用于結(jié)構(gòu)與機構(gòu)去污染的真空烘烤設(shè)備

李 威，孫 凱

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海市空間飛行器機構(gòu)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(wèi)星因污染影響而性能下降或失效?？梢?，污染已經(jīng)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(yīng)的控制和防護措施[1-2]。

材料的真空放氣產(chǎn)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(fā)性物質(zhì)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(shù)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(shè)備，并制定烘烤技術(shù)流程，對哈勃望遠鏡等諸多光學(xué)系統(tǒng)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(yīng)的真空烘烤設(shè)備[4]。

本文針對某些衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)與機構(gòu)產(chǎn)品的污染控制，專門研制了真空烘烤設(shè)備，并對該設(shè)備的主要性能指標、系統(tǒng)組成及使用功能做了詳細的介紹。

1 真空烘烤設(shè)備的主要設(shè)計指標及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 主要設(shè)計指標

試驗有效空間為直徑630 mm、長1000 mm 的圓柱形區(qū)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(shè)備組成

用于結(jié)構(gòu)與機構(gòu)污染物清除的真空烘烤設(shè)備由真空容器、熱沉系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、去污染系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成，見圖1。

2 真空烘烤設(shè)備的各系統(tǒng)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(gòu)為鉸鏈結(jié)構(gòu)。根據(jù)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(nèi)環(huán)縫氬弧焊，焊后真空容器內(nèi)壁要求拋光，表面粗糙度達▽0.8。使用氦質(zhì)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(cè)分別設(shè)有一個φ150 mm 的觀察窗，內(nèi)部設(shè)置照明燈。

2.1.2 熱沉系統(tǒng)

熱沉系統(tǒng)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(gòu)成一個φ950 mm×1500 mm 的有效空間。

1）主熱沉

主熱沉結(jié)構(gòu)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(guān)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(zhuǎn)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(fā)裂紋 的產(chǎn)生甚至導(dǎo)致應(yīng)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(jié)構(gòu) Fig.2 The structure of main heat sink

主熱沉外側(cè)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(dǎo)軌滑動推入真空容器內(nèi)，并用螺栓固定在導(dǎo)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(shè)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(fā)物，防止其凝結(jié)在烘烤筒體的內(nèi)壁上。底部熱沉為翅片盤管式結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 底部熱沉結(jié)構(gòu) 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(yīng)≤5× 10-9Pa·m3/s。

熱沉內(nèi)表面涂無光專用黑漆，并保證漆層表面太陽吸收率≥0.93、發(fā)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(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

真空抽氣系統(tǒng)由粗真空泵、高真空泵和相應(yīng)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(tǒng)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(nèi)可以達到10-3Pa 的真空度，低溫泵在高真空和低溫狀態(tài)下工作，可以很快到達極限真空；二是低溫泵在高真空狀態(tài)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(tǒng)主泵抽氣能力計算如下[7]：

1）主泵抽氣口的流導(dǎo)

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

插板閥流導(dǎo)為C2= 51 000 L/s。

總流導(dǎo)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(jù)設(shè)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(tǒng)

1）液氮系統(tǒng)

此設(shè)備采用開式沸騰流程，在室外設(shè)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(wěn)定。液氮在熱沉內(nèi)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(tǒng)

試驗結(jié)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(fù)溫的熱氮氣，一路為供真空容器復(fù)壓的常溫氮氣。

熱沉復(fù)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(xiàn)熱沉的復(fù)溫。

真空容器復(fù)壓：將常溫氮氣通入真空容器，并通過調(diào)節(jié)閥控制進氣流量，將復(fù)壓時間控制在5～30 min 范圍內(nèi)。

2.4 去污染系統(tǒng)

去污染系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為烘烤筒，是由屏蔽保溫罩與加熱籠組合而成的圓筒狀結(jié)構(gòu)，其兩端開口，安裝在液氮熱沉內(nèi)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(nèi)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(nèi)部溫度高于試件溫度，以防止試件釋放出來的污染物凝結(jié)在烘烤筒的內(nèi)壁上。污染物被真空系統(tǒng)抽出，或者凝結(jié)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(fā)物凝結(jié)在烘烤筒的內(nèi)壁。

該烘烤筒內(nèi)部裝有導(dǎo)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(xù)通液氮，以吸附試件釋放出的揮發(fā)物。系統(tǒng)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(tǒng)

用工控機和可編程序控制器實現(xiàn)真空系統(tǒng)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?？刂葡到y(tǒng)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(tài)曲線顯示壓力、溫度等測量參數(shù)及輸出打印等功能。

系統(tǒng)面板圖可以用動作、顏色顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及容器內(nèi)的壓力。

3 試驗測試

將結(jié)構(gòu)與機構(gòu)產(chǎn)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(tài)，且熱沉溫度≤100 K 時，測量容器真空度優(yōu)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(fā)量監(jiān)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(jīng)65 min 后為4.553 7× 10-7g/cm2，變化量為-6×10-11g/cm2，并趨于穩(wěn)定，單位時間內(nèi)揮發(fā)量已經(jīng)變得很小。由此可見，該套設(shè)備具備有效的烘烤去污染能力。

該套設(shè)備可以進行±100 ℃范圍內(nèi)的熱真空試驗，試驗過程中真空度優(yōu)于1.0×10-3Pa，控溫精度優(yōu)于±0.5 ℃。此外，該套設(shè)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(jié)束語

用于結(jié)構(gòu)與機構(gòu)污染物去除的真空烘烤設(shè)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(chǎn)品。自投入使用以來，設(shè)備運行狀況良好，利用率較高，已成功完成了多次結(jié)構(gòu)與機構(gòu)產(chǎn)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(yōu)化研究，以更好地服務(wù)于航天器研制過程中的污染控制。

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