空間環境模擬器

空間環境模擬器是模擬宇宙空間環境的設備。用於試驗航天器耐真空、冷黑、太陽輻射、磁場和承受高能粒子輻射、太陽風和微流星體等的能力。空間環境模擬器技術複雜，研製費用頗巨，但為了提高航天器的可靠性，自60年代以來各國已建造了數千台不同類型的空間環境模擬器。由於技術上的原因，一台空間環境模擬器只能模擬一種或數種環境。現代最大的空間環境模擬器直徑達20米、高37米，可把整個“阿波羅”號飛船放進去試驗。美國、日本、蘇聯都建有類似的大型空間環境模擬器。中國於1964年建成第一批空間環境模擬器，1976年建成大型的KM-4空間環境模擬器，可供通信衞星、廣播衞星、氣象衞星等各種應用衞星進行空間環境模擬試驗。主模擬室直徑7米、高12米、總容積400立方米，極限真空度優於5.3×10^-3毫帕（4×10^-8毫米汞柱），熱沉温度低於95K，吸收係數大於0.92，配有輻照直徑4米、由19 個卡塞格林系統組合的太陽模擬器。 ^[2] 

真空容器為模擬器主體；真空容器用於獲得空間的真空環境。熱沉用於模擬空間的冷黑環境。液氮系統用於熱沉冷卻。氦系統提供內裝式深冷泵10K的冷源。太陽模擬器模擬空間太陽輻照環境。紅外模擬器模擬太陽、地球及空間外熱流環境。運動模擬器模擬航天器在太空中相對於太陽的姿態。載人航天試驗系統提供航天員安全、救生等試驗條件。此外，還有進出空間環境模擬器用的氣閘艙系統，緊急復壓系統，以及數據採集、控制與試驗管理系統等。 ^[1] 

尺寸 應有合適的空間環境模擬器與航天器的特徵尺寸（比如長度和直徑等）比。當採用太陽模擬器時，比值一般不小於3；採用紅外加熱器和表面接觸式電加熱器時，比值一般不小於2。 ^[3] 

壓力 空間環境模擬器內部的壓力：中國規定不高於1.3×10^-3Pa；美軍標MIL-STD-1540B和MIL-STD-1540C規定不高於1.3×10^-2Pa。 ^[3] 

熱沉 熱沉朝向航天器的表面對太陽的吸收比不小於0.95，半球向發射率不小於0.90，熱沉表面温度不高於100K，温度分佈不均勻性不超過±5K。 ^[3] 

支架、吊點和運動模擬器 空間環境模擬器內具有吊掛航天器的支架或吊點，當採用太陽模擬器進行試驗時，運動模擬器必須具有模擬航天器自旋和姿態變化的能力。 ^[3] 

潔淨度和污染量 空間環境模擬器內部潔淨度應不低於100000級，空間環境模擬器連續空載運行24小時後的有機污染量一般不能超過1×10^-7g/cm²，試驗過程中來自空間環境模擬器系統和航天器自身的累計污染量一般不大於1×10^-7g/cm²。 ^[3] 

電纜通道 具有滿足試驗要求的測量和供電電纜通道。

空間外熱流控制系統 具有足夠數量的直流程控電源及空間外熱流控制系統。

測量儀器 系統有監測航天器各部位和熱沉表面温度、空間環境模擬器內壓力、衞星表面的污染量和熱流或功率的數據採集系統或儀器。 ^[3] 

地線 空間環境模擬器內應有接地電阻不大於1Ω的地線。

攝像 應配有電視攝像設備。

熱氣氦系統 有使熱沉升温的熱氣氦系統。

復壓系統 有使空間環境模擬器恢復常壓的復壓系統，該系統應能提供潔淨、乾燥的空氣。 ^[3] 

主要的空間環境模擬器有熱真空環境模擬器、空間動力學模擬器、空間組合環境模擬器等。

熱真空環境模擬器 　用以模擬真空、冷黑和太陽輻射 3項宇宙空間基本參數，用於進行航天器的熱真空試驗和熱平衡試驗。用於載人航天器時還應附加空氣鎖和應急復壓系統等裝置，以供航天員和試驗人員出入、監視和急救之用。 ^[2] 

空間動力學模擬器 　一種大型低真空模擬系統，模擬器中配備有精密轉枱、激振系統和測試、觀察、記錄裝置等輔助設施，用於對整個航天器和大型結構進行旋轉、展開、動力學特性測定以及火箭整流罩分離等試驗。 ^[2] 

空間組合環境模擬器 　一般為多種環境組合的中、小型試驗設備。模擬的環境包括太陽輻射、紫外線、電子、質子、太陽風、極高真空、冷熱交變、等離子體等，用於對航天器零、部件和材料的研究與檢驗試驗。中國研製的高精度小太陽無油超高真空空間模擬器即屬於這一類型。 ^[2] 

（1）真空機組污染，特別是對極高真空模擬器，更明顯的會影響極限真空度，延長抽氣時間。

（2）污染將影響太陽模擬器的性能，如光學系統鏡面的污染會降低反射率而影響太陽模擬器的性能。

（3）熱沉表面的污染會降低熱沉的吸收係數。 ^[4] 

包括氣體質譜法、石英晶體微量天平秤、真空紫外線發射法、紅外光譜分析法、氣體色譜分析法、氣體色譜質譜分析法等。 ^[4] 

（1）防止空間環境試驗設備對航天器的污染。減少真空系統中機械泵油返油；在試驗前對模擬器和熱沉進行烘烤處理；試驗現場應有防塵、清潔措施；試驗人員符合衞生要求；被試材料的揮發可疑量和質量損失要符合標準；所有材料進行預處理；防止復壓過程中的污染；模擬器內保持低真空；定期清潔模擬器；採用無油或少油抽氣系統；開展空間環境污染控制的理論和試驗研究。 ^[4] 

（2）減少航天器自身污染。航天器設計上考慮防污染；建立嚴格的清潔制度；嚴格選用各種航天器材料；隨時監視航天器關鍵部位引起污染的程度；建立預示污染的數學模型。 ^[4] 

以中國衞星環境工程研究所、德國工業設備管理公司（IABG）、美國PDM公司、日本筑波宇宙中心的卧式設備為例，介紹如下：

KM3空間模擬器於1970年建成。主要為中、小型衞星做熱真空、熱平衡試驗，為中國第一顆返回式衞星、實踐2號衞星、天文衞星，做過熱平衡與熱真空試驗。空間模擬器其真空容器直徑為3.6米、長7.3米。試驗空間直徑2.9米、長5.2米。試件入口直徑2.9米。採用特殊設計的小車，將試件沿導軌裝入容器。 ^[5] 

空間模擬器的空載極限真空度為9.3×10^-7Pa，熱沉壁温度低於95K。

全套設備由真空容器、熱沉、真空抽氣系統、液氮系統、氣氮系統及數據採集與處理系統等組成。

該設備直徑6.8米、長15米、試驗空間1000米²。真空度10^-3Pa，太陽模擬器輻照面積直徑3.5米、熱沉温度100K～400K可調、運動模擬器自轉軸轉速為10r/min、姿態軸旋轉角±200°、試件最大直徑4米、高5米，載荷2000～2500千克。 ^[5] 

1986年PDM公司製造了這台空間環境模擬器，空間模擬器直徑12.2米、長24.4米。真空容器的兩端設計成可打開的大門，稱德爾塔容器。採用無油抽氣系統，該系統由深冷泵、分子泵等組成。真空容器內空載極限真空度為1.3×10^-6Pa、熱沉温度90K、帶有光學平台。 ^[5] 

筑波宇宙中心的空間模擬器直徑14米、長16米。空載極限真空度1.3×10^-5Pa、採用無油抽氣系統；熱沉温度100K或-100～+60°C可調；太陽模擬器輻照面積直徑6米、均勻性±5%、光源用19支30千瓦的短弧氙燈組成；運動模擬器自旋軸轉速0～10r/min（可調）、姿態翻轉角±90°、載荷5000千克。 ^[5] 

以中國、歐洲空間技術研究中心（ESTEC）、日本、印度及美國的典型設備為例介紹。

KM4型設備是中國在21世紀初期最大的空間環境模擬器，用於大型衞星整星的熱真空與熱平衡試驗，曾為中國已發射的通信衞星、氣象衞星、返回式衞星做過熱平衡試驗與熱真空試驗。該模擬器空間模擬室直徑7米、高12米，加太陽模擬器總高度15米。 ^[5] 

是目前歐洲最大的空間環境模擬器，設在歐洲空間技術研究中心。直徑10米、高15米。頂部有可移動大門，容器內開有直徑5米的側門，供試件進出用，在側門上開有直徑1.8米小門，供人進出。 ^[5] 

該設備建於1975年。空間模擬室直徑8.5米、高25米，試驗空間1350米³、真空容器壁厚20mm，熱沉直徑8米、温度100～300K可調，吸收率0.95，太陽模擬器輻照直徑4米，運動模擬器可繞兩個軸旋轉，自旋軸轉速0～90r/min，姿態軸翻轉角0～120°。 ^[5] 

1989年建造。空間模擬器直徑9米、高13米，空載極限真空度5×10-6Pa。熱沉温度+150°C～-180°C可調，太陽模擬器輻照面積直徑4.5米。配有運動模擬系統。 ^[5] 

它是美國最大的空間環境模擬器。分為A室和B室。直徑19.8米、高36.6米，最大試件質量68100千克，真空抽氣採用油擴散泵系統和20K深冷泵系統，空載極限真空度1.3×10^-6Pa，熱沉温度90K，吸收率0.95，最大熱負荷330千瓦。曾提供阿波羅飛船與航天飛機做熱真空與熱平衡試驗。 ^[5] 

（1）世界各國空間中心都在建立自己的特大型空間環境模擬器。

（2）空間模擬室採用多種形式。

（3）潔淨化程度更高。

（4）真空系統無油化。

（5）選用新型材料作為熱沉材料。

（6）熱沉温度要求更高。

（7）配備更先進的技術設備，如消振光學平台等。 ^[5]