空間真空環(huán)境及其效應(yīng)

空間真空環(huán)境及其效應(yīng)第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1空間真空環(huán)境是指在給定空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，也就是該空間內(nèi)氣體分子密度低于該地區(qū)一個(gè)大氣壓的分子密度。氣壓和分子密度同步變化，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0C，101325Pa）下，氣體的分子密度為2.68701025/m3；真空度為1.3310-4Pa時(shí)，氣體分子密度為3.241016/m3。完全沒(méi)有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對(duì)真空，絕對(duì)真空實(shí)際上是不存在的。第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一真空區(qū)域劃分：根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GB3163-82，真空區(qū)劃分為如下區(qū)段：低真空：105～102Pa（0~50Km)中真空：102～10-1Pa（50~90Km)高真空：10-1～10-5Pa（90~330Km)超高真空：＜10-5Pa（330Km以上)

第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一空間真空度隨高度變化情況海平面：101308Pa100km,2.64×10-2Pa;500km,9.52×10-8Pa200km,7.50×10-5Pa;600km,4.12×10-8Pa300km,5.96×10-6Pa;700km,1.85×10-8Pa400km,8.69×10-7Pa;800km,1.03×10-8Pa

第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1200km處,大氣壓力10-9Pa；10000km處,大氣壓力為10-10Pa；月球表面大氣壓力為10-10Pa～10-12Pa，大約相當(dāng)于有100個(gè)氫分子/cm3;銀河系星際大氣壓力為10-13Pa～10-18Pa。第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一真空測(cè)量單位真空度通?？梢杂脡簭?qiáng)表示，壓強(qiáng)為氣體分子作用在單位面積上的力的法向分量。（1）國(guó)際單位通常用壓力單位Pa（帕）表示，1Pa為1m2面積上作用1N的力，即：1Pa=1N/m2（2）高斯單位通常用壓力單位Tor（托）表示，1Tor=133Pa第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、壓力差效應(yīng)壓力差效應(yīng)在105Pa～102Pa的真空范圍內(nèi)發(fā)生。壓力差效應(yīng)會(huì)使密封艙變形或損壞，因此增大了貯罐中液體或氣體的泄漏，縮短了使用時(shí)間。真空環(huán)境下的泄漏故障約５０％的重大故障與真空環(huán)境泄漏有關(guān)。１９７１年６月３０日蘇聯(lián)“聯(lián)盟”１１號(hào)飛船的３名航天員返回地面時(shí)，因返回艙真空室漏氣均窒息死亡。2.2真空環(huán)境效應(yīng)第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一據(jù)統(tǒng)計(jì)，因真空環(huán)境下泄漏，全世界至少有２０枚火箭發(fā)生爆炸。其中：有造成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)提前關(guān)機(jī)或未能二次點(diǎn)火；有火箭升空后未達(dá)到預(yù)定推力，衛(wèi)星偏離軌道不能入軌；有火箭升空后引起爆炸，星箭自毀等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界至少有８顆衛(wèi)星因泄漏而發(fā)射失敗，１０多顆衛(wèi)星產(chǎn)生重大故障而縮短壽命或未達(dá)到使用功能。我國(guó)也有５顆衛(wèi)星因泄漏而產(chǎn)生故障。第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、真空放電效應(yīng)真空放電效應(yīng)發(fā)生在103Pa～10-1Pa低真空范圍。當(dāng)電極之間發(fā)生自激放電時(shí)稱為電擊穿。對(duì)于航天器發(fā)射上升階段必須工作或通電的電子儀器，應(yīng)防止任何放電的可能。（短路故障）當(dāng)真空度達(dá)到10-2Pa或更高時(shí)，在真空中分開(kāi)一定距離的兩塊金屬表面受到具有一定能量的電子碰撞時(shí)，會(huì)從金屬表面激發(fā)出更多的次級(jí)電子，形成微放電。（電弧放電故障）第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一金屬由于發(fā)射次級(jí)電子而受到侵蝕，電子碰撞會(huì)引起溫度升高，而使附近氣體壓力升高，甚至?xí)斐蓢?yán)重的電暈放電。射頻空腔波導(dǎo)管等裝置有可能由于微放電而使其性能下降，甚至產(chǎn)生永久性失效。電子元器件故障或失效第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、真空出氣效應(yīng)當(dāng)真空度高于10-2Pa時(shí)，氣體會(huì)不斷地從材料表面釋放出來(lái)。這些氣體的來(lái)源是：①原先在材料表面吸附的氣體，在真空狀態(tài)下從表面脫附；②原先溶解于材料內(nèi)部的氣體，在真空狀態(tài)下從材料內(nèi)部向真空邊界擴(kuò)散，最后在界面上釋放，脫離材料；第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一③滲透氣體通過(guò)固體材料釋放出來(lái)分子污染航天器材料在空間真空環(huán)境下出氣，通過(guò)分子流動(dòng)和物質(zhì)遷移而沉積在航天器其他部位上造成的污染，稱為分子污染。嚴(yán)重的分子污染會(huì)降低觀察窗和光學(xué)鏡頭的透明度，改變熱控涂層的性能，減少太陽(yáng)能電池的光吸收率，增加電器元件的接觸電阻等。第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、材料蒸發(fā)升華和分解效應(yīng)材料在空間真空環(huán)境下的蒸發(fā)、升華和分解都會(huì)造成材料組分的變化，引起材料質(zhì)量損失（簡(jiǎn)稱質(zhì)損），造成有機(jī)物的膨脹，改變材料原有性能如熱物理性能和介電性能等。一般質(zhì)損1%～2%時(shí)，材料的宏觀性質(zhì)無(wú)重大變化；但質(zhì)損達(dá)１０％時(shí)，材料性質(zhì)出現(xiàn)明顯的變化。因此，一般把每年質(zhì)損小于１０％作為航天器材料的標(biāo)準(zhǔn)。第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一航天器表面材料不均勻的升華，引起表面粗糙，使航天器表面光學(xué)性能變差。在高真空下材料的內(nèi)、外分界面可能變動(dòng)，引起材料機(jī)械性能的變化。由于蒸發(fā)缺少氧化膜或其他表面保護(hù)膜，因而可能改變材料表面的適應(yīng)系數(shù)及表面輻射率，顯著改變材料的機(jī)械性能、蠕變強(qiáng)度和疲勞應(yīng)力等。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、粘著和冷焊效應(yīng)粘著和冷焊效應(yīng)一般發(fā)生在10－７Pa以上的超高真空環(huán)境下。發(fā)生機(jī)理：在真空中固體表面的吸附氣膜、污染膜以致氧化膜被部分或全部清除，從而形成清潔的材料表面，使表面之間出現(xiàn)不同程度的粘合現(xiàn)象，稱為粘著。如果除去氧化膜，使表面達(dá)到原子潔凈程度，在一定壓力負(fù)荷和溫度下，可進(jìn)一步整體粘著，即引起冷焊。冷焊發(fā)生三要素：高真空、相同金屬材料、壓力第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一危害：活動(dòng)部件、支承、傳動(dòng)、觸點(diǎn)部位都可能出現(xiàn)故障。冷焊將加速軸承的磨損，減少其工作壽命，使電機(jī)滑環(huán)、電涮、繼電器和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接觸不良，天線或重力梯度桿展不開(kāi)，太陽(yáng)電池陣板、散熱百葉窗打不開(kāi)等。防止冷焊的措施：選擇不易發(fā)生冷焊的配偶材料，在接觸表面涂覆固體潤(rùn)滑劑或設(shè)法補(bǔ)充液體潤(rùn)滑劑，涂覆不易發(fā)生冷焊的材料膜層（碳化鎢涂層）。第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6、真空環(huán)境下的熱輻射效應(yīng)在空間真空環(huán)境下，航天器與外界的傳熱主要通過(guò)輻射形式，因此，航天器表面的輻射特性對(duì)航天器的溫度控制起著重要作用，為了使航天器保持在允許的熱平衡溫度下，航天器的熱設(shè)計(jì)必須考慮空間真空環(huán)境下傳熱以輻射與接觸傳熱為主導(dǎo)的效應(yīng)。第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.1分類：物理模擬是指模擬空間的實(shí)際真空環(huán)境。效應(yīng)模擬是指空間真空環(huán)境模擬試驗(yàn)與空間真空環(huán)境試驗(yàn)的一致性.數(shù)值模擬是用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)。2.3真空環(huán)境模擬技術(shù)第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.2真空容器：1.結(jié)構(gòu)形式：圓柱、箱形、球、圓錐圓柱：強(qiáng)度、材料消耗、空間利用率、制造性等綜合性能好。小型罐：0~2m直徑中型罐：2~6m直徑大型罐：6m以上直徑2.材料：不銹鋼

1Cr18Ni9第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一KM6空間模擬器真空容器由三個(gè)容器組成：主容器（立式）：直徑12m，高22.4m輔容器（臥式）：直徑7.5m，長(zhǎng)15m載人試驗(yàn)艙：直徑5m，長(zhǎng)15m總?cè)莘e：3200m3總質(zhì)量：420t第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.尺寸：DM：模擬器有效直徑，DV：航天器特征尺寸δ1：試驗(yàn)誤差，設(shè)定3%ε1：熱沉發(fā)射率，取0.9熱沉：對(duì)光、熱、氣體分子有強(qiáng)吸收能力的能夠模擬空間冷黑環(huán)境的結(jié)構(gòu)，用銅、鋁、不銹鋼制造，表面黑色。第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一模擬器與航天器特征尺寸比的確定采用太陽(yáng)模擬方法：3

采用紅外模擬方法：1.5

采用接觸式電加熱法：2~3KM6模擬器：飛船3空間站2.3美國(guó)：1.5~2.5約翰遜試驗(yàn)中心：A容器1.9~2.6B容器1.6~2.2

第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.3真空抽氣系統(tǒng)：

要求：空間環(huán)境模擬室具有體積大、環(huán)境清潔、放氣量大、真空度高、抽氣速度要求快等特點(diǎn)，因此對(duì)配置和選擇真空泵的方法、真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、真空材料的選擇，都有所不同，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出更高的要求

真空抽氣系統(tǒng)的選擇：（1）小型熱真空罐：真空度優(yōu)于10-4Pa，前級(jí)用機(jī)械泵，低溫泵、分子泵或油擴(kuò)散泵，（2）大型環(huán)境模擬器：真空度優(yōu)于10-4Pa，前級(jí)用機(jī)械泵，用低溫泵，避免油污染。第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一真空抽氣系統(tǒng)的選擇：（3）冷焊、干摩擦試驗(yàn)設(shè)備：真空度優(yōu)于10-7Pa，用低溫泵、分子泵，無(wú)油抽氣（4）發(fā)動(dòng)機(jī)羽流污染試驗(yàn)設(shè)備：真空度優(yōu)于10-5Pa，要求大抽速，用低溫泵、油擴(kuò)散泵。（5）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)設(shè)備：真空度優(yōu)于10-4Pa，用空氣引射泵、擴(kuò)壓器、油擴(kuò)散泵、低溫泵，試驗(yàn)真空下點(diǎn)火、燃燒、再啟動(dòng)性能（6）航天員訓(xùn)練艙：真空度優(yōu)于10-2Pa，用水環(huán)泵、羅茨泵、機(jī)械泵第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一機(jī)械泵：有葉片式、螺桿式、柱塞式等，價(jià)格低油擴(kuò)散泵：利用低壓、高速油蒸汽射流原理的真空泵，抽速大德國(guó)機(jī)械泵油擴(kuò)散泵第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分子泵：利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動(dòng)量傳給氣體分子，使分子獲得速度后排出。無(wú)污染。低溫泵：利用低溫表面冷凝氣體而獲得真空的原理，無(wú)污染、真空度大。羅茨泵：旋轉(zhuǎn)式變?nèi)莘e真空泵（羅茨風(fēng)機(jī)）。第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電離真空計(jì)、熱偶真空計(jì)、壓阻真空計(jì)、B-A真空規(guī)、石英真空計(jì)、全量程真空規(guī)真空計(jì)的選擇：（1）105～102Pa壓阻真空計(jì)、靜態(tài)變形式真空計(jì)（2）102～10-1Pa熱偶真空計(jì)（3）10-1～10-4Pa電離真空計(jì)（4）10-4～10-8PaB-A真空規(guī)（5）105～10-7Pa全量程真空規(guī)2.4真空度測(cè)量技術(shù)第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱偶真空計(jì)氣體分子熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)。在一玻璃管殼中支撐一根熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周圍氣體和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導(dǎo)，因而也就決定于氣體壓力。電離真空計(jì)利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計(jì)、冷陰極電離真空計(jì)和放射性電離真空計(jì)等。

第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電離真空規(guī)BA真空規(guī)熱偶真空規(guī)第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一壓力測(cè)量的特殊性1)定向壓力效應(yīng)分子沉：太空的分子密度十分稀薄，從航天器飛出的分子無(wú)碰撞地沉沒(méi)于無(wú)限宇宙空間之中不再返回。所以廣闊的太空是個(gè)具有無(wú)限抽氣速率的“分子沉”。在空間模擬室內(nèi)，真空規(guī)面向試件所測(cè)得的分子流壓力值比面向真空容器壁板所測(cè)得的分子流壓力值高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是分子沉效應(yīng)，因此試驗(yàn)中應(yīng)考慮真空規(guī)管安裝的位置、方向、形式，以真實(shí)反映真空度。第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2)快速真空度測(cè)量在發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火模擬試驗(yàn)中，要求測(cè)出2次點(diǎn)火之間短時(shí)壓力的快速變化。在火箭發(fā)射階段的模擬中，快速測(cè)量壓力變化，其反應(yīng)時(shí)間約為幾百微秒量級(jí)，因此要求高精度、寬量程、高可靠性。3)超音速氣流真空度測(cè)量在低密度級(jí)風(fēng)洞（壓力大于10-2Pa），將會(huì)遇到馬赫數(shù)為1～10的超音速氣流。在太陽(yáng)風(fēng)的模擬中，將會(huì)遇到300km/s～500km/s的超音速等離子體（質(zhì)子加電子），密度約10個(gè)/cm3。第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

航天器中的天線運(yùn)轉(zhuǎn)、太陽(yáng)電池陣的展開(kāi)和百葉窗的開(kāi)閉等都有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，姿控系統(tǒng)中的紅外地平儀、動(dòng)量輪、空間探測(cè)儀器，其對(duì)接與分離機(jī)構(gòu)中有滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、齒輪等活動(dòng)部件，這些部件在空間真空環(huán)境下要考慮摩擦、磨損、潤(rùn)滑問(wèn)題，除了選擇合適的配偶材料，對(duì)潤(rùn)滑劑的選用應(yīng)考慮在真空下不易揮發(fā)、不變質(zhì)、不污染航天器等2.5空間真空環(huán)境潤(rùn)滑技術(shù)第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5.1空間真空環(huán)境下的液體潤(rùn)滑技術(shù)在空間真空環(huán)境中用的液體潤(rùn)滑劑應(yīng)選用飽和蒸氣壓較低的潤(rùn)滑油，應(yīng)將其封閉在一個(gè)小空間內(nèi)，