許發(fā)鐸，孫耀赤，張文革，鄭利杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州　730000）

真空/加壓系統(tǒng)在空間實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

許發(fā)鐸，孫耀赤，張文革，鄭利杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

真空/加壓系統(tǒng)為空間實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)正壓和負(fù)壓交替變化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過(guò)程有兩種工作狀態(tài)，即負(fù)壓和正壓。真空/加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊，真空/加壓系統(tǒng)充分利用了空間真空和微重力環(huán)境，降低了真空/加壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。

空間實(shí)驗(yàn)；真空系統(tǒng)；加壓系統(tǒng)；分子泵

0　引言

低成本、短周期、高性能的發(fā)展空間有效載荷為目前航天發(fā)展的主要趨勢(shì)[1]。隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，推動(dòng)了材料工程、生物工程等學(xué)科的長(zhǎng)足進(jìn)步，這些學(xué)科發(fā)展的同時(shí)需要大量的儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備在空間微重力、高真空、高宇宙輻射等特殊環(huán)境中展開一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于目前航天實(shí)驗(yàn)成本還比較高昂，包括發(fā)射成本、實(shí)驗(yàn)?zāi)茉闯杀?、在軌運(yùn)行成本等，因此，為了降低研究實(shí)驗(yàn)成本，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方面盡可能遵循高集成、高可靠性的原則，一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備盡可能完成多項(xiàng)不同實(shí)驗(yàn)，將專用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備向通用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備靠攏的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，盡可能將一臺(tái)設(shè)備的功能拓展[2]。

真空/加壓系統(tǒng)就是一臺(tái)集成了高真空系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠完成真空實(shí)驗(yàn)、壓力實(shí)驗(yàn)、微重力實(shí)驗(yàn)或三種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)任意組合的空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1　系統(tǒng)要求

真空/加壓系統(tǒng)的目的是通過(guò)空間真空環(huán)境、真空泵及高壓氣瓶等條件為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供高真空（10-2～10-5Pa）環(huán)境和壓力環(huán)境（3×105～4×105Pa），同時(shí)可利用空間微重力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過(guò)程有以下兩種工作狀態(tài)：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)腔抽真空時(shí)：在實(shí)驗(yàn)開始前，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)柜提供的空間真空管道或排廢氣接口，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行真空預(yù)抽，待實(shí)驗(yàn)腔氣壓降至0.3 Pa左右，再利用分子泵對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行進(jìn)一步抽真空，直到滿足實(shí)驗(yàn)要求，最高可達(dá)到10-5Pa；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要保持真空環(huán)境，持續(xù)開啟分子泵，維持實(shí)驗(yàn)腔氣壓在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(duì)實(shí)驗(yàn)腔加壓時(shí)：在實(shí)驗(yàn)開始前，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)柜提供的真空管道或排廢氣接口，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行排氣，在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)的氣體排除干凈之后，打開氣瓶或?qū)嶒?yàn)柜氮?dú)饨涌诘拈y門，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行充氣。當(dāng)氣壓達(dá)到要求之后，關(guān)閉閥門，停止充氣。

根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行真空/加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電源：100 VDC；峰值功耗不大于200 W（持續(xù)時(shí)間不大于1 h）；實(shí)驗(yàn)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(jí)真空接口：0.3 Pa；空間站提供廢氣接口：0.3 Pa（N2必須導(dǎo)回空間站廢氣系統(tǒng)）。

2　系統(tǒng)組成

依據(jù)真空/加壓系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)要求，經(jīng)分析設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)組成原理圖，系統(tǒng)主要分為三個(gè)子系統(tǒng)：抽真空子系統(tǒng)、氣體加注子系統(tǒng)以及控制采集子系統(tǒng)。

圖1　真空與加壓系統(tǒng)組成原理圖

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

實(shí)驗(yàn)腔的真空環(huán)境通過(guò)渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)，渦輪分子泵是靠高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械真空泵。工作壓力范圍在1～10-8Pa。先進(jìn)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(duì)大氣排氣，需要配置前級(jí)泵，并且其主要性能（極限壓力和抽速）都和配置的前級(jí)泵的容量、轉(zhuǎn)速，被抽氣體的種類有關(guān)。為了節(jié)省空間資源和降低能耗，系統(tǒng)中可充分利用空間的真空環(huán)境，省去分子泵的前級(jí)泵。

真空/加壓系統(tǒng)中真空泵的選型是關(guān)鍵，必須根據(jù)使用條件多方面綜合考慮。真空系統(tǒng)選取泵的主要依據(jù)是：（1）空載時(shí)實(shí)驗(yàn)腔所需要達(dá)到的極限真空度；（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所需要的工作真空度；（3）對(duì)真空環(huán)境和空間站廢氣系統(tǒng)環(huán)境無(wú)油污污染。

實(shí)驗(yàn)腔的真空度一定要保證在分子泵最佳抽速壓力范圍之內(nèi)，所需要的分子泵抽速由實(shí)驗(yàn)腔實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放出的氣量、系統(tǒng)漏氣量以及所需要的真空度來(lái)確定。

2.1分子泵抽速計(jì)算

（1）分子泵設(shè)計(jì)計(jì)算條件：實(shí)驗(yàn)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(jì)算[4-5]

根據(jù)實(shí)驗(yàn)腔要求的真空度Pg，實(shí)驗(yàn)腔的總氣體量Q，依據(jù)式（1）計(jì)算分子泵的有效抽速S。

式中：Pg實(shí)驗(yàn)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(jì)算:

式中：Q1為實(shí)驗(yàn)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(shè)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(shù)量為8個(gè)；Q閥門=3.2×10-9Pa·L/s；Q實(shí)驗(yàn)腔=1×10-4Pa·L/s；Q2=1×10-4Pa·L/s。

實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)部深度350 mm，直徑Φ155 mm，材料為不銹鋼；內(nèi)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(dǎo)U的計(jì)算

氣體在管道中流動(dòng)可分為粘滯流、粘滯-分子流和分子流，三種流動(dòng)形式可根據(jù)管道中氣體的平均壓力和管道直徑的乘積來(lái)進(jìn)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(jù)計(jì)算，本系統(tǒng)管道氣流為分子流。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，當(dāng)真空系統(tǒng)的管道長(zhǎng)度L≤20 d管道稱為短管道，管道長(zhǎng)度L＞20 d管道稱為長(zhǎng)管道，得出管道為短管道。

在20℃時(shí)對(duì)空氣分子流在短管道中的流導(dǎo)依據(jù)式（5）計(jì)算：

式中：U為短管分子流流導(dǎo)；U孔為分子流入口孔的流導(dǎo)；U管為分子流時(shí)按長(zhǎng)管計(jì)算的流導(dǎo)。

依據(jù)式（6）計(jì)算分子流入口孔的流導(dǎo)。

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

根據(jù)式（7）計(jì)算分子流長(zhǎng)管道流導(dǎo)。

式中：d為管道直徑0.1 m；L為管道長(zhǎng)度0.316 m；M為氣體摩爾質(zhì)量；T為氣體溫度293 K；R為氣體常數(shù)8.314 J/K·mol。

分子泵的名義抽速Sp由式（8）計(jì)算。

3　工作原理及過(guò)程

3.1初始狀態(tài)

初始狀態(tài)下，閥1～閥6為關(guān)閉狀態(tài)，閥1控制分子泵出氣口的通斷，閥3控制分子泵進(jìn)氣口的通斷、同時(shí)起到加壓狀態(tài)（0.4 MPa）下保護(hù)分子泵的作用，閥2控制實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行高壓放氣和真空保持，閥4、閥5和閥6相應(yīng)控制Ar、O2或N2氣源的供氣通斷，閥3在高壓狀態(tài)（0.4 MPa）下保護(hù)真空電離規(guī)、真空狀態(tài)下打開真空測(cè)量通路，閥7至閥9對(duì)高壓氣源減壓至滿足自鎖閥工作壓力，設(shè)定壓力為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求壓力。

3.2加壓狀態(tài)

（1）當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行N2加注時(shí)：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥5，打開閥6進(jìn)行N2注入，當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí)，壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力反饋至控制單元并關(guān)閉閥6；

（2）當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行Ar加注時(shí)：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥6，打開閥4進(jìn)行Ar注入，當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí)，壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力發(fā)送至控制單元關(guān)閉閥4，同時(shí)氧分壓傳感器檢測(cè)氧分壓，并將檢測(cè)值反饋至控制單元，控制單元控制閥5將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)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(cè)Ar氣瓶和O2氣瓶?jī)?nèi)部壓力，當(dāng)壓力接近減壓閥預(yù)設(shè)壓力后提示更換滿瓶Ar氣瓶或O2氣瓶。

3.3真空狀態(tài)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔需要真空度達(dá)到10-5Pa時(shí)，首先關(guān)閉閥4、閥5、閥6，打開閥2，將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)氣體導(dǎo)回至空間站廢氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)腔壓力降至0.3 Pa，然后關(guān)閉閥2，打開閥1、閥3，并啟動(dòng)分子泵將實(shí)驗(yàn)腔真空度降低并保持在10-5Pa，真空電離規(guī)對(duì)實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)部壓力進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)值反饋到控制單元。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)布局圖

實(shí)驗(yàn)腔既是真空容器，也為壓力容器，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧兩種容器的注意事項(xiàng)。

設(shè)計(jì)應(yīng)遵循6點(diǎn)：（1）為了減少漏氣量和漏孔，焊縫的總長(zhǎng)度盡可能短；（2）避免十字交叉焊縫，焊縫的高度應(yīng)大于殼體厚度的1/3，兩焊縫之間的距離應(yīng)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(shí)驗(yàn)腔加工完成后需進(jìn)行漏率檢驗(yàn)和耐壓實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)腔漏率建議不大于1×10-7Pa·m3/s；實(shí)驗(yàn)腔應(yīng)能承受0.6 MPa的壓力；對(duì)焊縫進(jìn)行100%無(wú)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(shí)驗(yàn)腔材料如表1所示[3]。

表1　各種材料適用的實(shí)驗(yàn)腔

4　結(jié)論

從以上對(duì)真空/加壓系統(tǒng)的應(yīng)用研究得出三個(gè)結(jié)論：

（1）真空加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，可為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供正壓、負(fù)壓、以及正壓負(fù)壓交替的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

（2）一個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體包含真空腔和壓力腔雙重作用，減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量，拓展了功能，使實(shí)驗(yàn)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(huán)境，省去了不必要的冗余設(shè)備，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度從而提高其可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。

[1]張?zhí)炱?小衛(wèi)星領(lǐng)域應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)的評(píng)述[J].真空與低溫，2014（04）187-192.

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

[3]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第三版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[4]劉玉奎.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理[M].北京：新時(shí)代出版社，1988.

[5]劉玉奎.真空過(guò)程計(jì)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(fā)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。