大型空間環境模擬器真空系統配置技術研究

張磊，王軍偉，付春雨

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

航天器地面熱真空環境試驗[1]是在空間環境模擬設備內實現的，空間環境模擬設備要完成真空、冷黑環境和空間外熱流等參數的模擬，驗證航天器熱設計的正確性，及各個飛行階段熱控系統適應各種熱環境的能力，并確定熱控系統的最佳參數。其中大型空間環境模擬設備主要用于整星級或飛船級等各型號的熱平衡、熱真空試驗，以檢驗飛行器的結構設計、溫控設計及整星（船）功能等是否滿足設計要求。

目前世界上已有幾十臺大型空間環境模擬試驗設備，其中以美國數量最多，分布在美國航空航天局（NASA）附屬飛行中心及有關科研單位和私人公司。俄羅斯、歐洲空間局、日本也有規模及用途不同的大型空間模擬試驗設備，以滿足大型應用衛星與航天器對空間環境試驗的需要。大型空間環境模擬設備真空系統是重要的功能系統，其主要功能是通過對各類真空工藝設備的有效配置完成環境模擬容器內真空環境的獲得與維持，完成測試對象在模擬空間真空環境下的適應性與可靠性試驗驗證。對于大型空間環境模擬器，合理的真空系統配置是一項重要的研究課題。

1 國外大型空間環境模擬設備系統配置

1.1 NASA GRC SPF[2-3]

SPF空間環境試驗設備是目前世界上最大的空間環境模擬器，該設備容器有效尺寸：直徑為30.5 m，高為37.2 m，體積約為22653 m3，內部安裝有活動熱沉，最終真空度可達到1×10–4Pa。

該設備真空系統配置中，粗抽系統配置為兩套五級羅茨滑閥泵機組，最終可將容器抽至5 Pa以下，粗抽機組原理如圖 1所示。高真空系統原配置是 32套口徑約為DN 1250 mm的油擴散真空泵，每套抽速約為43000 L/s，后續根據需要改造后配置為5套抽速2400 L/s的分子泵和10套DN1320口徑低溫泵，在10–4Pa量級可以達到500000 L/s的抽氣能力，最終可在8 h內將容器抽至3×10–4Pa以下。

1.2 NASA JSC Chamber A[4]

該設備真空容器有效尺寸為：直徑 19.8 m，高36.6 m，有效容積約9000 m3。內部安裝有熱沉，內部熱沉直徑為16.8 m，高為27.4 m，熱沉溫度可達90 K，為世界第二大空間環境模擬器。

Chamber A高真空系統原配置為18套DN 900 mm擴散泵，為了適應韋伯太空望遠鏡的試驗需求，對真空系統進行了適應性改造。改造后的真空系統配置為12套DN 1250 mm低溫泵，通過插板閥與容器連接，并配備6套DN 320 mm分子泵。分子泵和低溫泵前級采用原擴散泵前級泵進行抽氣，但在前級泵前加裝液氮擋板以防止返油。

改造后的分子泵可以在更高的壓力下啟動，縮短了極限真空的抽氣時間，也便于真空容器的檢漏。改造后的真空系統可實現 1.5×10–2Pa的常溫極限真空度。在熱沉通液氮的狀態下，極限真空度優于2.5×10–5Pa；啟動液氦熱沉后，最終極限真空度優于3.0×10–6Pa。

1.3 ESA ESTEC LSS

LSS空間環境模擬器是歐洲最大的單體真空試驗設備，真空容器形式為臥式T形結構。LSS真空容器有效尺寸：直徑為10 m、高為15 m，容積為2300 m3。容器內部裝有液氮和氣氮調溫熱沉，溫度范圍為100～353 K。

該設備真空系統采用全無油系統配置，粗抽機組包括3套羅茨機組，每套抽速約20000 m3/h，高真空系統配備4套抽速為8000 m3/h的渦輪分子泵和2套抽速為48 m3/s的自屏蔽低溫泵。真空系統可在2.5 h內將容器抽至100 Pa以下，6 h內抽至5 Pa以下，12 h內抽至優于 7×10–3Pa，18 h 內抽至 10–4Pa 以下，最終極限優于 7×10–5Pa。真空系統抽空曲線如 3圖所示。

2 我國大型空間環境模擬設備

2.1 KM6空間環境模擬器[5]

KM6空間環境模擬設備是中國為載人航天建造的基礎設施，由主模擬室、輔助模擬室、副模擬室三艙組合，丁字形結構，如圖 4所示。容器總容積約3200 m3，真空系統最終極限真空度達到 4.5×10–6Pa。

真空系統配置中，粗抽真空系統由 4套抽速為5000 L/s的四級羅茨滑閥機械機組及配套的液氮冷阱等設備組成，可在3.5 h內將容器抽至1 Pa以下。高真空系統采用8套自研氦制冷機低溫泵組成，每套抽速可達50000 L/s，可在啟動高真空抽氣后3.5 h內將容器真空度降至 3×10–5Pa以下，另外真空系統還配備3套抽速為2200 L/s的渦輪分子泵用于完成過渡抽氣與系統檢漏。為了加大抽速和提高極限真空度，該設備安裝了內裝式低溫泵，在液氮屏蔽下通入氦氣進行抽氣，其總抽速可達2×106L/s。

2.2 KM8空間環境模擬器

KM8空間環境模擬器是我國容積最大、自動化程度最高的空間環境模擬器，為世界第三大空間環境模擬器，于2016年建成并投入使用。

KM8 空間環境試驗系統容器為立式結構，直徑為17 m，高約32 m，總容積約6000 m3。其中底部封頭安裝在地下，地面部分高度約為 26 m。主要包括真空容器、真空系統、熱沉、氮系統、測控系統、試驗工裝系統6個分系統，如圖5所示。

真空系統配置中：粗抽系統由8套干泵+羅茨泵+羅茨泵三級粗抽機組、DN1000 mm氣動插板閥及液氮冷阱組成，8套粗抽機組總峰值抽速約12600 L/s，可在4 h內將容器從常壓抽至5 Pa以內。配置8套抽速約為3200 L/s的分子泵系統在粗抽結束后，容器內真空度達到5 Pa以下時對容器進行過渡抽氣，以達到低溫泵的開啟壓力。高真空系統設計使用10臺DN1250低溫泵進行抽氣，使真空容器能在熱沉低于100 K情況下空載極限壓力達到低于1.0×10–5Pa。

3 真空系統配置技術

通過對國內外大型空間環境模擬器真空系統進行研究，根據系統流程一般分為粗真空抽氣階段、過渡真空抽氣階段、高真空抽氣階段和超高真空抽氣階段過程。

3.1 粗真空抽氣階段配置技術

大型空間環境模擬器所需真空泵的抽速較大，對粗抽系統的要求較高。常用的大抽速真空泵有水蒸氣噴射機組、水環式真空機組、羅茨式真空機組和無油螺桿式真空機組。由于當前對空間環境無油清潔要求的逐步重視，近年來粗真空抽氣多采用羅茨螺桿式無油真空機組，通過羅茨泵與螺桿干泵的多套與多級組合配置實現大容積大抽速的要求。根據工作壓力和抽氣速率等不同的需求工況，粗抽系統采用三級、四級甚至多級的羅茨干泵機組串聯組合，多套機組并聯組合的方式獲取更大的抽速和更高的真空度。

羅茨真空泵在較低入口壓力時具有較高的抽氣速率，特別是對于大型羅茨串聯機組，需要滿足被抽系統中的壓力被前級真空泵抽到羅茨真空泵允許的起動入口壓力時，羅茨真空泵才能開始工作。在一般情況下，羅茨真空泵不允許在高壓差情況下工作，否則將會使羅茨真空泵產生過載和過熱而損壞。因此使用羅茨真空泵時必須合理地選用前級真空泵，并且須安裝必要的保護設備。最大壓縮比是多級羅茨配備中的關鍵參數，它是隨排出壓力的變化而變化的，因此，選擇前級泵的抽速，要根據羅茨真空泵的長期工作壓力范圍考慮。一般根據經驗，機組中羅茨泵的理論抽速與前級泵理論抽速的配比關系為5∶1～8∶1，否則將使壓縮比過大，造成羅茨真空泵的排氣溫度過高而不能正常工作。

對于大型空間環境模擬器，抽氣時間是真空系統的關鍵指標，也是決定羅茨機組選型的重要參數。由于被抽體積較大，對于粗抽時間要求較高的系統，需配置較大的前級泵，以使各級羅茨盡早切入抽氣。有時為了更好地發揮設備的效率，機組裝有較大的預抽干泵，在羅茨正常工作后使用較小的前級泵維持，可以節約機組能耗。

在粗抽階段，由于設備或系統內表面的放氣量與設備的氣體負荷相比可以忽略不計，因此，在計算抽氣時間時，此過程一般不考慮系統放氣量。抽氣時間主要與真空室內氣體流態和管道內流導有關。氣體流態隨真空室內氣壓變化，管道流導既受氣體流態影響，也與抽氣管道幾何尺寸有關。機組確定配置后可根據式(1)完成粗抽時間復核計算：

式中：t為抽氣時間，s；Se為機組的有效抽速，L/s；V為容器的容積，L；Pi為開始抽氣時的壓力，Pa；Pt為t時間后所達壓力，Pa；P0為真空泵的極限真空，Pa。

此外，為了使泵在運行過程中電機不會過載，當前羅茨機組一般通過變頻的方法，在高的入口壓力范圍降低電機轉速，而隨著入口壓力的降低可以不斷提高轉速以提高有效抽氣速率。因此對于大型空間環境模擬器，一般建議羅茨機組配備變頻器，既可以降低配套功率，又可以縮短抽氣時間，提高運行效率，同時可以實現機組的安全保護運行。

3.2 高真空系統配置技術

真空系統總體方案確定后，需對高真空泵抽速進行設計，以滿足真空室內極限與工作真空度要求。真空主泵抽速設計主要考慮真空室內氣源的氣體流量。常規空間環境模擬設備實驗過程中沒有持續且固定的放氣過程，真空室內材料放氣量為主泵工作時主要氣源。真空室工作時所需的工作壓力由式(2)決定：

其中：P0為真空泵的極限真空，Pa；Q0為一定時間后設備本身的氣體負荷，Pa·L/s；Sp為真空室抽氣口附近泵的有效抽速，L/s；Pg為真空室工作壓力，Pa；Q1為工藝生產過程中的氣體負荷，Pa·L/s。

目前，為滿足清潔無油的真空要求，高真空系統一般采用低溫泵作為主泵。國外建造時間較早的設備也相應地進行了適應性改造。例如美國 SPF與Chamber A為了適應新型試驗的需求，均將原有的擴散泵系統改為清潔無油的低溫泵系統，未來空間環境模擬的清潔真空環境獲得是主流趨勢。

3.3 分子泵檢漏系統及過渡抽氣配置策略

在大型空間環境模擬設備中，低溫泵滿足了獲得清潔真空大抽速的要求，但對氦氣、氫氣等氣體抽速較小，且易于飽和。如果有額外的氫氣和氦氣來源，如試件漏氣量較大時，需要對氫氣和氦氣有較大的輔助泵。如“神舟”二號飛船試驗時，由于電源系統中氫氣泄露，使真空度顯著下降。當在試驗過程中有較多的輕質氣體時就需要對氦、氫等氣體有較大抽速的輔助泵進行抽氣，因此一般配置分子泵系統作為該類試驗設備的過渡抽氣和重要補充。

此外，由于泵組能力限制，對于大型空間環境模擬設備，粗抽機組一般可將真空容器抽至幾帕量級。特別是對于大型航天器的有載試驗，容器內部大量的試件本身、電裝電纜、輔助裝置會使得粗抽機組的極限真空獲得能力受到影響。此時大型真空容器內壓力無法滿足根據低溫泵渡越容量計算可得的最高入口壓力，分子泵系統也可作為該區間過渡抽氣的重要補充。

根據實際使用經驗，對于大型空間環境模擬設備，分子泵系統作為過渡抽氣階段的主要配置也具有一定的局限性。這是由于當前主流分子泵開始具有有效抽速的入口壓力為 10–1Pa量級，而在粗抽機組的極限真空量級范圍有效抽氣能力有限，無法與粗抽機組有效銜接過渡。分子泵系統過高壓力的介入可能會導致分子泵過載或過渡階段抽氣時間過長，而對于大型空間環境試驗設備如選擇增加分子泵數量的方式解決該問題會導致建造費用的增加。

當前對于該過渡抽氣的配置策略一般包括：

1）使用低溫冷板進行過渡抽氣。當前對于大型空間環境模擬設備一般可采用冷板抽氣的方式進行過渡抽氣。冷板采用液氮制冷等方式，同時該冷板也可與防污染板實現功能合并，在過渡抽氣的同時實現真空容器內的防污染保護。美國SPF容器內改造增加了五片防污染板，同時實現了過渡抽氣功能。

2）使用低溫泵進行過渡抽氣。大型空間環境模擬設備一般主泵配備多套大口徑低溫泵，因此通過改變抽氣流程工藝，即在粗抽機組達到抽氣極限能力時，通過提前使用1～2套低溫泵進行抽氣也可實現系統的過渡抽氣。由于大型空間環境模擬設備此時氣體負荷較大，因此提前開啟低溫泵會導致冷頭溫度上升，也可將用于過渡抽氣的低溫泵內活性炭去掉，便于后續低溫泵的快速再生。

3.4 超高真空環境配置策略

對于大型空間環境模擬設備，真空系統一般配置液氮抽氣冷板或熱沉完成對容器的輔助抽氣。同樣對于大型空間環境模擬設備的超高真空環境獲得，可通過配置氦抽氣冷板制成的內置深冷泵的方式獲得更高的真空度，如圖6所示。如KM6空間環境試驗設備、ESTEC的LSS空間環境模擬器均配備了氦制冷抽氣冷板，可獲得10–6Pa的超高真空環境[4,6-7]。

氦抽氣冷板一般是將冷板制成任意形狀的內置深冷泵，通過大型氦流程系統在冷板表面實現超低溫吸附抽氣的方式。該種技術具有有效抽速大、真空度高、表面潔凈等優點。在大型空間環境模擬設備中，為了減少氦低溫冷板的輻射熱負荷，一般將冷板制成的內置深冷泵置于液氮熱沉包圍之中。由于液氮冷卻熱沉具有輻射擋板的作用，使得容器內穿過擋板到達冷凝面的分子能量足夠低，并吸收掉絕大部分來自真空室壁溫的輻射熱。同時，由于液氮熱沉的遮擋效應，阻擋了被抽氣體分子運動，使內置深冷的有效抽速降低，所以液氮熱沉形成的輻射擋板形式的選擇對于深冷泵的高效運行至關重要，也是大型空間環境模擬器超高真空環境獲得的關鍵技術。

低溫冷板表面的最大抽速可由式（3）表示：

式中：A為冷板抽氣有效面積，cm2；Tg為被抽氣體溫度，K；M為氣體分子摩爾質量；R為氣體常數。

上述公式為理論上低溫冷板表面的最大抽速，實際有效抽速需考慮氣體通過熱沉輻射擋板的流導幾率，不同形式的擋板具有不同的流導。另外內置深冷泵的抽氣能力和被抽氣體飽和蒸汽壓有關。氣體飽和蒸汽壓和低溫冷凝板溫度的關系如7圖所示。對于空間環境模擬真空容器內的空氣，要抽除空氣內的不同成分以實現超高真空。從圖7可以看出，可以根據公式計算出各類氣體的有效抽速。當由液氦冷卻的內置深冷泵溫度到達5 K時，低溫冷凝泵能夠抽走除氦氣以外的所有氣體，使得深冷泵的真空度達到10–7Pa。

3.5 污染控制策略

空間環境模擬設備對于污染控制要求很高，航天器在熱真空試驗階段的污染會導致光學載荷性能退化等質量問題。大型環模設備真空系統的污染控制涉及從設計到制造、安裝調試及后續使用保養等各個方面，一般從以下方面實現污染的有效控制與監測。

1）無油真空系統。隨著地面模擬試驗對污染效應的嚴格控制，真空系統配置逐步趨向清潔無油真空環境。為此，國外建造時間較早的設備也相應地進行了適應性改造。例如美國SPF與Chamber A均將原有擴散泵系統改為低溫泵系統。

2）對于因建造成本等原因而使用油擴散泵、油機械泵等抽氣設備時，為避免油氣返流造成對試驗環境的污染，一般在入口前配置液氮冷阱、分子篩吸附阱等工藝手段避免污染效應。如世界最大的SPF空間環境模擬器真空系統管道中通過安裝低溫冷阱、分子篩吸附阱、惰性氣體吹掃等多種方式有效實現了污染控制[8]。

3）內置防污染板。大型空間環境模擬設備內部設計有防污染板，通過液氮冷卻等方式在系統開機階段先于熱沉將其冷卻至低溫，直到試驗結束熱沉完成回溫后，可有效避免容器內有機物等對航天器造成的污染效應。

4）污染監測。目前我國衛星熱試驗過程中，通常使用石英微量天平、質譜儀等方式實現污染物監測和成分分析，為衛星的污染防護提供了技術支持。

4 我國大型空間環境模擬器真空系統特點

通過與國外同類設備技術對比與分析，我國大型空間環境模擬設備真空系統技術具有清潔無油、抽氣能力強、自動化程度高、可靠性高等特點。

1）國外大型空間環境模擬設由于建造年代較早，多使用油介質真空泵。國內以近期建設完成的 KM8為代表的大型設備從設計到安裝調試過程，選用低溫泵、分子泵、羅茨螺桿機組等無油工藝設備，并在全過程嚴格進行污染控制。通過殘余氣體分析及污染量測試分析表明，真空環境滿足各類型號的清潔無油的試驗需求。

2）我國大型空間環境模擬器真空系統通過優化設計，合理配置泵組配比與布局，具有較高的抽氣能力。如KM8空間環境模擬器、KM6空間環境模擬器均可在3.5 h內將真容器抽至5 Pa以下，空載極限真空度達到10–6Pa量級的超高真空范圍，并配備自動漏率測試及殘余氣體分析等功能。

3）我國大型空間環境模擬器真空系統配置多項專利技術的工藝設備用于實現系統的優化配置。如KM8配置了專利設計的真空絕熱儲液式冷阱，可在大氣下通入液氮，用于冷凝捕獲油、水蒸氣，獲得潔凈真空環境，降低機組氣體負荷。復壓系統配置內置式復壓散流器，可在不影響復壓速率、不占用真空室內部空間的條件下，消除高速直射氣流對真空室內部的試件、罐內結構的直接沖擊。

4）為實現真空系統的遠程自動控制，節省試驗人力及時間成本，我國大型空間環境模擬設備真空系統配備自動抽氣控制流程，因此真空系統具有集成度、可靠性和自動化水平高等特點，可以實現關鍵設備控制互鎖、一鍵起停，急停等控制、監控、診斷及記錄等功能。

5 結語

隨著載人航天、火星探索等國家重大空間探索工程的穩步實施，并隨著“十三五”新型號立項的開展，在大型航天器方面還將有更多的任務需求。大型空間環境模擬試驗及其設備研制技術顯得尤為必要。我國現有大型空間環境模擬設備的建成將極大地提升大型航天器真空熱環境試驗的能力，拉近與先進國家在大型航天器真空熱試驗設備能力與試驗水平的差距，為空間站核心艙、實驗艙及后續大型航天器成功發射提供有力保障。

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[3]ROGER L S. Space Power Facility Readiness for Space Station Power System Testing[R]. NASA Technical Memorandum 106829, 1995.

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[6]黃本誠, 劉國青, 成致祥, 等. 特大型空間環境試驗設備的超高真空獲得技術[J]. 真空科學與技術, 2001,21(1): 1-4.

[7]張春元, 許忠旭. 大型清潔超高真空獲得初探[J]. 航天器環境工程, 2002,19(1): 59-62.

[8]AARON S, MICHAEL W H, STANLEY P G. Contamination Control Assessment of the World’s Largest Space Environment Simulation Chamber[R]. NASA/TM—2012-217823, 2012.