用于結構與機構去污染的真空烘烤設備

李 威，孫 凱

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201108； 3.上海曙光機械制造廠有限公司，上海 200127）

0 引言

污染對航天器的影響不可忽略。美國在20世紀70—80年代就有24 顆衛星因污染影響而性能下降或失效。可見，污染已經成為影響航天器壽命和可靠性的重要因素之一，必須采取相應的控制和防護措施[1-2]。

材料的真空放氣產物是航天器污染的主要來源之一。對于某些放氣率比較高、而在航天器上又不得不使用的材料，須在使用前通過真空烘烤提前將材料中的揮發性物質釋放出來，以減輕航天器入軌后因材料的放氣率而引起的污染[3]。

真空烘烤是當前航天器研制中普遍采用的技 術措施。美國NASA 戈達德空間飛行中心（GSFC）建立了一批專用的烘烤設備，并制定烘烤技術流程，對哈勃望遠鏡等諸多光學系統和污染敏感部件成功進行了污染控制。歐空局的ESTEC 也有相應的真空烘烤設備[4]。

本文針對某些衛星的結構與機構產品的污染控制，專門研制了真空烘烤設備，并對該設備的主要性能指標、系統組成及使用功能做了詳細的介紹。

1 真空烘烤設備的主要設計指標及系統構成

1.1 主要設計指標

試驗有效空間為直徑630 mm、長1000 mm 的圓柱形區域。

空載極限真空度：當熱沉溫度≤100 K 時，≤1.0×10-4Pa。

烘烤試驗真空度：當烘烤溫度為+80 ℃，且熱沉 溫度≤100 K 時，≤5.0×10-4Pa。

1.2 設備組成

用于結構與機構污染物清除的真空烘烤設備由真空容器、熱沉系統、真空抽氣系統、氮系統、去污染系統及電氣控制系統等組成，見圖1。

2 真空烘烤設備的各系統及功能

2.1 真空容器和熱沉

2.1.1 真空容器

真空容器為臥式圓柱體，兩端為橢圓封頭，前開門機構為鉸鏈結構。根據試驗有效空間要求，真空容器尺寸為：外徑1300 mm，長1500 mm（不含兩封頭），壁厚8 mm。真空容器本體的材料為0Cr18Ni9 不銹鋼，底腳為Q235-A 號碳素鋼。焊接采用內環縫氬弧焊，焊后真空容器內壁要求拋光，表面粗糙度達▽0.8。使用氦質譜檢漏儀檢漏，要求總漏率≤5×10-9Pa·m3/s。真空容器大門封頭上和右側分別設有一個φ150 mm 的觀察窗，內部設置照明燈。

2.1.2 熱沉系統

熱沉系統由3 部分組成，即主熱沉、大門熱沉和底部熱沉（兼具防污染板功能）。這3 部分熱沉構成一個φ950 mm×1500 mm 的有效空間。

1）主熱沉

主熱沉結構為肋骨式，為了使液氮充滿整個熱沉，其管路安排采用“下進上出”的方式，進液（氣）匯總管位于下部，出液（氣）匯總管位于上部，如圖2所示。

熱沉長期在液氮溫度下工作，其材料性能可靠至關重要。在低溫下許多金屬和合金韌性降低，當溫度低至材料本身的韌性與脆性轉變溫度時，材料就會失去韌性而變成脆性。材料變脆可能誘發裂紋 的產生甚至導致應力脆斷。因此，熱沉總管與支管均選用0Cr18Ni9 不銹鋼，其使用溫度可達-200 ℃以下[5]。翅片選用紫銅材料。

圖2 主熱沉管路結構 Fig.2 The structure of main heat sink

主熱沉外側有一個剛性的框架用于固定主熱沉，框架下部的左右、前后4 個位置對稱裝有安裝腳。主熱沉可沿著真空容器壁上的導軌滑動推入真空容器內，并用螺栓固定在導軌上。熱沉進、出口匯總管與真空容器的連接采用可拆卸的不銹鋼波紋管法蘭，便于安裝維修。

2）大門熱沉

大門熱沉正面為一塊2 mm 厚的紫銅板，在紫銅板背面用一根φ14 mm×1.5 mm 的紫銅管按U 字形來回盤繞形成熱沉管路，與支架組件用U 形卡箍連接，支架組件外面為0.5 mm 厚的不銹鋼鏡面反射屏蔽板。

3）底部熱沉

底部熱沉兼具防污染板的功能，主要用于在設備回溫階段保持低溫以增加抽氣速率，同時吸附試件釋放出的揮發物，防止其凝結在烘烤筒體的內壁上。底部熱沉為翅片盤管式結構，由一根φ14 mm× 1.5 mm 的紫銅管按U 字形來回盤繞而成，銅管上焊有厚度為1.5 mm 的紫銅翅片，結構形式如圖3所示。

圖3 底部熱沉結構 Fig.3 The structure of bottom heat sink

4）熱沉的工藝要求

熱沉管路在焊接前均須進行真空檢漏，焊后整體進行冷熱沖擊試驗及檢漏，整體漏率應≤5× 10-9Pa·m3/s。

熱沉內表面涂無光專用黑漆，并保證漆層表面太陽吸收率≥0.93、發射率≥0.9。

5）熱沉熱負荷估算

熱沉熱負荷主要由3 部分組成，估算如下[6]：工作時的最大熱負荷Q1=4 952.5 W；熱沉與屏蔽板的熱交換Q2=15.2 W；屏蔽板與容器壁的熱交換Q3=114.7 W。

熱沉總負荷Q=Q1+Q2+Q3=5 082.4 W；單位面積熱負荷為863 W/m2；單位時間液氮最大消耗量為108.1 kg/h，24 h 最大消耗量為2 594.4 kg。

2.2 真空抽氣系統

2.2.1 系統組成

真空抽氣系統由粗真空泵、高真空泵和相應的真空閥門、管路等組成（見圖4）。粗真空泵包括1臺抽速為150 L/s 的羅茨泵和2 臺抽速為15 L/s 的旋片泵。高真空泵包括1 臺抽速為10 000 L/s 的低溫泵和1 臺抽速為1600 L/s 的分子泵。

圖4 真空系統組成原理圖 Fig.4 The principle diagram of vacuum pumping system

粗真空泵機組同時兼做分子泵的前級泵。2 臺旋片泵既作為羅茨泵的前級泵，又作為低溫泵的再生抽氣泵使用。采用分子泵的目的有2 個：一是低溫泵的正常工作溫度為15 K，從開機至泵溫達到15 K 需要2.5 h，在這一時間段先用分子泵抽氣，熱沉通液氮后容器內可以達到10-3Pa 的真空度，低溫泵在高真空和低溫狀態下工作，可以很快到達極限真空；二是低溫泵在高真空狀態下工作，其氣體負荷小，可以拉長低溫泵再生周期。

2.2.2 抽氣流程

各機組分段抽氣：1）由大氣壓力至10 Pa 時用粗真空泵機組抽氣；2）10～5×10-3Pa 時用分子泵抽氣；3）5×10-3～1×10-4Pa 時啟動低溫泵。

2.2.3 各泵抽氣能力計算

真空系統主泵抽氣能力計算如下[7]：

1）主泵抽氣口的流導

短管（φ50 cm×15 cm）流導為C1=Cmα=17 142 L/s。其中，Cm=100 835 L/s；辛克勞系數α=0.17。

插板閥流導為C2= 51 000 L/s。

總流導為C=1/(1/C1+1/C2)=12 830 L/s。

2）低溫泵抽速

低溫泵對容器的有效抽速為Se=SpC/(Sp+C)=5620 L/s。

低溫泵的最大抽氣能力為q：真空度P=5× 10-4Pa 時，q=PSe=2.81 Pa·L/s；P=1×10-4Pa 時，q= 0.56 Pa·L/s。

3）常溫空載極限真空度Pi=P0+(q0/Se)，其中泵的極限壓力P0=5×10-8Pa。根據設備實際情況估算，常溫下真空容器放氣率q1=8.36×10-3Pa·L/s；熱沉放氣率q2=1.38× 10-1Pa·L/s；容器總放氣率q1+q2=8.36×10-3+ 1.38 × 10-1= 1.46×10-1(Pa·L/s)。

漏氣率q3=5×10-2Pa·L/s。

總漏放率q0=q1+q2+q3=1.96×10-1Pa·L/s。

則常溫時，Pi=3.5×10-5Pa。

2.3 氮系統

1）液氮系統

此設備采用開式沸騰流程，在室外設置一定容積的自增壓液氮儲槽。液氮通過主管（杜瓦管）輸送到分配管路，由分配管路將液氮輸送到各部分熱 沉和冷板。通過對液氮管路的流量控制，使熱沉溫度保持穩定。液氮在熱沉內汽化后通過位于熱沉頂部的總排氣管道排出室外。3 部分熱沉的排氣主管道在真空容器外部匯集為一根總排氣管道。

2）氣氮系統

試驗結束后，停止向熱沉供給液氮。另外，同時將液氮通入汽化器，通過電加熱器對進入汽化器的液氮進行加熱，使之汽化。氣氮分成2 路：一路為供熱沉快速復溫的熱氮氣，一路為供真空容器復壓的常溫氮氣。

熱沉復溫：將熱氮氣通入熱沉，同時用加熱籠對熱沉進行烘烤，通過貼在熱沉上的鉑電阻溫度傳感器（測量點/控制點）傳回反饋量，將熱沉溫度烘烤到高于25 ℃，實現熱沉的復溫。

真空容器復壓：將常溫氮氣通入真空容器，并通過調節閥控制進氣流量，將復壓時間控制在5～30 min 范圍內。

2.4 去污染系統

去污染系統主要結構為烘烤筒，是由屏蔽保溫罩與加熱籠組合而成的圓筒狀結構，其兩端開口，安裝在液氮熱沉內部，且與真空容器同軸。烘烤筒主體為加熱籠，加裝可拆卸的雙層反射屏蔽保溫罩。加熱籠由鎳鉻加熱帶縱向繞圓周分組布置，用聚四氟乙烯固定在龍骨上。加熱籠分3 組加熱，每組安裝一個鉑電阻測溫元件獨立加熱控溫，工作溫度50～120 ℃，組與組之間控制精度±2 ℃。加熱籠的工作電壓150 V，總功率3.6 kW。屏蔽保溫罩由雙層鏡面不銹鋼制成，內外層對加熱籠熱量進行2次隔離，能起到更好的保溫作用。

在整個烘烤期間須維持烘烤筒內部溫度高于試件溫度，以防止試件釋放出來的污染物凝結在烘烤筒的內壁上。污染物被真空系統抽出，或者凝結在由液氮制冷的熱沉壁上。在進行烘烤試驗之后，烘烤筒的溫度緩慢下降，以防試件仍在放氣的揮發物凝結在烘烤筒的內壁。

該烘烤筒內部裝有導軌供工件小車進出，工件須定位于烘烤筒的中心；烘烤筒外部配有輪子，以便于進出真空容器。烘烤筒安裝和拆卸方便，便于在試驗前進行清潔。

在容器后封頭部位安裝有液氮去污盤管和污染吸附片。整個試驗過程中去污盤管和污染吸附片持續通液氮，以吸附試件釋放出的揮發物。系統配備石英晶體微量天平對試驗過程中的污染量進行全過程測量。

2.5 電氣控制系統

用工控機和可編程序控制器實現真空系統程序控制和手動控制，這2 種控制方式均在人機界面上操作，且可以切換。控制系統具備：互鎖、提示、故障報警，壓力超限報警，溫度超限報警；自動控制石英晶體微量天平溫度；自動控制熱籠烘烤筒溫度；實時動態曲線顯示壓力、溫度等測量參數及輸出打印等功能。

系統面板圖可以用動作、顏色顯示系統的工作狀態，以及容器內的壓力。

3 試驗測試

將結構與機構產品模擬試件放入容器進行+120 ℃抽真空能力測試。在通入液氮，有載狀態，且熱沉溫度≤100 K 時，測量容器真空度優于1.5×10-4Pa。

將200M 腈綸絲套管放入容器進行+80 ℃烘烤測試，并用石英晶體微量天平進行污染物揮發量監測。開機后，石英晶體微量天平測量的初始值為4.554 3×10-7g/cm2；45min 后為4.556 7×10-7g/cm2，變化量為2.4×10-10g/cm2；又經65 min 后為4.553 7× 10-7g/cm2，變化量為-6×10-11g/cm2，并趨于穩定，單位時間內揮發量已經變得很小。由此可見，該套設備具備有效的烘烤去污染能力。

該套設備可以進行±100 ℃范圍內的熱真空試驗，試驗過程中真空度優于1.0×10-3Pa，控溫精度優于±0.5 ℃。此外，該套設備烘烤筒上的屏蔽保溫罩拆卸方便，拆下后，加熱籠可以獨立工作。

4 結束語

用于結構與機構污染物去除的真空烘烤設備同時具備真空烘烤和熱真空試驗的功能，適用于各類單機產品。自投入使用以來，設備運行狀況良好，利用率較高，已成功完成了多次結構與機構產品的去污染真空烘烤試驗和熱真空試驗。今后還需對污染物去除的真空烘烤工藝流程進行優化研究，以更好地服務于航天器研制過程中的污染控制。

（References）

[1] 周傳良.航天器研制全過程污染控制工程[J].航天器環境工程,2005,22(6): 335-341 Zhou Chuanliang.Contamination control through entire process of spacecraft development[J].Spacecraft Environment Engineering,2005,22(6): 335-341

[2] Lillis M C,Youngstron E E,Marx L M,et al.Space flight ecperiments to measure polymer erosion and contamination on spacecraft,NASA TM-2002-211553[R]

[3] 黃本誠,馬有禮.航天器空間環境試驗技術[M].北京: 國防工業出版社,2002: 220-222

[4] 周傳良.高度污染敏感有效載荷的真空烘烤技術[J].航天器環境工程,2006,23(6): 340-343 Zhou Chuanliang.Vacuum bakeout technology for spacecraft payload with high sensitive contamination[J].Spacecraft Environment Engineering,2006,23(6): 340-343

[5] 張立偉,張文杰,魏仁海,等.不銹鋼管銅翅片熱沉制造關鍵技術[J].航天器環境工程,2008,25(6): 587-590 Zhang Liwei,Zhang Wenjie,Wei Renhai,et al.The manufacturing technique of stainless steel pipe and copperplate structure in heat sink[J].Spacecraft Environment Engineering,2008,25(6): 587-590

[6] 鄒定忠,劉敏,劉國青.熱沉設計技術[J].中國空間科學技術,2002,22(3): 21-25 Zou Dingzhong,Liu Min,Liu Guoqing.Design of a thermal shroud attached to KM6 space simulator[J].Chinese Space Science and Technology,2002,22(3): 21-25

[7] 達道安,邱家穩,肖祥正.真空設計手冊[M].3版.北京: 國防工業出版社,2006: 769-789