空間真空環(huán)境及其效應

關于空間真空環(huán)境及其效應2.1空間真空環(huán)境是指在給定空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)，也就是該空間內氣體分子密度低于該地區(qū)一個大氣壓的分子密度。氣壓和分子密度同步變化，標準狀態(tài)（0

C，101325Pa）下，氣體的分子密度為2.6870

1025/m3；真空度為1.3310-4Pa時，氣體分子密度為3.24

1016/m3。完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空，絕對真空實際上是不存在的。第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天真空區(qū)域劃分：根據國軍標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,共40頁，2024年2月25日，星期天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,共40頁，2024年2月25日，星期天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，大約相當于有100個氫分子/cm3;銀河系星際大氣壓力為10-13Pa～10-18Pa。第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天真空測量單位真空度通?？梢杂脡簭姳硎?，壓強為氣體分子作用在單位面積上的力的法向分量。（1）國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,共40頁，2024年2月25日，星期天1、壓力差效應壓力差效應在105Pa～102Pa的真空范圍內發(fā)生。壓力差效應會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。１９７１年６月３０日蘇聯“聯盟”１１號飛船的３名航天員返回地面時，因返回艙真空室漏氣均窒息死亡。2.2真空環(huán)境效應第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天據統(tǒng)計，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)動機試驗時提前關機或未能二次點火；有火箭升空后未達到預定推力，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。據統(tǒng)計，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)星產生重大故障而縮短壽命或未達到使用功能。我國也有５顆衛(wèi)星因泄漏而產生故障。第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、真空放電效應真空放電效應發(fā)生在103Pa～10-1Pa低真空范圍。當電極之間發(fā)生自激放電時稱為電擊穿。對于航天器發(fā)射上升階段必須工作或通電的電子儀器，應防止任何放電的可能。（短路故障）當真空度達到10-2Pa或更高時，在真空中分開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，會從金屬表面激發(fā)出更多的次級電子，形成微放電。（電弧放電故障）第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天金屬由于發(fā)射次級電子而受到侵蝕，電子碰撞會引起溫度升高，而使附近氣體壓力升高，甚至會造成嚴重的電暈放電。射頻空腔波導管等裝置有可能由于微放電而使其性能下降，甚至產生永久性失效。電子元器件故障或失效第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3、真空出氣效應當真空度高于10-2Pa時，氣體會不斷地從材料表面釋放出來。這些氣體的來源是：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原先溶解于材料內部的氣體，在真空狀態(tài)下從材料內部向真空邊界擴散，最后在界面上釋放，脫離材料；第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天③滲透氣體通過固體材料釋放出來分子污染航天器材料在空間真空環(huán)境下出氣，通過分子流動和物質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。嚴重的分子污染會降低觀察窗和光學鏡頭的透明度，改變熱控涂層的性能，減少太陽能電池的光吸收率，增加電器元件的接觸電阻等。第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天4、材料蒸發(fā)升華和分解效應材料在空間真空環(huán)境下的蒸發(fā)、升華和分解都會造成材料組分的變化，引起材料質量損失（簡稱質損），造成有機物的膨脹，改變材料原有性能如熱物理性能和介電性能等。一般質損1%～2%時，材料的宏觀性質無重大變化；但質損達１０％時，材料性質出現明顯的變化。因此，一般把每年質損小于１０％作為航天器材料的標準。第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天航天器表面材料不均勻的升華，引起表面粗糙，使航天器表面光學性能變差。在高真空下材料的內、外分界面可能變動，引起材料機械性能的變化。由于蒸發(fā)缺少氧化膜或其他表面保護膜，因而可能改變材料表面的適應系數及表面輻射率，顯著改變材料的機械性能、蠕變強度和疲勞應力等。第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天5、粘著和冷焊效應粘著和冷焊效應一般發(fā)生在10－７Pa以上的超高真空環(huán)境下。發(fā)生機理：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，使表面之間出現不同程度的粘合現象，稱為粘著。如果除去氧化膜，使表面達到原子潔凈程度，在一定壓力負荷和溫度下，可進一步整體粘著，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,共40頁，2024年2月25日，星期天危害：活動部件、支承、傳動、觸點部位都可能出現故障。冷焊將加速軸承的磨損，減少其工作壽命，使電機滑環(huán)、電涮、繼電器和開關觸點接觸不良，天線或重力梯度桿展不開，太陽電池陣板、散熱百葉窗打不開等。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滑劑或設法補充液體潤滑劑，涂覆不易發(fā)生冷焊的材料膜層（碳化鎢涂層）。第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天6、真空環(huán)境下的熱輻射效應在空間真空環(huán)境下，航天器與外界的傳熱主要通過輻射形式，因此，航天器表面的輻射特性對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，航天器的熱設計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的效應。第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2.3.1分類：物理模擬是指模擬空間的實際真空環(huán)境。效應模擬是指空間真空環(huán)境模擬試驗與空間真空環(huán)境試驗的一致性.數值模擬是用數學模型代替實際系統(tǒng)的模擬試驗。2.3真空環(huán)境模擬技術第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2.3.2真空容器：1.結構形式：圓柱、箱形、球、圓錐圓柱：強度、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,共40頁，2024年2月25日，星期天KM6空間模擬器真空容器由三個容器組成：主容器（立式）：直徑12m，高22.4m輔容器（臥式）：直徑7.5m，長15m載人試驗艙：直徑5m，長15m總容積：3200m3總質量：420t第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3.尺寸：DM：模擬器有效直徑，DV：航天器特征尺寸δ1：試驗誤差，設定3%ε1：熱沉發(fā)射率，取0.9熱沉：對光、熱、氣體分子有強吸收能力的能夠模擬空間冷黑環(huán)境的結構，用銅、鋁、不銹鋼制造，表面黑色。第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天模擬器與航天器特征尺寸比的確定采用太陽模擬方法：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：1.5~2.5約翰遜試驗中心：A容器1.9~2.6B容器1.6~2.2

第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天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，因此對配置和選擇真空泵的方法、真空系統(tǒng)的設計程序和結構設計、真空材料的選擇，都有所不同，對系統(tǒng)的設計提出更高的要求

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，前級用機械泵，低溫泵、分子泵或油擴散泵，（2）大型環(huán)境模擬器：真空度優(yōu)于10-4Pa，前級用機械泵，用低溫泵，避免油污染。第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天真空抽氣系統(tǒng)的選擇：（3）冷焊、干摩擦試驗設備：真空度優(yōu)于10-7Pa，用低溫泵、分子泵，無油抽氣（4）發(fā)動機羽流污染試驗設備：真空度優(yōu)于10-5Pa，要求大抽速，用低溫泵、油擴散泵。（5）火箭發(fā)動機點火試驗設備：真空度優(yōu)于10-4Pa，用空氣引射泵、擴壓器、油擴散泵、低溫泵，試驗真空下點火、燃燒、再啟動性能（6）航天員訓練艙：真空度優(yōu)于10-2Pa，用水環(huán)泵、羅茨泵、機械泵第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天機械泵：有葉片式、螺桿式、柱塞式等，價格低油擴散泵：利用低壓、高速油蒸汽射流原理的真空泵，抽速大德國機械泵油擴散泵第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天分子泵：利用高速旋轉的轉子把動量傳給氣體分子，使分子獲得速度后排出。無污染。低溫泵：利用低溫表面冷凝氣體而獲得真空的原理，無污染、真空度大。羅茨泵：旋轉式變容積真空泵（羅茨風機）。第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天電離真空計、熱偶真空計、壓阻真空計、B-A真空規(guī)、石英真空計、全量程真空規(guī)真空計的選擇：（1）105～102Pa壓阻真空計、靜態(tài)變形式真空計（2）102～10-1Pa熱偶真空計（3）10-1～10-4Pa電離真空計（4）10-4～10-8PaB-A真空規(guī)（5）105～10-7Pa全量程真空規(guī)2.4真空度測量技術第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天熱偶真空計氣體分子熱傳導與壓力有關。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生熱傳導。當達到熱平衡時，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導，因而也就決定于氣體壓力。電離真空計利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產生的離子流隨電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計和放射性電離真空計等。

第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天電離真空規(guī)BA真空規(guī)熱偶真空規(guī)第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天壓力測量的特殊性1)定向壓力效應分子沉：太空的分子密度十分稀薄，從航天器飛出的分子無碰撞地沉沒于無限宇宙空間之中不再返回。所以廣闊的太空是個具有無限抽氣速率的“分子沉”。在空間模擬室內，真空規(guī)面向試件所測得的分子流壓力值比面向真空容器壁板所測得的分子流壓力值高1~2個數量級。這就是分子沉效應，因此試驗中應考慮真空規(guī)管安裝的位置、方向、形式，以真實反映真空度。第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2)快速真空度測量在發(fā)動機高空點火模擬試驗中，要求測出2次點火之間短時壓力的快速變化。在火箭發(fā)射階段的模擬中，快速測量壓力變化，其反應時間約為幾百微秒量級，因此要求高精度、寬量程、高可靠性。3)超音速氣流真空度測量在低密度級風洞（壓力大于10-2Pa），將會遇到馬赫數為1～10的超音速氣流。在太陽風的模擬中，將會遇到300km/s～500km/s的超音速等離子體（質子加電子），密度約10個/cm3。第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

航天器中的天線運轉、太陽電池陣的展開和百葉窗的開閉等都有轉動機構，姿控系統(tǒng)中的紅外地平儀、動量輪、空間探測儀器，其對接與分離機構中有滾動軸承、滑動軸承、齒輪等活動部件，這些部件在空間真空環(huán)境下要考慮摩擦、磨損、潤滑問題，除了選擇合適的配偶材料，對潤滑劑的選用應考慮在真空下不易揮發(fā)、不變質、不污染航天器等2.5空間真空環(huán)境潤滑技術第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2.5.1空間真空環(huán)境下的液體潤滑技術在空間真空環(huán)境中用的液體潤滑劑應選用飽和蒸氣壓較低的潤滑油，應將其封閉在一個小空間內，以防止蒸氣直接向空間蒸發(fā)。2.5.2空間真空環(huán)境下的固體潤滑技術固體潤滑是利用有潤滑性的固體，采用一定的結構形式，達到潤滑的目的。第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天為了保護相對運動中的表面不受損傷，并降低摩擦與磨損而使用的薄膜或粉狀固體物質。固體潤滑劑按種類劃分有：層狀晶體結構物質、非層狀無機物、金屬薄膜、塑料、合成膜、化合膜等。2.5.3自潤滑材料石墨、陶瓷、復合材料等第35頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1）氦質譜檢漏法檢漏原理：氦氣分子量小、質量輕、操作安全、潔凈，適合作為檢漏氣體。質譜儀的核心部分是電離室，氦氣經燈絲加熱后進入電離室，將氦氣電離成正離子，通過加速使離子進入磁場，磁力作用下形成圓弧軌道，氦離子質量小，軌道半徑就小，在接收極可被檢出。