小型化真空泵在火星和地球上發(fā)揮大作用

美國“好奇號”火星探測器于2012年8月在“天空起重機”的協(xié)助下，降落在火星的蓋爾隕坑。正如它的名字一樣，“好奇號”火星探測器登陸火星有許多問題需要解答。但其最重要的任務(wù)是找出火星上是否擁有或曾經(jīng)擁有生命生存必要的條件。“好奇號”火星探測器約為一輛小汽車大小，火星樣品分析儀（SAM）是其搭載的最重要的儀器之一，主要用于探測火星表面。SAM包含的質(zhì)譜儀可使火星巖石和氣體電離，再通過測量電離分子的質(zhì)量來研究氣體和巖石的組成結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。

就像其它需脫離地球引力場而進入太空的儀器一樣，SAM及其各種組件和設(shè)備都需要具備小尺寸、堅固耐用等特點。真空泵就是SAM的一部分。質(zhì)譜儀中的真空泵主要用于抽取儀器內(nèi)部的空氣，提供足夠的真空度，以進行分析。Creare公司的總裁鮑勃·克蘭-肖德（Bob Kline-Schoder）解釋說：“為了達到標(biāo)準要求的靈敏度，質(zhì)譜儀的內(nèi)部氣壓比地球上的標(biāo)準大氣壓105Pa要低10個數(shù)量級。質(zhì)譜儀內(nèi)真空泵實現(xiàn)的壓力并不像太空中那么低，但是非常接近。”

火星任務(wù)所使用的真空泵必須具有較小的尺寸，但僅體積小還不夠。NASA戈達德空間飛行中心的高級工程師羅杰·法利（Rodger Farley）負責(zé)SAM的研發(fā)工作。他說：“這種真空泵必須具有質(zhì)輕、高效等特點。此外，其還必須能夠經(jīng)受行星保護規(guī)則所要求的熱殺菌處理，即：在115℃下暴露60h。世界上現(xiàn)有的真空泵不能滿足這些嚴苛的要求，因此，NASA發(fā)起了專為火星任務(wù)研發(fā)真空泵的項目。”

原位探測及樣品回收中心原主任，現(xiàn)任噴氣推進實驗室（JPL）首席技術(shù)專家的帕特麗夏·比徹姆（Patricia Beauchamp）說：“為了幫助工業(yè)界理解NASA的需求，JPL在20世紀90年代后期舉辦了一系列研討會。這些研討會匯集了NASA的工程師和工業(yè)界的代表。Creare公司是少有的幾家能夠?qū)崿F(xiàn)太空質(zhì)譜儀小型化的公司之一。我們試圖擴大范圍，希望更多的公司參與進來，因為這是一件非常重要的事情。”她稱贊Creare公司是一家有遠見的企業(yè)，該公司通過一系列小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃項目開發(fā)真空泵產(chǎn)品，獲得了成功。

該真空泵開發(fā)項目由JPL和戈達德空間飛行中心共同管理，從開發(fā)用于火星探測器SAM的工具開始。后來，Creare公司獲得了一項第三階段SBIR計劃項目合同，致力于研發(fā)火星有機分子分析儀—質(zhì)譜儀（MOMA-MS），計劃將其搭載在ExoMars火星探測車上。ExoMars火星探測車是NASA、歐空局（ESA）和俄羅斯聯(lián)邦航天局的聯(lián)合火星探測項目，計劃在2018年發(fā)射。

羅杰·法利說：“最初，Creare公司致力于開發(fā)尺寸約為SAM中的真空泵一半的小型化真空泵。但其開發(fā)時間計劃與火星有機分子分析儀（MOMA）的開發(fā)計劃產(chǎn)生了偏差。盡管如此，這種微型渦輪分子真空泵仍完成了長達1000h的測試。該真空泵是目前世界上同類產(chǎn)品中尺寸最小的真空泵產(chǎn)品。”

加州理工大學(xué)JPL商業(yè)技術(shù)合作辦公室經(jīng)理迪安·維伯格（Dean Wiberg）說：“Creare公司的真空泵產(chǎn)品研發(fā)工作在商業(yè)領(lǐng)域獲得了巨大的成功。在最初SBIR計劃項目工作的基礎(chǔ)上，Creare公司開發(fā) 出了滿足市場需求的商業(yè)化產(chǎn)品。”

帕特麗夏·比徹姆指出：“在NASA召開研討會時，僅有少數(shù)幾家公司出席了會議。當(dāng)時的競爭并不激烈，有些人雖然對此很感興趣，但并沒有開發(fā)真空泵系統(tǒng)的經(jīng)驗。這可能是因為在當(dāng)時，很少有類似技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用需求。”現(xiàn)在，這種情況已發(fā)生了改變，Creare公司開發(fā)的真空泵產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，顯現(xiàn)出了廣闊的市場前景。

鮑勃·克蘭-肖德說：“質(zhì)譜儀在地球上應(yīng)用非常廣泛。例如，如果發(fā)生化學(xué)武器襲擊或有毒工業(yè)化學(xué)品泄漏事件，質(zhì)譜儀可用于確定危險化學(xué)物質(zhì)的成分。此前，應(yīng)用于這種化學(xué)物質(zhì)成分檢測的儀器體積都非常龐大，不便于攜帶。Creare公司一直在對其已有的小型化真空泵進行改進。近年來，Creare公司已經(jīng)成功開發(fā)出了只有蘇打水瓶大小的真空泵。現(xiàn)在，Creare公司為NASA開發(fā)的真空泵產(chǎn)品的尺寸僅為蘇打水瓶的一半大小，更像是一個干電池。”

小型化真空泵的研發(fā)促進了小型質(zhì)譜儀的發(fā)展。Creare公司一直在與幾家公司合作，以滿足其質(zhì)譜儀小型化的需求。未來，美國運輸安全管理局（TSA）的安檢工作人員有望擺脫像兩個微波爐疊加大小的儀器，取而代之的是一個僅鞋盒大小的設(shè)備，用來檢測可能存在的爆炸物。該設(shè)備將使安檢工作更加便捷。工作人員可以走到排隊旅客的旁邊，利用該設(shè)備檢測旅客攜帶的包裹。這些小型化設(shè)備還能夠使采礦業(yè)受益，例如，可采用質(zhì)譜儀確定地下土壤及油氣藏的組成。

戈達德空間飛行中心行星環(huán)境實驗室的副主任威廉·布林克霍夫（William Brinckerhoff）說：“隨著緊湊型和便攜式質(zhì)譜儀的發(fā)展，小型渦輪泵在地球上的市場不斷擴大。采用這種小型化真空泵生產(chǎn)的質(zhì)譜儀在國防、醫(yī)療、環(huán)保和工業(yè)領(lǐng)域均有較大的市場需求。Creare公司近期的研發(fā)工作提高了真空泵產(chǎn)品的抗震動性和抗沖擊性，使其更加適用于移動及戰(zhàn)場等環(huán)境。

同時，在火星上，Creare公司的真空泵產(chǎn)品使得“好奇號”火星探測器能夠發(fā)現(xiàn)生命生存所需要的關(guān)鍵要素，如硫、氮、氫、氧、磷、碳等。這些礦物質(zhì)表明，火星上過去或許存在水——生命必須的物質(zhì)之一。 (唐 甜)