳鉻合金絲通過儲能式脈沖點焊技術熔焊而成，外套剛玉絕緣套管。
全文摘要
本發明涉及電熱材料或加熱元件快速壽命測試的實驗技術，具體為一種內置式多孔加熱器快速壽命實驗的設備與方法。該設備由真空系統、測量控制系統及樣品安裝架組成。實驗樣品裝入樣品安裝架的真空隔熱套筒后，將樣品安裝架裝入真空室，試驗樣品的引出線及熱偶線通過氣密封電連接器接入測量控制系統；實驗方法為在真空條件下，將試驗樣品通電，調整通電電壓使試驗樣品在2分鐘內中心溫度達到700℃，隨后對樣品進行通電2分鐘、斷電2分鐘為一個周次的考核測驗，在2萬周次的實驗中考查試驗樣品電阻和中心溫度的變化，以確定樣品的使用壽命。內置式泡沫加熱器應用于航天飛行器電熱推力器上，本發明可以用于該類加熱器的研制和壽命評估。
文檔編號G01R31/00GK103116086SQ20111036452
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者段德莉, 趙宇航, 易凡, 王鵬, 侯思焓, 李曙 申請人:中國科學院金屬研究所