空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)方案評述

卜珺珺，曹 軍，楊曉林

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

空間站或空間實驗室為開展空間實驗提供了平臺，不僅實現(xiàn)了微重力實驗條件，而且為各種有效載荷實驗提供了控制與數(shù)據(jù)處理、熱控、二次電源、氣體供應、真空、視頻等支持[1]。其中，真空支持系統(tǒng)為有效載荷實驗提供廢氣排放及真空度維持。部分有效載荷實驗在供應氣體前先要對其工作區(qū)預抽真空，實驗完畢后須將產(chǎn)生的廢氣排放到太空，所需的真空排放系統(tǒng)稱為有效載荷廢氣排放子系統(tǒng)；另外部分實驗在進行過程中必須對工作區(qū)保持一定的真空度，所需的真空抽氣系統(tǒng)稱為有效載荷真空資源子系統(tǒng)。廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)兩者合稱有效載荷真空支持系統(tǒng)。

國際空間站有效載荷廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)是平行的兩條氣路。我國空間站規(guī)模小，有效載荷機柜數(shù)量較少，對真空支持系統(tǒng)的使用頻率較低。如果使用一路氣路實現(xiàn)廢氣排放及真空度維持雙重功能，則可節(jié)省大量建設成本。本文研究了目前國際空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的組成、控制及性能，并結(jié)合初步的地面試驗探索，給出我國空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的初步方案設想。

1 國外研究和應用情況

國際空間站是人類迄今為止在太空建造的規(guī)模最大、建設周期最長的空間實驗基地，它吸收了以往各空間實驗室、空間站的成功經(jīng)驗，并運用了新的設計方法和理念，其組合體管理模式及實驗系統(tǒng)支持方案對我國空間站的建設具有重要的借鑒作用。

國際空間站的真空支持系統(tǒng)分為兩個層次：實驗艙級的真空支持系統(tǒng)和有效載荷機柜級的真空支持系統(tǒng)。對于大多數(shù)有效載荷來說，實驗艙級的真空支持系統(tǒng)足以滿足實驗所需的真空環(huán)境；但在個別有效載荷機柜內(nèi)，需要更高的真空度，此時僅靠實驗艙級的真空支持系統(tǒng)無法滿足實驗條件，必須在有效載荷機柜內(nèi)專門設計一套真空支持系統(tǒng)，即機柜級的真空支持系統(tǒng)。

實驗艙級的真空支持系統(tǒng)分布在國際空間站的3個實驗艙內(nèi)：美國“命運號”實驗艙（USL），歐空局哥倫布軌道艙（APM）和日本實驗艙（JEM）。機柜級的真空支持系統(tǒng)則主要分布在美國實驗艙的一號微重力材料科學機柜（MSRR-1）及微重力燃燒科學機柜（CIR）內(nèi)。

1.1 實驗艙級真空支持系統(tǒng)

1.1.1 美國“命運號”實驗艙（USL）

該艙級的真空支持系統(tǒng)包括快速斷接器、機柜隔離閥、壓力傳感器、非推進排氣閥、帶加熱器的

圖1 國際空間站美國實驗艙廢氣排放/真空資源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the US lab waste gas/vacuum resource subsystem onboard ISS

在近機柜端，廢氣排放管路通過快速斷接器連接到機柜界面板；快速斷接器可實現(xiàn)快速插拔，將系統(tǒng)與機柜機械斷開?？焖贁嘟悠鞯南掠螢闄C柜隔離閥，靠步進電機驅(qū)動，為彈性載荷密封閥，閥體上有手動旋鈕、開關位置顯示及位置開關。常規(guī)操作方式為電動方式，一旦電控失效，可手動操作。機柜隔離閥的正常位置為關閉。排氣時，一次只能打開一個閥，有效防止不同氣體進入系統(tǒng)可能發(fā)生的危險。真空管路通過合理布局經(jīng)穿艙通向艙外太空，穿艙部位一般設在艙段側(cè)后舷。在穿艙處設排氣閥，該閥為組合式結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)依靠此閥將有效載荷工作室與太空隔離，以提高系統(tǒng)可靠性及整艙的密封可靠性，見圖 2。為防止排氣口處結(jié)霜，閥上設計了加熱器，見圖 3。排氣閥亦為步進電機驅(qū)動的電動閥，附近配備有工具箱，以備電動控制失靈時的手動操作及維修。系統(tǒng)中設置壓力傳感器，測量范圍為1.33×10-4～1.1×105Pa，布局在各支路及主干管路中，通過測量壓力可反映系統(tǒng)的工作狀況。廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)由共同的控制儀表——專用冗余電子單元進行控制，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可自動關閉氣動元件。

圖2 帶加熱器的組合電動閥外形圖Fig.2 The motor-driven multiplex valve with heaters

圖3 帶加熱器的組合電動閥原理圖Fig.3 Principle of the multiplex motor-driven valve with heaters

在該實驗艙內(nèi)，真空資源子系統(tǒng)與13個有效載荷機柜中的9個相連，最多能同時支持其中的6個機柜維持真空[3]，可以為有效載荷提供10-1Pa的壓力，為每個機柜以3×10-5L/s的抽速維持真空度。廢氣排放子系統(tǒng)為全部的 13個標準載荷機柜提供廢氣排放，也可提供10-1Pa的壓力，它具備在不到2 h的時間內(nèi)將體積為100 L的有效載荷工作區(qū)從一個標準大氣壓降到10-1Pa的能力，但一次只能為一個載荷進行排放，每次排放量不能超過500 L[4]。廢氣排放子系統(tǒng)所接受的氣體成分、溫度及壓力都有要求，如溫度不能高于45 °C也不能低于水蒸氣的露點值（16 °C）、氧氣的體積分數(shù)不得高于28%、工作起始氣壓不得高于275.8 kPa等[5]。

1.1.2 歐空局哥倫布軌道艙（APM）

該艙級的真空支持系統(tǒng)與美國實驗艙類似，不同點在于：1）系統(tǒng)中設計了手動復壓閥（見圖4）；2）配置了兩種量程的壓力傳感器，即低壓測量傳感器（量程 0.1～100 Pa）和高壓測量傳感器（量程 0.1～120 kPa）；3）真空資源子系統(tǒng)為 10個有效載荷機柜中的8個提供服務，廢氣排放子系統(tǒng)則為全部10個有效載荷機柜提供真空服務[6]。

圖 4 歐空局哥倫布軌道艙廢氣排放/真空資源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the ESA Columbus lab waste outgassing& vacuum resource subsystem onboard ISS

在該實驗艙內(nèi)，真空資源子系統(tǒng)可為有效載荷機柜界面提供0.16 Pa的真空度。廢氣排放子系統(tǒng)則具備在2 h內(nèi)將體積為100 L、溫度為21 ℃的一個標準大氣壓的真空室抽至0.13 Pa的能力，并可將真空度維持在 0.13 Pa。復壓由專門的手動閥進行，真空資源及廢氣排放子系統(tǒng)管路中各使用一個加壓閥進行獨立復壓。

1.1.3 日本實驗艙（JEM）

該艙內(nèi)有11個有效載荷機柜，其真空支持系統(tǒng)與歐空局實驗艙內(nèi)的設計一致，為每一個左右舷有效載荷機柜提供獨立的廢氣排放及真空維持。

1.2 有效載荷機柜級真空支持系統(tǒng)

1.2.1 美國實驗艙一號微重力材料科學機柜（MSRR-1）

一號微重力材料科學機柜的真空系統(tǒng)除了實驗艙級的真空資源子系統(tǒng)和廢氣排放子系統(tǒng)之外，還設計了專用真空支持系統(tǒng)，由真空獲得模塊（VAS）、真空/氣體分配模塊（VGS）等組成。真空獲得模塊由4個真空閥門、2個壓力傳感器、5個加壓氣室和連接管路組成，位于載荷機柜內(nèi)的一個抽屜內(nèi)。該模塊通過界面連接板將真空/氣體分配模塊與空間站的兩個真空支持子系統(tǒng)相連接，同時為材料科學試驗模塊（MSL）和空間產(chǎn)品開發(fā)試驗模塊（SPD）提供真空通道。真空獲得模塊受機柜主控制器控制。

真空/氣體分配模塊包括兩臺渦輪分子泵、一臺質(zhì)譜儀、若干閥門、傳感器及連接到空間站廢氣排放子系統(tǒng)的抽氣管道。真空/氣體分配系統(tǒng)可以通過壓力升降技術為試驗載荷核心設備提供自檢能力，根據(jù)試驗需求，材料科學機柜的試驗過程會用到樣品安瓿插件組元（sample ampoule cartrige assembly），有可能帶來氪泄漏，需用質(zhì)譜儀進行檢漏。渦輪分子泵的作用是把檢漏環(huán)境壓力從10-1Pa（真空獲得模塊與空間站廢氣排放子系統(tǒng)相連得到）抽到10-3Pa，以滿足質(zhì)譜儀工作要求[7-8]。

在該機柜內(nèi)，設計了專用真空控制單元——加強版主控制器單元檢測器，對真空獲得模塊及真空/氣體分配模塊組成的真空系統(tǒng)進行控制。工作時，位于真空閥上的壓力傳感器將模擬壓力信號傳送給主控制器，主控制器通過求解工作區(qū)及真空管路氣壓變化的模擬方程計算出適當?shù)膲毫ψ兓?，指示真空獲得模塊中的真空閥做出反應，從而達到調(diào)節(jié)壓力的目的。輸出壓力信號在傳感器顯示屏上的讀數(shù)每秒鐘更新一次。

1.2.2 微重力燃燒科學機柜（CIR）

與一號微重力材料科學機柜類似，在微重力燃燒科學綜合機柜中，也設計了專用的真空支持系統(tǒng)，包括排氣通風子系統(tǒng)和氣相色譜子系統(tǒng)。該系統(tǒng)在微重力燃燒科學綜合機柜中扮演著十分重要的角色，是機柜光學安裝板上的一個綜合系統(tǒng)，負責燃燒試驗所需氣體的檢測、供應及對廢氣排放的控制。圖5為CIR界面及真空支持系統(tǒng)實物。

圖5 CIR的實物照片及真空支持系統(tǒng)（圖中頂部1/3）Fig.5 The photo of CIR and the vacuum support system(the top 1/3)

排氣通風系統(tǒng)由一個排氣通風包（exhaust/vent package, EVP）、兩臺磁偶極循環(huán)泵、一臺鼓風機、若干傳感器和閥門、一條排氣管道及一條再循環(huán)回路組成。排氣通風包中布置有吸附劑化學層及粒子網(wǎng)孔過濾器。燃燒實驗過程中產(chǎn)生的廢氣以及實驗結(jié)束后留在燃燒室的廢氣需要經(jīng)過處理達到空間站的廢氣排放標準才能排放到廢氣排放子系統(tǒng)中。工作時，鼓風機吹動燃燒廢氣向排氣通風包方向流動，廢氣通過排氣通風包凈化及吸附后，再經(jīng)過氣相色譜進行檢測。當廢氣成分達到空間站廢氣排放標準時，打開排氣管道將其排放到空間站廢氣排放子系統(tǒng)中；當燃燒廢氣達不到排放標準時，啟用兩臺磁偶極循環(huán)泵將廢氣抽回到燃燒室，進行下一次凈化吸附，如此循環(huán)，直至達到排放標準[9-10]。在此過程中，為了增強過濾效果，可增加排氣通風包的數(shù)量。該過程的流程如圖6所示。

圖6 排氣通風系統(tǒng)工作流程Fig.6 Working flowchart of the EVS

氣相色譜系統(tǒng)主要負責檢測氣體組分，判斷燃燒室內(nèi)燃料是否已燃燒及燃燒廢氣是否達到排放標準。燃燒試驗是多種多樣的，產(chǎn)生的廢氣種類也很多，包括甲烷、乙烯、丙醛、正丁醛、癸烷、庚烯、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、水蒸氣等，還包含固體顆粒及其他成分。因此，排氣通風包中的吸附劑化學層及粒子網(wǎng)孔過濾器相應地準備了不同的類型及大小，吸附劑材料包括固體氫氧化鋰、活性炭、硅膠及分子篩等，并使用不同的凈化法，如分子篩選法、接觸氧化法等。排氣通風包設計為與機柜安裝板活動連接，以便應對不同廢氣吸附及凈化時的更換及升級。

2 我國空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的初步方案設想

2.1 實驗艙級真空支持系統(tǒng)

我國的空間站建設尚處于起步階段，實驗艙級真空支持系統(tǒng)也仍在方案論證當中，擬采用與國際空間站類似的方案，區(qū)別在于我國空間站將真空維持與廢氣排放合二為一，采用一路真空管路實現(xiàn)真空支持。

與國際空間站相比，我國空間站實驗艙內(nèi)有效載荷機柜的數(shù)量不及一半，對真空支持系統(tǒng)的使用頻率相對較低。按序合理安排各種實驗，可避開不同實驗載荷對真空資源/廢氣排放的需求沖突，達到一路兩用的目的，從而節(jié)約資源、節(jié)省成本。方案構(gòu)成原理見圖7。

圖7 我國空間站實驗艙級真空支持系統(tǒng)構(gòu)成原理Fig.7 Principle of vacuum support system of experiment module class onboard China′s space station

實驗艙級真空支持系統(tǒng)擬設計為 8個機柜中的有效載荷工作室提供0.1 Pa的真空度，為全部標準載荷機柜提供廢氣排放服務。系統(tǒng)與外太空相連，配置電動閥、手動復壓閥與溫度、壓力傳感器及控制器等裝置，并設計必要的安全報警措施。系統(tǒng)常規(guī)操作方式為自動方式，手動操作作為備份。當電網(wǎng)不能正常供電或其他原因致使自動方式失效時，在站人員可臨時進行手動操作。

2.2 有效載荷機柜級真空支持系統(tǒng)

由于管路及氣動元件的流阻，通過連接艙外太空的方式設計的真空支持系統(tǒng)僅可為有效載荷實驗提供粗真空，而高真空獲得有賴于專門設備，必須配置有效載荷機柜級的真空支持系統(tǒng)。

高真空獲得設備的核心部件為一臺渦輪分子泵，可根據(jù)需要將工作室的真空度抽到10-3Pa或者更高。真空泵與工作室之間采用金屬波紋管連接，采用電磁閥進行隔離，管路中設置壓力傳感器。通過合理布局將機組置于系統(tǒng)機柜的抽屜內(nèi)。系統(tǒng)通過機柜操作面板上的控制儀表進行操作。

使用質(zhì)譜儀對排放氣體進行成分分析，對有害氣體進行檢測并配置有害氣體吸附包。吸附包采用物理及化學兩種方法進行氣體過濾，并定期更換。到期的吸附包將被裝入垃圾收集子系統(tǒng)，帶回地面進行處理。

3 結(jié)束語

真空支持系統(tǒng)是空間有效載荷支持系統(tǒng)的重要組成部分，為有效載荷實驗提供必不可少的真空服務。本文從空間實驗艙級和有效載荷機柜級兩個層面入手，概括了國際空間站的真空支持系統(tǒng)，并提出我國空間站真空支持系統(tǒng)的初步方案設想。

我國空間站的建設工作剛啟動不久，有效載荷真空支持系統(tǒng)仍處于方案地面試驗階段。深入研究各系統(tǒng)組成及設計、完成多方案地面試驗是下一步的重點工作。可參考國際空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的設計，汲取其成功經(jīng)驗，在初步地面試驗的基礎上進行系統(tǒng)開發(fā)和研制，必要時進行飛行器搭載試驗，為我國空間站的系統(tǒng)建設奠定基礎。

（References）

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