[发明专利]真空低温凝华结霜的测试系统和测试方法

说明书

本发明提出了一种可用于提供真空低温环境下水蒸气凝华结霜测试系统，包括真空系统、低温系统、水蒸气发生装置、图像采集系统和温度测量采集系统，可用于在高真空度(10^‑1Pa～10^‑6Pa)下的凝华成霜现象测试，是测量分析获得霜层密度、导热系数等物性参数受真空度、水蒸气温度、冷壁面温度、壁面粗糙度的影响的有效手段，为探寻真空低温下凝华成霜过程中传热传质机理的研究可提供实验数据基础。

技术领域

本发明属于航天器地面试验验证技术领域，具体涉及用于监视真空低温环境条件下水蒸气凝华现象的测试系统和测试方法，通过本实验系统对高真空、低温条件下的结霜进行测试，能够完成真空低温条件下霜层微观形貌的观测和导热系数的测量。

背景技术

目前，载人航天器尚未全部实现闭环水循环，在轨运行时会向空间排放一定量的水，而且航天服水升华器也会释放一定量的水蒸气。这些围绕在航天器周围的稀薄水蒸气有可能在航天器低温表面凝华成霜，影响航天器性能，如在散热面凝华会影响航天器热控性能，在光学相机表面凝华会影响光学性能，在机构关节凝华则会影响机构运动。航天器环境模拟设备内部不可避免地存在一定量的水蒸气，因此航天器地面模拟试验时水蒸气遇到低温表面也会产生凝华结霜现象；如果霜层形成在试验件的关键表面，将会影响试验件的原有性能，导致试验结果不准确，甚至是整个试验的失效。

由于霜层生长是具有移动边界的、伴随着气固相变的热质迁移过程，其中存在着很多不确定因素，众多学者对结霜现象也都有着自己特定的认识，特别是对霜层结构的认识方面，众多学者提出的模型有很大的差别。因此，实验研究在现阶段仍然是很多人观察分析结霜过程的一个重要手段。因此有必要对真空环境下水蒸气凝华结霜现象进行实验研究，厘清霜层的形态形貌和基本物理性质。对霜层形貌和基本物理性质的研究对探寻高真空低温下凝华成霜过程中的冰晶形态演化、霜层生长机制、传热传质机理等具有重要的科学意义。

目前对霜层物性研究主要还是以实验为主，通过大量的实验整理出经验关联式。对于水蒸气凝华的研究，现有的测试方法和测试设备主要集中在常压、近室温条件下，少量研究针对中真空环境，而高真空度(10^-1Pa～10^-6Pa)下的凝华成霜现象研究很少。常压下凝华成霜的机理和物性参数与高真空低温条件下的凝华成霜差异很大。因此，建设真空低温环境凝华成霜过程的测试方法和测试系统，是测量分析获得霜层密度、导热系数等物性参数受真空度、水蒸气温度、冷壁面温度、壁面粗糙度的影响的最有效手段。

专利《空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法》(ZLCN201010252281.1)是在一种空浴式汽化器结霜特性测试系统，包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，液氮由低温液体储罐自增压经真空绝热管道输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试段进行汽化，流出测试段的测试介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气体质量流量计测量及流量。该方法用于汽化结霜的特性观测，没有凝华结霜的导热系数的测试手段。

为获取霜层生长过程、霜层形貌以及霜层导热系数等试验结果和测试结果，本发明的真空低温环境下凝华结霜测试方法和测试系统具有十分重要的现实意义，为探寻真空低温下凝华成霜过程中传热传质机理的研究提供了实验数据基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一个真空低温环境下水蒸气凝华结霜的测试方法和测试系统，该测试系统可以控制结霜冷表面温度和结霜室内的真空度，满足不同结霜条件下霜层形貌的观测和导热系数测量的需求。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：