火星探測小型電容薄膜真空計的性能研究

孫雯君，馮 焱，馬 奔，成永軍，趙 瀾

(蘭州空間技術物理研究所國防科技工業真空一級計量站，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

開展深空探測活動，是航天技術發展的必然選擇，也是人類進一步了解宇宙、認識太陽系、探索地球與生命的起源和演化、獲取更多科學認識的必須手段［1］。對我國來說，月球探測是深空探測的第一步，而火星探測是行星際探測的開端，有著承上啟下的重要作用。

為確保火星在軌探測器的安全運行，必須對火星空間大氣阻力進行充分的研究，從而更準確地做出軌道衰減率和探測器壽命預測，其關鍵就在于對火星空間環境真空度的準確測量，一般采用探測器攜帶真空計的方式進行直接測量。在火星探測活動中，探測器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項科研探測任務，必須考慮探測器及其搭載的載荷儀器的小型化［2］。但是，目前使用的真空計存在體積大、重量重等問題，無法滿足火星探測活動中的真空測量需求。

電容薄膜真空計的小型化會使儀器本身的線性、重復性和穩定性等受到影響，保證測量準確度與深空探測要求的載荷小型化之間存在矛盾。為了解決這個問題，在理論計算、模擬仿真等研究的基礎上，研制出了小型電容薄膜真空計。它具有外形尺寸小、重量輕、工作溫度范圍寬等特點，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測量范圍，能夠滿足火星探測對載荷的基本要求。

為了保證小型電容薄膜真空計測量結果的可靠性，對小型電容薄膜真空計的線性、穩定性、重復性等計量性能進行了實驗研究，給出了實驗結果。

1 小型電容薄膜真空計

小型電容薄膜真空計規管由進氣管及其入口擋片、檢測膜片基底、檢測膜片、固定極板、參考氣室機架、引出電極、抽氣口等部分組成［3］，如圖1所示。

圖1 小型電容薄膜真空計結構示意圖

小型電容薄膜真空計的工作原理是:氣體通過進氣管引入到測量室中，由于氣體壓力作用使檢測膜片發生形變，改變了檢測膜片與固定極板上感應電極之間的距離，引起二者之間電容量的改變。利用電學方法測出電容量，通過校準得到電容量與氣體壓力之間的關系，獲得氣體壓力大小。

經過初步測試，小型電容薄膜真空規外形尺寸為Φ60 mm×100 mm，重量為150 g，工作溫度范圍為－20～ +50 ℃，測量范圍為 1.0×10－2～1.3×102Pa，可以滿足火星低軌道大氣壓力的探測要求。

2 實驗裝置

采用金屬膨脹式真空標準裝置［4］作為實驗裝置，裝置由壓力產生系統、氣體壓力衰減系統和抽氣系統三部分組成，如圖2所示。該裝置可通過石英規直接比對法、一級靜態膨脹法、二級靜態膨脹法和三級靜態膨脹法，產生10－4～105Pa的氣體壓力，裝置的不確定度為0.01% ～1%，能夠滿足實驗要求。

實驗前，將小型電容薄膜真空計規管通過轉接接頭連接到金屬膨脹式真空標準裝置校準室VR上。打開抽氣系統，對校準室、一級膨脹室、二級膨脹室、石英規參考端以及管道等抽真空。觀察連接在校準室VR上的電離真空計的示值讀數，當電離真空計的示值小于1×10－4Pa時，關閉抽氣閥門。

圖2 金屬膨脹式真空標準裝置原理示意圖

實驗過程中，可以根據不同的實驗要求和目的，將104Pa量級的前級氣體壓力，通過不同的衰減路徑引入到校準室內，形成標準壓力，對小型電容薄膜真空計的性能進行研究。

3 實驗方法與結果

3.1 小型電容薄膜真空計的線性

在1.0×10－2～1.3 ×102Pa的校準壓力范圍內，將104Pa量級的前級氣體通過如表1所示的膨脹路徑引入到校準室內，利用計算公式獲得不同路徑的標準壓力理論計算值，同時記錄小型電容薄膜真空計顯示的壓力讀數，實驗數據如表1所示。通過比較標準壓力值和小型電容薄膜真空計壓力示值，獲得小型電容薄膜真空計的校準曲線，利用校準曲線來表示其線性，如圖3所示。

圖3 小型電容薄膜真空計校準曲線

表1 小型電容薄膜真空計線性實驗數據

從圖3可以看出，小型電容薄膜真空計具有良好的線性，滿足火星探測的要求。

3.2 小型電容薄膜真空計的穩定性

小型電容薄膜真空計的穩定性用測量值的相對實驗標準偏差來表征。對小型電容薄膜真空計每隔一段時間在1.0×10－2～1.3×102Pa壓力范圍內校準一次，取12個觀測值的算術平均值作為一次觀測結果，共觀測6次，計算該6個值的相對實驗標準偏差，實驗數據如表2所示。

表2 小型電容薄膜真空計穩定性實驗數據

3.3 小型電容薄膜真空計的重復性

小型電容薄膜真空計的重復性用測量值的相對實驗標準偏差來表征。選取某一個壓力測量點，在較短的時間內重復觀測6次，計算6次測量值算術平均值的相對實驗標準偏差，實驗數據如表3所示。

表3 小型電容薄膜真空計重復性實驗數據

4 結論

為了確保小型電容薄膜真空計測量結果的可靠性及其在火星探測中的應用，對小型電容薄膜真空計的線性、穩定性、重復性等各項性能進行了反復的大量的實驗研究。實驗結果表明，研制的小型電容薄膜真空計具有較好的線性、重復性和穩定性，能夠滿足火星探測的要求。

［1］葉培建，彭兢.深空探測與我國深空探測展望［J］.中國工程科學，2006，8(10):13－18.

［2］陳昌亞.火星探測技術的發展［J］.科學，2009，61(5):16－19.

［3］孫雯君，馮焱，馬奔，等.小型電容薄膜真空規的設計［J］.真空與低溫，2012，18(4):232－234.

［4］呂時良，李得天，張滌新，等.金屬膨脹式真空計量標準［J］.真空科學與技術，1998，18(4):266－271.