真空/加壓系統在空間實驗中的應用

許發鐸，孫耀赤，張文革，鄭利杰

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州　730000）

真空/加壓系統在空間實驗中的應用

許發鐸，孫耀赤，張文革，鄭利杰

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州730000）

真空/加壓系統為空間實驗室提供一個正壓和負壓交替變化的實驗環境。實驗過程有兩種工作狀態，即負壓和正壓。真空/加壓系統的優點是集成度高、結構緊湊，真空/加壓系統充分利用了空間真空和微重力環境，降低了真空/加壓系統的復雜程度，提高了可靠性，節約了空間資源和在軌運行成本。

空間實驗；真空系統；加壓系統；分子泵

0　引言

低成本、短周期、高性能的發展空間有效載荷為目前航天發展的主要趨勢[1]。隨著航天技術的高速發展，推動了材料工程、生物工程等學科的長足進步，這些學科發展的同時需要大量的儀器、實驗設備在空間微重力、高真空、高宇宙輻射等特殊環境中展開一系列的科學實驗。由于目前航天實驗成本還比較高昂，包括發射成本、實驗能源成本、在軌運行成本等，因此，為了降低研究實驗成本，在實驗設計和規劃方面盡可能遵循高集成、高可靠性的原則，一臺實驗設備盡可能完成多項不同實驗，將專用性實驗設備向通用性實驗設備靠攏的設計指導思想，盡可能將一臺設備的功能拓展[2]。

真空/加壓系統就是一臺集成了高真空系統和壓力系統的空間實驗系統，此系統能夠完成真空實驗、壓力實驗、微重力實驗或三種實驗狀態任意組合的空間實驗項目。

1　系統要求

真空/加壓系統的目的是通過空間真空環境、真空泵及高壓氣瓶等條件為空間實驗項目提供相應的實驗環境。為實驗項目提供高真空（10-2～10-5Pa）環境和壓力環境（3×105～4×105Pa），同時可利用空間微重力環境。實驗過程有以下兩種工作狀態：

（1）對實驗腔抽真空時：在實驗開始前，首先通過實驗柜提供的空間真空管道或排廢氣接口，對實驗腔進行真空預抽，待實驗腔氣壓降至0.3 Pa左右，再利用分子泵對實驗腔進行進一步抽真空，直到滿足實驗要求，最高可達到10-5Pa；在實驗過程中，需要保持真空環境，持續開啟分子泵，維持實驗腔氣壓在實驗項目要求的真空度，為保證分子泵的低能耗，在滿足抽速的條件下盡量選用低功率分子泵。

（2）對實驗腔加壓時：在實驗開始前，首先通過實驗柜提供的真空管道或排廢氣接口，對實驗腔進行排氣，在實驗腔內的氣體排除干凈之后，打開氣瓶或實驗柜氮氣接口的閥門，對實驗腔進行充氣。當氣壓達到要求之后，關閉閥門，停止充氣。

根據以下參數進行真空/加壓系統的設計。電源：100 VDC；峰值功耗不大于200 W（持續時間不大于1 h）；實驗腔容積：6 L（L=350 mm，D=155 mm）；起抽壓力0.3 Pa；極限壓力1×10-5Pa；氣源：N2空間站提供，自帶氣瓶1（Ar），自帶氣瓶2（O2）；空間站提供初級真空接口：0.3 Pa；空間站提供廢氣接口：0.3 Pa（N2必須導回空間站廢氣系統）。

2　系統組成

依據真空/加壓系統的任務目標和技術要求，經分析設計如圖1所示的系統組成原理圖，系統主要分為三個子系統：抽真空子系統、氣體加注子系統以及控制采集子系統。

圖1　真空與加壓系統組成原理圖

系統主要組成部組件有：真空泵、壓力傳感器、真空電離規、閥門、管路、氣瓶和控制器。

實驗腔的真空環境通過渦輪分子泵實現，渦輪分子泵是靠高轉速的轉子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機械真空泵。工作壓力范圍在1～10-8Pa。先進的泵可以獲得10-9Pa的極限壓力[3]，分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，但渦輪分子泵不能直接對大氣排氣，需要配置前級泵，并且其主要性能（極限壓力和抽速）都和配置的前級泵的容量、轉速，被抽氣體的種類有關。為了節省空間資源和降低能耗，系統中可充分利用空間的真空環境，省去分子泵的前級泵。

真空/加壓系統中真空泵的選型是關鍵，必須根據使用條件多方面綜合考慮。真空系統選取泵的主要依據是：（1）空載時實驗腔所需要達到的極限真空度；（2）根據實驗腔進行實驗時所需要的工作真空度；（3）對真空環境和空間站廢氣系統環境無油污污染。

實驗腔的真空度一定要保證在分子泵最佳抽速壓力范圍之內，所需要的分子泵抽速由實驗腔實驗過程中放出的氣量、系統漏氣量以及所需要的真空度來確定。

2.1分子泵抽速計算

（1）分子泵設計計算條件：實驗腔容積：6 L（L= 350 mm，D=155 mm）、起抽壓力0.3 Pa、極限壓力1×10-5Pa、管道直徑：45 mm。

（2）分子泵有效抽速S的計算[4-5]

根據實驗腔要求的真空度Pg，實驗腔的總氣體量Q，依據式（1）計算分子泵的有效抽速S。

式中：Pg實驗腔的真空度：Pg=1×10-5，Pa；Q為真空室的總氣體量，Pa·L/s。

Q由式（2）計算:

式中：Q1為實驗樣品出氣速率；Q2為真空室及真空元件的漏率；Q3為真空室的總出氣速率。

假設樣品為直徑10 mm圓球，材料不銹鋼（1 h后的出氣率為2.3×10-5Pa·L/（s·cm2），2 h后的出氣率為1.5×10-5Pa·L/（s·cm2），則出氣量為Q1=7.2× 10-5Pa·L/s；閥門漏氣量為：4×10-10Pa·L/s；閥門數量為8個；Q閥門=3.2×10-9Pa·L/s；Q實驗腔=1×10-4Pa·L/s；Q2=1×10-4Pa·L/s。

實驗腔內部深度350 mm，直徑Φ155 mm，材料為不銹鋼；內表面面積為：1 703.5 cm2；Q3=8.86× 10-4Pa·L/s。則泵的有效抽速為：

（3）管道流導U的計算

氣體在管道中流動可分為粘滯流、粘滯-分子流和分子流，三種流動形式可根據管道中氣體的平均壓力和管道直徑的乘積來進行判斷。

-pd>0.67 Pa·m為粘滯流；-pd＜0.02 Pa·m為分子流；0.02 Pa·m＜ -pd＜0.67 Pa·m為粘滯-分子流。根據計算，本系統管道氣流為分子流。

根據標準定義，當真空系統的管道長度L≤20 d管道稱為短管道，管道長度L＞20 d管道稱為長管道，得出管道為短管道。

在20℃時對空氣分子流在短管道中的流導依據式（5）計算：

式中：U為短管分子流流導；U孔為分子流入口孔的流導；U管為分子流時按長管計算的流導。

依據式（6）計算分子流入口孔的流導。

式中：M為氣體摩爾質量，2.9×10-3kg/mol；T為氣體溫度293 K。

根據式（7）計算分子流長管道流導。

式中：d為管道直徑0.1 m；L為管道長度0.316 m；M為氣體摩爾質量；T為氣體溫度293 K；R為氣體常數8.314 J/K·mol。

分子泵的名義抽速Sp由式（8）計算。

3　工作原理及過程

3.1初始狀態

初始狀態下，閥1～閥6為關閉狀態，閥1控制分子泵出氣口的通斷，閥3控制分子泵進氣口的通斷、同時起到加壓狀態（0.4 MPa）下保護分子泵的作用，閥2控制實驗腔進行高壓放氣和真空保持，閥4、閥5和閥6相應控制Ar、O2或N2氣源的供氣通斷，閥3在高壓狀態（0.4 MPa）下保護真空電離規、真空狀態下打開真空測量通路，閥7至閥9對高壓氣源減壓至滿足自鎖閥工作壓力，設定壓力為實驗項目要求壓力。

3.2加壓狀態

（1）當實驗腔進行N2加注時：關閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥5，打開閥6進行N2注入，當實驗腔壓力達到要求壓力時，壓力傳感器1將實驗腔的壓力反饋至控制單元并關閉閥6；

（2）當實驗腔進行Ar加注時：關閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥6，打開閥4進行Ar注入，當實驗腔壓力達到要求壓力時，壓力傳感器1將實驗腔的壓力發送至控制單元關閉閥4，同時氧分壓傳感器檢測氧分壓，并將檢測值反饋至控制單元，控制單元控制閥5將實驗腔內氧分壓保持在10-5～10-2Pa之間；

（3）壓力傳感器2和壓力傳感器3分別檢測Ar氣瓶和O2氣瓶內部壓力，當壓力接近減壓閥預設壓力后提示更換滿瓶Ar氣瓶或O2氣瓶。

3.3真空狀態

當實驗腔需要真空度達到10-5Pa時，首先關閉閥4、閥5、閥6，打開閥2，將實驗腔內氣體導回至空間站廢氣系統，實驗腔壓力降至0.3 Pa，然后關閉閥2，打開閥1、閥3，并啟動分子泵將實驗腔真空度降低并保持在10-5Pa，真空電離規對實驗腔內部壓力進行檢測，并將檢測值反饋到控制單元。系統布局如圖2所示。

圖2　系統布局圖

實驗腔既是真空容器，也為壓力容器，因此在設計時需兼顧兩種容器的注意事項。

設計應遵循6點：（1）為了減少漏氣量和漏孔，焊縫的總長度盡可能短；（2）避免十字交叉焊縫，焊縫的高度應大于殼體厚度的1/3，兩焊縫之間的距離應大于100 mm；（3）所有焊縫都不妨礙真空檢漏；（4）殼體上開孔最好不要開在焊縫上；（5）實驗腔加工完成后需進行漏率檢驗和耐壓實驗；實驗腔漏率建議不大于1×10-7Pa·m3/s；實驗腔應能承受0.6 MPa的壓力；對焊縫進行100%無損探傷；（6）腔體材料盡可能選用出氣量小的材料，如鋼、鈦合金等各種材料，適用實驗腔材料如表1所示[3]。

表1　各種材料適用的實驗腔

4　結論

從以上對真空/加壓系統的應用研究得出三個結論：

（1）真空加壓系統的優點是集成度高、重量輕、結構緊湊，可為空間實驗項目提供正壓、負壓、以及正壓負壓交替的實驗環境；

（2）一個實驗腔體包含真空腔和壓力腔雙重作用，減少了系統部件的數量，拓展了功能，使實驗滿足從4×105Pa～10-5Pa超寬壓力范圍的不同需求；

（3）充分利用空間環境，省去了不必要的冗余設備，降低了系統的復雜程度從而提高其可靠性，節約了空間資源和在軌運行成本。

[1]張天平.小衛星領域應用電推進技術的評述[J].真空與低溫，2014（04）187-192.

[2]李旺奎，蘭增瑞，薛大同.復雜系統的分子流理論[J].真空與低溫，1985（4）：16-20.

[3]達道安.真空設計手冊[M].第三版.北京：國防工業出版社，2004.

[4]劉玉奎.真空系統設計原理[M].北京：新時代出版社，1988.

[5]劉玉奎.真空過程計算所用基本公式的探討[J].真空，1987（4）：44.

VACUUM/PRESSURE SYSTEM APPLIED IN SPACE EXPERIMENT PROJECTS

XU Fa-duo，SUNYao-chi，ZHANGWen-ge，ZHENG Li-jie
（Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000）

Vacuum/pressure system is used to ensure an experiment environment for alternation of positive pressure and negative pressure for the experiment chamber.The experimentprocess contains two operating states，positive pressure and negative pressure，w ith advantagesof high integration and compact conformation.The system makesa fulluse of vacuum and m icrogravity environment，it reduces the system complexity，increases the reliability，saves the space resource and in-orbitoperation cost.

Spaceexperiment；vacuum system；pressure system；molecular pump

TB753

A

1006-7086（2015）06-0056-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.013

2015-08-19

許發鐸（1977-），男，青海省互助縣人，工程師，從事航天器熱控制方面的研究。Email：zhxxxfd@163.com。