大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)配置策略研究

1、1概述大型空間環(huán)境模擬設(shè)備主要用于整星級(jí)或飛船級(jí)等航天器地面熱平衡，熱真空測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫控設(shè)計(jì)的正確性及其對(duì)太空環(huán)境的正確性。真空環(huán)境模擬10-210-6Pa：真空泵組、真空閥門(mén)、真空測(cè)量?jī)x器、其余氣體分析儀器等；冷黑環(huán)境模擬：熱沉，液氮、氣氮系統(tǒng)?；旌瞎べ|(zhì)制冷。復(fù)制冷等。目前世界上有幾十臺(tái)大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，分布在美國(guó)航空航天局（NASA）、俄羅斯、歐洲空間局、中國(guó)、日本、以滿(mǎn)足大型應(yīng)用衛(wèi)星及載人航天器空間環(huán)境試驗(yàn)的需要。國(guó)外大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備N(xiāo)ASAGRCSPFSPF空間環(huán)境模擬設(shè)備容器尺寸，直徑30.5m，高37.2m，體積為22653m3，安裝有活動(dòng)熱沉，

2、低溫可至110K，最終真空度可達(dá)到1X10-4Pa。NASAJSCChamberA真空系統(tǒng)原配置為18套35英寸擴(kuò)散泵；為了適應(yīng)韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的試驗(yàn)需求，對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性改造，改造后的真空配置為12套48英寸的低溫泵，并配備6套14英寸分子泵；A改造后的分子泵可以在更高壓力下啟動(dòng)，分子泵和低溫泵前級(jí)采用原擴(kuò)散泵前級(jí)泵進(jìn)行抽氣，但在前級(jí)泵加裝液氮擋板防止返油；改造后的真空系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1.5X10-2Pa的常溫極限真空度，在熱沉通液氮的狀態(tài)下真空度優(yōu)于2.5X10-5Pa,啟動(dòng)液氦熱沉后最終極限真空度優(yōu)于3.0X10-6Pa；ESAESTECLSS真空系統(tǒng)采用全無(wú)油真空系統(tǒng)配置；粗抽機(jī)組包括3

3、套羅茨粗抽機(jī)組，每套抽速為20000m3/h；底真空系統(tǒng)配備4套抽速為8000m3/h的渦輪分子泵和2套抽速為48m3/s的屏蔽低溫泵；真空系統(tǒng)可在2小時(shí)30分鐘內(nèi)將容器抽至100Pa以下，6小時(shí)內(nèi)抽至5Pa以下，12小時(shí)內(nèi)抽至7X10-2Pa以下，18小時(shí)內(nèi)抽至10-4Pa以下，極限真空度優(yōu)于7X10-5Pa；LSS空間環(huán)境模擬設(shè)備是歐洲最大的單體真空容器,真空容器形式為臥式的結(jié)構(gòu)；LSS真空容器有效尺寸：直徑10m，高15m，容積2300m3；容器的溫度范圍為100K353K；國(guó)內(nèi)大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備KM6空間環(huán)境模擬器（1998年）KM6空間環(huán)境模擬設(shè)備是中國(guó)為載人航天建造的基礎(chǔ)設(shè)施

4、，由主模擬室、輔助模擬室、副模擬室三艙組合、丁字形結(jié)構(gòu)；設(shè)備試驗(yàn)有效空間，主模擬室直徑10.5m，高16.9m,輔助模擬室為直徑6.8m，長(zhǎng)9m，副模擬室為直徑4.2m，長(zhǎng)9m；主輔容器的容積3200ms,極限真空度達(dá)到4.5X10-6Pa,熱沉溫度低于100K粗抽真空系統(tǒng)由4套抽速為5000L/S的羅茨機(jī)械機(jī)組及配套的液氮冷阱等設(shè)備，可在3.5h內(nèi)將容器抽至1Pa以下；高真空系統(tǒng)由容器采用8套自研氦制冷機(jī)低溫泵組成，每套抽速可達(dá)50000L/S，可在啟動(dòng)高真空抽氣后3.5h內(nèi)將容器真空度降至3X10-5Pa以下；真空系統(tǒng)配備3套抽速為2200L/S的渦輪分子泵用于完成過(guò)渡抽氣和系統(tǒng)檢漏。KM

5、7空間環(huán)境模擬器（2011年）KM7空間環(huán)境模擬器是我國(guó)首套大型臥式空間環(huán)境模擬設(shè)備；A真空容器設(shè)計(jì)為臥式結(jié)構(gòu)，容器尺寸為©9mX9m，總?cè)莘e約為800m3；內(nèi)部熱沉尺寸為08.5mX9m，熱沉溫度低于100K；設(shè)備空載累計(jì)污染率小于1X10-7g/cm2。真空系統(tǒng)采用全無(wú)油真空系統(tǒng)配置；粗抽真空系統(tǒng)主要由4套羅茨泵干泵機(jī)組組成，單套機(jī)組的名義抽速為1830m3/S；粗抽系統(tǒng)可在3小時(shí)內(nèi)將容器內(nèi)壓力抽至5Pa；高真空系統(tǒng)主抽泵由3臺(tái)制冷機(jī)型低溫泵組成，單臺(tái)抽速為60000L/S；在熱沉通液氮的情況下，容器的真空度低于6.5X10-4Pa。KM7A空間環(huán)境模擬器（2015年）KM7A空

6、間環(huán)境模擬器是國(guó)內(nèi)最大的臥式結(jié)構(gòu)空間環(huán)境模擬器；由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研制，于2015年投入使用；A容器為臥式結(jié)構(gòu)，直筒段長(zhǎng)度為12m，直徑10m，總體積約1200m3；主要用于二代導(dǎo)航衛(wèi)星的整星真空熱環(huán)境模擬測(cè)驗(yàn)任務(wù)。粗抽系統(tǒng)采用4套干泵+羅茨泵+羅茨泵三級(jí)粗抽機(jī)組配置，每套機(jī)組名義抽速大于4000m3/h,可在4h內(nèi)將容器從常壓抽至5Pa；高真空系統(tǒng)主要由4套變頻一級(jí)制冷DN1250大口徑低溫泵組成;低溫再生系統(tǒng)采用干泵+分子泵的設(shè)計(jì)方式，可以實(shí)現(xiàn)低溫泵泵腔內(nèi)壓力達(dá)到10-1Pa，使低溫泵性能最優(yōu)化；分子泵系統(tǒng)配置4臺(tái)抽速不小于3200L/s的磁懸浮分子泵；KM8空間環(huán)境模擬器（20

7、16年）KM8空間環(huán)境模擬器是我國(guó)容積最大。自動(dòng)化程度最高的空間環(huán)境模擬器，主要用于滿(mǎn)足我國(guó)載人航天空間研制任務(wù)；AKM8空間環(huán)境模擬器綜合試驗(yàn)系統(tǒng)為立式容器結(jié)構(gòu)，直徑17m，高度32m，總?cè)莘e約6000m3；A主要包括真空容器、真空系統(tǒng)、熱沉、氮系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、試驗(yàn)工裝系統(tǒng)等分系統(tǒng)；A主要技術(shù)指標(biāo)：（1）真空容器：直徑17m，高度32m；（2）熱沉溫度：100K；(3) 空載極限真空：10-6Pa；(4) 數(shù)據(jù)采集通路：3500路；主要應(yīng)用方向：研制完成后將承擔(dān)載人航天空間站、基于東五平臺(tái)的大型通信衛(wèi)星大型遙感衛(wèi)星等各型號(hào)熱平衡。熱真空試驗(yàn)；A粗抽系統(tǒng)由8套干泵+羅茨泵+羅茨泵二級(jí)組成機(jī)組，

8、8套粗抽機(jī)組總的抽速約12600L/S,4h內(nèi)將容器從常壓抽至5Pa以?xún)?nèi)；配置8套抽速約為3200L/s的分子泵；清潔無(wú)油真空系統(tǒng)航天器地面模擬試驗(yàn)對(duì)污染效應(yīng)的嚴(yán)格控制，真空系統(tǒng)配置逐步穩(wěn)向無(wú)油真空環(huán)境；國(guó)外建造時(shí)間較早的設(shè)備也相應(yīng)的進(jìn)行了適應(yīng)性改造，例如美國(guó)SFF與JSCChamberA為了適應(yīng)新型試驗(yàn)需求，均將原有的擴(kuò)散泵改為清潔無(wú)油的低溫泵系統(tǒng)；未來(lái)空間環(huán)境模擬的清潔真空環(huán)境獲得是主流趨勢(shì)；現(xiàn)階段我國(guó)大型空間環(huán)境模擬設(shè)備清潔高真空的獲得一般都采用以低溫泵為主抽泵，以羅茨泵加干泵機(jī)組作為粗抽系統(tǒng)的無(wú)油配置真空抽氣配置優(yōu)化大型空間環(huán)境模擬設(shè)備采用低溫泵滿(mǎn)足獲得清潔真空大抽速的要求，具備極佳的

9、性?xún)r(jià)比；在試驗(yàn)過(guò)程中有較多的輕質(zhì)氣體時(shí)采用對(duì)象，氫等氣體有較大抽速的輔助泵進(jìn)行抽氣，一般配置分子泵系統(tǒng)作為該類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備的過(guò)渡抽氣和重要補(bǔ)充，若系統(tǒng)配置不當(dāng)則直接影響試驗(yàn)，如“神舟”二號(hào)飛船的試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)中由于泄漏惰性氣體，電源系統(tǒng)中氫氣泄漏，使真空度下降；粗抽機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化配置，綜合考慮抽氣性能與實(shí)現(xiàn)成本，優(yōu)化各級(jí)機(jī)組氣體壓縮配比，在整個(gè)工作壓強(qiáng)范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的抽速和完好的真空性能；輔助設(shè)備提升能力對(duì)于因建造成本等原因而使用油擴(kuò)散泵，油介質(zhì)機(jī)械泵等抽氣設(shè)備時(shí)，為避免油氣返流造成對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的污染，一般在真空容器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(yīng)對(duì)航天器造成的污染；真空系統(tǒng)配

10、置四極質(zhì)譜儀，光譜儀，石英晶體流量天平，溫度與壓力傳感器，可凝物質(zhì)沉積率測(cè)試等輔助儀器實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)真空環(huán)境的多手段監(jiān)控。清潔無(wú)油國(guó)內(nèi)以近期建設(shè)完成的KM8、KM7A為代表的大型試驗(yàn)設(shè)備從設(shè)計(jì)到設(shè)備選型及最終安裝調(diào)試過(guò)程，選用低溫泵、分子泵、羅茨泵螺桿泵機(jī)組等無(wú)油工藝設(shè)備，并在全過(guò)程嚴(yán)格進(jìn)行污染控制，通過(guò)殘余氣體分析及污染量測(cè)試分析結(jié)果表明，真空環(huán)境滿(mǎn)足各類(lèi)型號(hào)的清潔無(wú)油的試驗(yàn)需求。超高真空環(huán)境獲得對(duì)于大型空間環(huán)境模擬設(shè)備，真空系統(tǒng)一般配置液氮抽氣冷板或熱沉完成對(duì)容器的輔助抽氣；對(duì)于大型空間環(huán)境模擬設(shè)備的超高真空環(huán)境獲得，可通過(guò)配置氦抽速冷板，內(nèi)置深冷泵的方式獲得更高的真空度，如KM6空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)

11、備，ESIEC的LSS空間環(huán)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(huán)境；抽氣能力強(qiáng)我國(guó)大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理配置泵組配比喻布局，具有較高的抽氣能力。如KM8空間環(huán)境模擬器，KM6空間環(huán)境模擬器均可在3.5小時(shí)內(nèi)將真空度抽至5Pa以下，空載極限真空度達(dá)到10-6Pa量級(jí)的超真空范圍，并配備自動(dòng)漏率測(cè)試及殘余氣體分析等功能。專(zhuān)利設(shè)計(jì)優(yōu)化配置細(xì)節(jié)大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)配置多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)的工藝設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的優(yōu)化配置。KM8大型空間環(huán)境模擬設(shè)備配置了專(zhuān)利設(shè)計(jì)的真空絕熱儲(chǔ)液式液氮冷阱，可在大氣狀態(tài)下即可通入液氮，用于冷凝獲油蒸汽、水蒸氣，從而獲得潔凈真

12、空環(huán)境，降低粗抽機(jī)組氣體負(fù)荷；復(fù)壓系統(tǒng)配置專(zhuān)利設(shè)計(jì)的內(nèi)置式復(fù)壓散流器，可在不不影響復(fù)壓速率，不占用真空室內(nèi)部空間的條件下，消除高速直射氣流對(duì)真空室內(nèi)部的試件、罐內(nèi)結(jié)構(gòu)的直接沖擊；復(fù)壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)同時(shí)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換，空氣/氮?dú)鈴?fù)壓切換。速率手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)等多種功能。結(jié)束語(yǔ)：我國(guó)現(xiàn)有大型空間環(huán)境模擬設(shè)備的建成及使用極大提升大型航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)的能力，在真空度、熱沉溫度、自動(dòng)化程度等方面已接近或超過(guò)國(guó)外大型空間環(huán)境模擬設(shè)備水平，為空間站核心艙、實(shí)驗(yàn)艙及后續(xù)大型航天器發(fā)射提供有力保障。隨著載人航天，火星探索等國(guó)家重大空間探索項(xiàng)目的穩(wěn)步實(shí)施，以及“十三五”新型號(hào)立項(xiàng)的開(kāi)展，在大型空間環(huán)境模擬設(shè)

13、備還將有更多的功能需求。真空系統(tǒng)作為大型空間環(huán)境模擬設(shè)備不可或者缺的分系統(tǒng)，需要在特殊氣體抽除，大口徑低溫泵研制、氣壓控制、真空度精確測(cè)量方面加強(qiáng)研究工作。大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)配置策略研究摘要：空間環(huán)境模擬器是用于模擬空間真空、冷黑和空間外熱流環(huán)境的試驗(yàn)裝置。如何對(duì)空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)大空間真空環(huán)境的快速獲得和保持，是決定空間環(huán)境模擬器性能的重要因素。分別對(duì)國(guó)內(nèi)外大型空間環(huán)境模擬器的真空系統(tǒng)配置進(jìn)行介紹，并對(duì)各自的真空系統(tǒng)配置策略與技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)的研究，其真空系統(tǒng)配置策略一般包括：清潔無(wú)油真空系統(tǒng)、分子泵系統(tǒng)作過(guò)渡抽氣、對(duì)于因建造

14、成本等原因而使用油擴(kuò)散泵、油介質(zhì)機(jī)械泵等抽氣設(shè)備時(shí)，為避免油氣返流造成對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的污染，一般在真空容器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(yīng)對(duì)航天器造成的污染、對(duì)于大型空間環(huán)境模擬設(shè)備，真空系統(tǒng)一般配置液氮抽氣冷板或熱沉完成對(duì)容器的輔助抽氣，對(duì)于大型空間環(huán)境模擬設(shè)備的超高真空環(huán)境獲得，可通過(guò)配置氦抽氣冷板的方式獲得更高的真空度，如KM6空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、ESTEC的LSS空間環(huán)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(huán)境。關(guān)鍵詞：空間環(huán)境模擬真空系統(tǒng)清潔無(wú)油真空參考文獻(xiàn)：1 黃本誠(chéng)，劉國(guó)青，成致祥，等.特大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的超高真空獲得技術(shù)J.真空科學(xué)與技

15、術(shù)，2001,21(1):1-4；2 張春元，許忠旭.大型清潔超高真空獲得初探J.航天器環(huán)境工程,2002,19(1):59-62；3 RogerL.Smith.SpacePowerFacilityReadinessforSpaceStationPowerSystemTesting.February1995,NASATechnicalMemorandum106829；4 GeraldM.Hill,RichardK.Evans.AdvancedDistributedMeasurementsandDataProcessingatTheVibro-AcousticTestFacility,GRCSpacePowerFacility