穩(wěn)壓CO2氣體氛圍火星環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計

陳安然，張立海，臧建伯，馬楷鑌，任 崢，李芳勇

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

火星表面大氣成分為CO2（體積分?jǐn)?shù)95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）和其他痕量氣體，表面平均氣壓在500～700 Pa之間[1]?；鹦潜砻娴臏囟确秶鸀?133～27 ℃，平均約-63 ℃。冬季時，極區(qū)進入永夜，低溫使大氣中多達25%的CO2在極冠沉淀成干冰，到了夏季則再度升華至大氣中，使得在1個火星周年內(nèi)火星大氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)變化幅度最高達26%[2-3]?；鹦翘綔y器在嚴(yán)酷的低氣壓、低溫綜合環(huán)境中工作，對可靠性要求極高，因此有必要在地面對其開展火星環(huán)境模擬試驗驗證[4-6]。

開展火星環(huán)境模擬試驗的主要技術(shù)難題在于如何在模擬火星大氣氛圍和高低溫交變的試驗條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的壓力控制。目前，傳統(tǒng)的環(huán)境模擬設(shè)備一般針對熱真空試驗，模擬產(chǎn)品在真空環(huán)境下、處于不同溫度時的工作特性，以液氮或混合制冷劑作為熱沉工質(zhì)，可實現(xiàn)較低的環(huán)境溫度模擬，但熱沉溫度不可控[7-8]；低壓條件下過低的環(huán)境溫度可能使CO2凝華，無法維持氣態(tài)。以硅油或氣氮為熱沉工質(zhì)時，熱沉溫度可控，但硅油調(diào)溫?zé)岢恋蜏貥O限僅能到達-70 ℃[9]，不能滿足試驗溫度要求。此外，在低溫工況下，真空容器外表面易結(jié)露，會使法蘭電連接器的絕緣電阻下降，影響試驗的安全性。

鑒于以上限制，傳統(tǒng)熱真空環(huán)境模擬試驗設(shè)備難以滿足火星型號任務(wù)的試驗需求。因此，本文擬采用氣氮調(diào)溫間接控制試驗溫度，研制能夠滿足火星表面大氣環(huán)境條件、氣態(tài)CO2氛圍、溫度/壓力可控的環(huán)境模擬系統(tǒng)，為火星探測器部件產(chǎn)品的地面模擬試驗提供保障。

1 火星環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計要求

火星環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)能模擬火星探測器在火星表面著陸、探測過程中產(chǎn)品所處的環(huán)境，故根據(jù)火星表面的實際環(huán)境，確定火星環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計要求：

1）溫度控制范圍為-120～100 ℃，溫度均勻性優(yōu)于±5 ℃；

2）壓力控制范圍為 150～1400 Pa，控制精度優(yōu)于5%；

3）CO2體積分?jǐn)?shù)不低于95%；

4）具有防結(jié)露設(shè)計，以保證系統(tǒng)工作的安全性。

2 火星環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計方案

以氣氮調(diào)溫（溫度控制范圍-150～200 ℃[10]）為主要溫度控制手段，設(shè)計CO2氣體氛圍的火星環(huán)境模擬系統(tǒng)方案如圖1所示，由溫度控制系統(tǒng)、移動壓力控制系統(tǒng)和充/放氣系統(tǒng)3部分組成。試件置于真空罐（φ600 mm×800 mm 臥式，容積 200 L）內(nèi)，罐內(nèi)充入CO2氣體。真空罐置于常壓溫度循環(huán)箱內(nèi)，箱外壁隔熱，箱內(nèi)充入氮氣，在真空罐壁充分換熱和內(nèi)部試件本身不發(fā)熱的條件下，通過調(diào)節(jié)氮氣溫度的方式間接控制真空罐內(nèi)CO2氣體氛圍的溫度。由真空罐向常壓溫度循環(huán)箱外引出抽氣和充氣管路，分別通過抽氣和充氣接口與移動壓力控制系統(tǒng)相聯(lián)。充/放氣系統(tǒng)通過移動壓力控制系統(tǒng)向真空罐內(nèi)充入或抽出一定量的CO2氣體，以維持真空罐內(nèi)的氣壓穩(wěn)定。

圖1 CO2 氣體氛圍火星環(huán)境模擬系統(tǒng)Fig.1 The Mars environmental simulation system with CO2 atmosphere

2.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)主要滿足火星環(huán)境的溫度模擬要求，由常壓溫度循環(huán)箱實現(xiàn)。常壓溫度循環(huán)箱是一套常壓條件下的溫度模擬設(shè)備，箱內(nèi)充入氮氣，通過調(diào)溫程序由工控機實現(xiàn)不同試驗溫度的設(shè)定。氣氮溫度在-150～200 ℃內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可滿足-120～150 ℃的溫控設(shè)計要求；氮氣中不含水蒸氣，可防止真空罐外壁結(jié)露。在真空罐中心截面罐體內(nèi)壁的上下左右布置4個鉑電阻溫度傳感器（量程-150～150 ℃，精度±0.5 ℃，位置參見圖1），用以監(jiān)測真空罐內(nèi)試驗環(huán)境的溫度。試驗過程中氮氣氛圍通過傳導(dǎo)的方式向真空罐及罐內(nèi)CO2氣體傳熱，當(dāng)真空罐內(nèi)溫度測點的溫度變化率低于1.0 ℃/h時，認(rèn)為罐內(nèi)溫度已穩(wěn)定。

2.2 移動壓力控制系統(tǒng)

火星環(huán)境模擬需在交變溫度條件下進行，而高低溫交變會使真空罐內(nèi)的壓力產(chǎn)生波動，因此需要壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)溫度交變過程的穩(wěn)壓控制。

移動壓力控制系統(tǒng)是一套控制機柜可移動的壓力控制系統(tǒng)（參見圖1），包含抽氣管路與充氣管路。抽氣管路由抽氣接口、真空閥和蝶閥組成；充氣管路由充氣接口、充氣閥和流量控制器組成。移動壓力控制系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)向真空罐內(nèi)的充/放氣量，實現(xiàn)罐內(nèi)壓力控制。試驗時，首先開啟抽氣管路，將真空罐內(nèi)壓力抽至 6.65×10-3Pa；之后關(guān)閉抽氣管路，開啟充氣管路，向真空罐內(nèi)充入CO2氣體，以維持特定壓力的CO2氣體氛圍；試驗結(jié)束后，首先調(diào)節(jié)常壓溫度循環(huán)箱內(nèi)的溫度至常溫，待真空罐內(nèi)溫度穩(wěn)定至常溫后，斷開移動壓力控制系統(tǒng)與充/放氣系統(tǒng)間的充氣接口，向真空罐內(nèi)充入空氣至常壓后，打開常壓溫度循環(huán)箱與真空罐，取出試件。真空罐內(nèi)安裝有規(guī)管（量程100～101 325 Pa，精度 3%S.P.，位置參見圖1），用于監(jiān)測罐內(nèi)壓力。

傳統(tǒng)真空環(huán)境試驗的抽氣不考慮抽氣速率，先啟動干泵粗抽至一定壓力（一般為3 Pa）后再啟動精密分子泵繼續(xù)抽氣，直至真空罐內(nèi)滿足試驗要求的真空度。抽氣過程中，需要人為調(diào)節(jié)干泵出口放空閥的開度來控制抽氣流量，維持抽速穩(wěn)定，具有一定的滯后性，壓力波動范圍大，且容易超調(diào)，對人員操作精度要求高，有時還需要組織預(yù)試驗，影響試驗進度?；鹦翘綔y任務(wù)型號的環(huán)境試驗往往持續(xù)5～7天，且對壓力控制精度要求較高，傳統(tǒng)熱真空試驗的抽氣方式難以滿足試驗的壓力控制要求。另外，由于火星環(huán)境下氣體壓力低、熱容小，密閉空間內(nèi)環(huán)境溫度的變化可能會使氣體壓力產(chǎn)生波動，需要實時進行必要的充/放氣量調(diào)節(jié)控制，維持氣體氛圍的壓力穩(wěn)定。

為了滿足對抽氣速率的控制，在抽氣支路上增加可程序控制開度的蝶閥（VAT-DN25），其位置控制能力為20 000步，開度設(shè)置為0～100%，分子流態(tài)下流導(dǎo)范圍為 0.01～2.4 L/s，調(diào)節(jié)頻率為 50 Hz。在充氣支路上增加流量控制器（JCHBL4832），其額定流量0.05 L/s，可根據(jù)充氣要求控制充入氣體的體積流量。

假設(shè)要求將真空罐內(nèi)壓力控制為P，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低至P1時（P1與P相差不超過4%），則需要向罐內(nèi)充氣，忽略充氣過程中的溫度變化，將充氣過程視為等溫變化過程，則需充入的氣體體積為

式中V為真空罐容積。設(shè)定充氣時間為t1，則流量控制器需將充氣流量設(shè)定為

當(dāng)真空罐內(nèi)壓力增加至P2時，則需要從真空罐內(nèi)向外抽氣，設(shè)定抽氣時間為t2，且假設(shè)勻速降壓，則tx時刻真空罐內(nèi)的壓力應(yīng)滿足

若tx時刻的罐內(nèi)壓力高于Px，則增大蝶閥開度；若低于Px，則減小蝶閥開度，直至罐內(nèi)壓力降至P。

移動壓力控制系統(tǒng)通過工控機內(nèi)的PID控制程序?qū)崿F(xiàn)自動控制。由于常壓溫度循環(huán)箱無法移動，所以將壓力控制系統(tǒng)設(shè)計成可移動的控制機柜，以方便針對不同設(shè)備進行改造試驗。

2.3 充/放氣系統(tǒng)

充/放氣系統(tǒng)主要用于真空罐的充/放氣，充氣支路由氣瓶、減壓器組成，氣瓶內(nèi)儲存高壓CO2；抽氣支路包括真空手閥和真空泵，真空泵（萊寶SC30D）額定抽速7.3 L/s。抽氣支路通過抽氣接口與移動壓力控制系統(tǒng)的抽氣管路相聯(lián)，試驗開始時，打開真空手閥；當(dāng)真空罐需要抽氣時，由工控機發(fā)出程序指令啟動真空泵，否則真空泵不工作；試驗結(jié)束后，關(guān)閉真空手閥。充氣支路通過充氣接口與移動壓力控制系統(tǒng)的充氣管路相聯(lián)，試驗開始時，打開高壓氣瓶的排氣閥門，調(diào)節(jié)減壓器的排氣壓力，使其能夠向外穩(wěn)定排氣；試驗結(jié)束后，關(guān)閉高壓氣瓶的排氣閥門。

3 系統(tǒng)運行過程

試驗時，首先將真空罐內(nèi)壓力抽至6.65×10-3Pa后，向真空罐內(nèi)充入滿足試驗壓力要求的CO2氣體，然后將常壓溫度循環(huán)箱的模擬溫度設(shè)定為試驗要求值，使真空罐溫度達到試驗要求的溫度，并保持試驗要求的持續(xù)時間；之后再將常壓溫度循環(huán)箱的模擬溫度設(shè)定為下一個循環(huán)溫度，使真空罐溫度達到試驗要求并維持試驗要求的持續(xù)時間。如此循環(huán)，直至試驗結(jié)束。其間，由壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)真空罐內(nèi)壓力始終在滿足試驗要求的范圍內(nèi)。

4 系統(tǒng)運行效果

按前述設(shè)計，組裝、調(diào)試完成CO2氣體氛圍火星環(huán)境模擬系統(tǒng)，并在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所進行了若干項火星探測任務(wù)相關(guān)的部組件級可靠性試驗。下面以氣凝膠在火星環(huán)境下溫度交變試驗為例，介紹系統(tǒng)運行效果。

氣凝膠具有低導(dǎo)熱性、阻燃的優(yōu)點，使用壽命長，是一種廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的隔熱材料。NASA于2013年已確定將采用氣凝膠材料制造火星探險的宇航服[11]。為了保證氣凝膠材料在火星環(huán)境下工作的可靠性，需要模擬具有溫度交變特性的火星環(huán)境，測量氣凝膠在經(jīng)歷溫度交變后的導(dǎo)熱特性和質(zhì)量變化等。試驗過程中不允許在氣凝膠表面粘貼溫度測點，且氣凝膠材料本身不發(fā)熱，因此以環(huán)境溫度作為試件溫度。試驗中將氣凝膠置于真空罐內(nèi)，罐內(nèi)4個溫度測點的測量溫度相差不超過0.5 ℃，取它們的算術(shù)平均值作為試件溫度。試驗要求：高溫極限 77 ℃，容差 0～3 ℃；低溫極限-105 ℃，容差 0～-3 ℃；壓力維持在 (750±30) Pa之間。試驗過程的試件溫度曲線如圖2所示：試件溫度在試驗過程中維持在-107.8～78.3 ℃之間，高溫穩(wěn)定在77～78.3 ℃之間，低溫穩(wěn)定在-107.8～-105 ℃之間，滿足要求。

圖2 試件溫度曲線Fig.2 Cycled high and low temperature of the sample

圖3所示為試驗過程的真空罐內(nèi)壓力變化曲線：從初始真空環(huán)境下充入CO2氣體，直至壓力維持在試驗要求壓力附近，試驗過程中實際壓力控制在 725～775 Pa之間，滿足要求。

圖3 試驗壓力曲線Fig.3 Test pressure against time

5 結(jié)束語

針對火星環(huán)境特點，設(shè)計研制了一套溫度/壓力可控、CO2氣體氛圍、可滿足火星表面大氣環(huán)境模擬要求的試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了罐體結(jié)露、CO2壓力隨溫度振蕩的問題，實現(xiàn)了在較大溫度交變試驗條件下，CO2氣壓的穩(wěn)定控制和氣體狀態(tài)維持，滿足了火星探測任務(wù)型號的試驗要求。試驗系統(tǒng)已進行了多個火星探測任務(wù)型號部件產(chǎn)品的環(huán)境試驗，為火星探測任務(wù)的順利開展提供了支持。