模拟热真空实验测量设备解决方案

引言

太空技术是指人类在探索、开发和利用外太空环境时所使用的一系列技术手段，包括航天器的设计与制造、火箭技术、卫星技术、深空探测技术等。近年来，商业航天产业的崛起将太空技术从过去**于政府和军事的领域，拓展到了民用和商业领域。

这一变化不仅极大推动了太空技术的进步，还激发了全球商业航天的蓬勃发展。而在航天器、卫星等设计制造过程中，为了充分适应太空中温差大、冷暗黑的真空状态，为保障空间站、航天器、卫星等设备在轨运行平稳，需要发射之前在地面就进行模拟太空环境的测试。这些测试都和地面上的大型空间环境模拟器有关。

图1.1航天器在模拟仓内试验

空间环境模拟测试 空间环境模拟主要模拟航天器耐真空、冷黑、太阳辐射等环境条件，保障航天器在这些条件下正常运行。测试航天器在冷热交变非常剧烈的情况下工作状态是否正常。该环境模拟装置主要分为以下几个方面：

1、环境模拟

• 真空环境：使用真空室模拟太空中的低压环境。

• 温度控制：通过温控系统模拟太空中的极端温度变化，航天器在轨飞行过程中，由于没有大气层保护，舱体表面处于阳照阴影交变状态。在阳光直射下，空间站表面温度可达150摄氏度以上，在背阳面则有可能低于零下100摄氏度。

2、电源模拟

• 电源系统：使用电源模拟器提供与太空环境相似的电源条件，确保飞行器在不同工作状态下的电源需求得到满足。

• 电源管理：监控和管理电源分配，确保各个系统在模拟测试中正常运行。

3、数据采集

• 温度传感器：在飞行器的关键部位安装温度传感器，实时监测各个点的温度变化。

• 数据采集系统：使用数据采集设备收集温度数据，并进行分析，以评估飞行器在模拟环境下的表现。

图2.1空间环境模拟装置

测试挑战

1、能够同时控制不同区域的温度，以便于模拟产品在不同温度下条件下的工作环境；

2、能够对不同区域的待测点同时进行温度检测与数据记录，以评估产品性能表现；

3、长时间程控状态下需要稳定运行；

4、宽范围电源需要纹波噪声小，程控稳定。在该场景中，供电设备使用开关电源来实现，选择合适的电压与电流范围即可。但测量设备的选择存在一定争议性。

直接用万用表配合温度传感器进行测量无疑是最简单的，万用表本身兼具电压、电流、电阻等常规物理量的测量，同时具备通过温度传感器测试温度功能，在这个应用中，既可以监测电源的准确输出，也可以进行不同点的温度测量，同时对一些特殊要求的点位进行电阻测量等都符合条件。

但是考虑到在实际测量场景中待测点太多，大量的电源堆叠不仅造成了成本上的增多、而且占用空间，几十上百台联网麻烦。如果想要进行数据汇总，大量的万用表一台台读取数据也会使通讯时间变长，给数据汇总带来困难。因此万用表直接测量应变方法的缺点如下：

• 多点位测量时仪器成本高。

• 测试数据汇总困难，效率低。

解决方案

为了解决上述问题，RIGOL推出了以矩阵开关系统M300为核心、搭配开关电源的空间冷暗环境模拟测量设备解决方案。该方案支持单机数据测量可达128个差分通道，可满足此实验中所需的电压、电阻、温度等测量项目，同时电源支持多台扩展接入系统，对多个点进行输出供电。

图4.1空间环境模拟测量系统框图

该系统的主要构成如下： 数据采集由M300来完成，包括M300+测量模块、DMM3065模块、接线盒。

• M300+测量模块：M300是RIGOL推出的数据采集和矩阵开关系统，该设备单机可以配置5块64通道单端或者32通道差分的通道切换卡，此方案中为了提高精度，采用差分通道测量，单机最多扩展160通道。

• DMM3065模块：提供六位半万用表的测量功能。

• 接线盒：用于将DUT的测试线连接至M300开关模块，同时支持随时替换接线盒。电源系统由DP3000开关电源完成。

该测试系统需要使用可编程线性直流电源向待测系统各点同步输入电压，使待测物温度发生变化，以模拟待测物的实际工作环境温度，要求电源多台机器可同时控制、可编程的特性。

同时，测试系统还需要使用数据采集系统，以采集待测系统各点温度数据，要求数据采集系统具备多通道的数据采集能力，实现自动化数据采集。

图4.212台M300进行1536路温度、电压采集

该方案有如下优点：

1、自动测试：单台机器无需复杂的编程就可在机器轻松配置通道测试项目，方便快捷；多台测试可通过标配的PC软件来进行连接配置，方便易上手。

2、测试范围：可轻松扩展测试通道数量，通过搭配不同的模块，进行单端信号、差分信号测量，电压、电流、电阻、温度等参数配置。

3、测试精确度：六位半的万用表保障了测试的准确度。

4、M300支持USBHost/Device、GPIB、LAN(LXI-C)、RS232多种通信接口，方便数据导出。

5、配套控制分析软件，可以控制多达5个主机，以完成复杂系统的配置。每次扫描带有以太网以及USB接口的电脑后记录和绘制数据。用户还可以为高级系统监控设置限制，警报和触发器。软件提供丰富的数据显示方式、一键报告生成功能和数据导出功能。电源DP3000和数采M300都经过了大量客户的长时间使用，有着可靠的稳定性保证。

图4.3M300后面板展示图（包含多种通信接口）

图4.4M300上位机效果图

总结 M300加DP3000的空间环境模拟测试方案可以应用在目前主流的商业卫星地面检测过程，对卫星进入太空的工作状态提供了充分的验证保障。模块化结构的M300可将精密的测量功能与灵活的信号连接功能相结合，无论是研发阶段的产品性能测试，还是生产过程中的自动化测试，针对多测试点、多种信号测量等应用，可提供丰富的测试测量解决方案。

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