技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005]
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。
[0006] 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
[0007] 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。
[0008] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
[0009] 真空低温凝华结霜测试系统，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，其中，真空系统由真空容器、真空获得系统和真空测量系统，-4真空容器内的极限真空度抽至5×10 Pa或更高；低温系统包括液氮供给系统、储液冷盒、加热装置一和PID
控制器，来自液氮供给系统的液氮在储液冷盒内充分换热以降低储液冷盒的温度，储液冷盒的四周粘贴加热装置，通过PID控制器调节来液氮供给系统的流量和加热装置的功率，将储液冷盒的表面
温度控制在-180～0℃的范围内；水蒸气发生装置由微型密封容器和加热装置二构成，冰
块放置在微型密封容器内，并利用容器外壁的加热装置二进行加热，由其提供所需的升华
潜热，保证水蒸气能够源源不断地产生；图像采集系统包括体视
显微镜、CCD相机、图像采集装置及控制装置，体视显微镜对结霜过程进行放大观测并采用冷
光源照明，结霜过程由CCD相机、图像采集装置及控制装置进行拍摄、
数据采集及记录，从平行于冷板表面的方向拍摄记录霜层厚度的变化，从垂直于冷板表面的方向拍摄观测结霜初期霜层的形貌特征；温度测量采集系统由温度
传感器、
电连接器、PLC和模拟量采集模块构成，在结霜表面以及需要测温的部位上固定温度传感器，温度传感器经相应
电缆，由模拟量采集模块对温度数据进行采集，通过电连接器与PLC连接并由PLC对采集的模拟量进行换算，具有30点以上的温度测量能力。
[0010] 进一步地，储液冷盒的材料为紫
铜，上表面为结霜表面做
抛光处理，其他非结霜面都做绝
热处理。
[0011] 进一步地，其他非结霜面都包裹10mm以上厚度的聚四氟
隔热板。
[0012] 进一步地，储液冷盒的表面均布粘贴温度传感器以实现冷盒表面的温度测量功能。
[0013] 其中，储液冷盒的温度
波动度控制在±0.2℃。
[0014] 其中，真空获得系统由干
泵和分子泵组成，真空测量系统由真空度测量压阻规管和压力显示系统构成。
[0015] 其中，水蒸气的流量由设置在输气管道上的手
阀控制。
[0016] 其中，显微镜的放大倍数由放置于
视野内的刻度尺进行标定。
[0017] 其中，真空容器由具有不锈
钢底座的微型密封容器和
石英玻璃钟罩组成，二者之间通过压紧
法兰连接形成密闭腔体。
[0018] 其中，真空容器的最小有效尺寸为 石英玻璃有良好的光透性，并且可以承受1×105Pa的压力，还可便于在真空罐外使用显微摄像进行细节观察和测量；
[0019] 本发明的测试方法和测试系统旨在研究真空低温条件下的结霜现象，能够在冷表面温度-180～0℃、真空度在1000Pa到
大气压的结霜条件下，观测霜层的形貌和厚度，测量霜层的导热系数。
附图说明
[0020] 图1为本发明的真空低温凝华结霜试验系统结构示意图：
[0021] 其中：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。
具体实施方式
[0022] 以下参照附图对本发明的测试方法和测试系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
[0023] 图1为真空低温凝华结霜实验系统的结构示意图，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系统。由真空系统、低温系统和水蒸气发生装置创造结霜环境，分别控制结霜真空度、冷表面温度和水蒸气流量。其中，真空系统包括真空容器和真空获得系统以及真空测量系统，真空容器由
不锈钢底座和石英玻璃钟罩组成，二者之间通过压紧法兰连接形成密闭腔体；真空容器由真空获得系统通过干泵和分子泵将真空容器的真空度抽至1×10-4Pa，实验全过程中均由真空测量系统来监视和维持真空度。真空获得系统由干泵和分子泵组成，获取结霜所需要的真空度；真空测量系统由真空规和真空计组成，为莱宝公司的复合型真空计，测量和监视结霜真空度。冷板的表面温度由低温系统和加热系统耦合控制。其中，低温系统采用开放式设计，包括液氮杜瓦、低温管路以及阀
门、储液冷盒、加热片和PID控制器组成。液氮从杜瓦瓶流出，进入冷盒换热，降低冷表面温度，流经低温阀门，排入大气；加热片粘贴在冷盒表面，并用PID控制加热功率。储液冷盒分别利用液氮降温和加热片升温，从而控制冷盒表面的温度即结霜冷表面的温度。其中，水蒸气发生装置由微型密封容器和加热装置二构成，冰块放置在微型密封容器内，并利用容器外壁的加热装置二进行加热，由其提供所需的升华潜热，通过管道上的阀门控制水蒸气的流量，保证水蒸气能够源源不断地产生。
[0024] 其中，低温系统开始工作时，液氮供给系统将液氮经由液氮管路进入真空容器中的储液冷盒后再排放至大气或者回收，通过PID控制器来调节液氮管路的流量和储液冷盒的表面温度控制来获得某一特定温度的低温表面。在水蒸气发生装置开始工作后，利用输气管道上的微小流量手阀来控制进入真空容器的水蒸气的流量，保证水蒸气能够进入真空容器并立刻被储液冷盒的表面所捕捉，并凝华成霜层慢慢积累、源源不断地生长。霜层的生长过程、霜层的形貌特征、霜层厚度的变化则全程由图像采集系统进行显微放大观测和记录，并通过显微摄像系统的内置测量功能进行霜层厚度的实时测量和记录。结霜表面不同
位置处、储液冷盒、水蒸气发射装置的温度以及其他需要测温的部位上固定的温度传感器也在同步实时测量和记录，经由后期的
数据处理则可以获得不同霜层成长时期的霜层温度、厚度和导热系数的信息。
[0025] 由图像采集系统和温度测量系统对结霜过程进行测试。其中，图像采集系统位于真空容器外，包括体视显微镜、CCD相机、图像采集装置及控制装置，体视显微镜透过石英玻璃钟罩对结霜过程进行放大观测，并采用冷光源照明，结霜过程由CCD相机、图像采集装置及控制装置进行拍摄、数据采集及记录，从平行于冷板表面的方向拍摄记录霜层厚度的变化，从垂直于冷板表面的方向拍摄观测结霜初期霜层的形貌特征。其中，温度测量系数由
热电偶和数采组成，分别测量储液冷盒和霜层的温度分布，依据傅里叶导热定律，计算霜层的导热系数。
[0026] 根据以上实验系统，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。具体的实验步骤如下：
[0027] (1)将冷板表面用酒精、
脱脂纱布擦拭干净。
[0028] (2)将显微镜镜头从侧面对准冷板边缘，调焦。
[0029] (3)检查热电偶安装位置有无变化。
[0030] (4)盖上玻璃钟罩，检查各个手阀的
开关状态。
[0031] (5)启动
真空泵机组，调整抽气管道手阀，将真空室压力稳定在工况压力。
[0032] (6)打开水蒸气输入阀门，控制水蒸气流量。
[0033] (7)测量环境温、湿度并记录。
[0034] (8)开启低温系统。
[0035] (9)开启冷表面温度控制系统。
[0036] (10)通
过热电偶测温观察铜板表面的温度变化，当铜板表面温度稳定时，记录温度数据。
[0037] (11)启动图像采集程序开始记录。
[0038] (12)开始实验。
[0039] (13)霜层中各个位置的热电偶温度稳定时，实验结束，停止
可视化图像采集。
[0040] (14)关闭真空泵，开启复压阀。
[0041] (15)关闭低温系统，打开加热系统，使霜层融化。
[0042] (16)关闭加热电源。
[0043]
申请人已经针对本发明的测试方法和测试系统开展了测试应用，通过本发明可有效实现测试功能。
[0044] 尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和
修改，其所产生的功能作用仍未超出
说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
