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)境模擬設備主要用于整星級或飛船級等航天器地面熱平衡，熱真空測試試驗，驗證航天器結構設計、溫控設計的正確性及其對太空環(huán)境的正確性。真空環(huán)境模擬10-210-6Pa：真空泵組、真空閥門、真空測量儀器、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|制冷。復制冷等。目前世界上有幾十臺大型空間環(huán)境模擬試驗設備，分布在美國航空航天局（NASA）、俄羅斯、歐洲空間局、中國、日本、以滿足大型應用衛(wèi)星及載人航天器空間環(huán)境試驗的需要。國外大型空間環(huán)境模擬試驗設備NASAGRCSPFSPF空間環(huán)境模擬設備容器尺寸，直徑30.5m，高37.2m，體積為22653m3，安裝有活動熱沉，

2、低溫可至110K，最終真空度可達到1X10-4Pa。NASAJSCChamberA真空系統(tǒng)原配置為18套35英寸擴散泵；為了適應韋伯太空望遠鏡的試驗需求，對真空系統(tǒng)進行了適應性改造，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，分子泵和低溫泵前級采用原擴散泵前級泵進行抽氣，但在前級泵加裝液氮擋板防止返油；改造后的真空系統(tǒng)可實現(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)采用全無油真空系統(tǒng)配置；粗抽機組包括3

3、套羅茨粗抽機組，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30分鐘內將容器抽至100Pa以下，6小時內抽至5Pa以下，12小時內抽至7X10-2Pa以下，18小時內抽至10-4Pa以下，極限真空度優(yōu)于7X10-5Pa；LSS空間環(huán)境模擬設備是歐洲最大的單體真空容器,真空容器形式為臥式的結構；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；國內大型空間環(huán)境模擬試驗設備KM6空間環(huán)境模擬器（1998年）KM6空間環(huán)境模擬設備是中國為載人航天建造的基礎設施

4、，由主模擬室、輔助模擬室、副模擬室三艙組合、丁字形結構；設備試驗有效空間，主模擬室直徑10.5m，高16.9m,輔助模擬室為直徑6.8m，長9m，副模擬室為直徑4.2m，長9m；主輔容器的容積3200ms,極限真空度達到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的羅茨機械機組及配套的液氮冷阱等設備，可在3.5h內將容器抽至1Pa以下；高真空系統(tǒng)由容器采用8套自研氦制冷機低溫泵組成，每套抽速可達50000L/S，可在啟動高真空抽氣后3.5h內將容器真空度降至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)境模擬器是我國首套大型臥式空間環(huán)境模擬設備；A真空容器設計為臥式結構，容器尺寸為©9mX9m，總容積約為800m3；內部熱沉尺寸為08.5mX9m，熱沉溫度低于100K；設備空載累計污染率小于1X10-7g/cm2。真空系統(tǒng)采用全無油真空系統(tǒng)配置；粗抽真空系統(tǒng)主要由4套羅茨泵干泵機組組成，單套機組的名義抽速為1830m3/S；粗抽系統(tǒng)可在3小時內將容器內壓力抽至5Pa；高真空系統(tǒng)主抽泵由3臺制冷機型低溫泵組成，單臺抽速為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)境模擬器是國內最大的臥式結構空間環(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容器為臥式結構，直筒段長度為12m，直徑10m，總體積約1200m3；主要用于二代導航衛(wèi)星的整星真空熱環(huán)境模擬測驗任務。粗抽系統(tǒng)采用4套干泵+羅茨泵+羅茨泵三級粗抽機組配置，每套機組名義抽速大于4000m3/h,可在4h內將容器從常壓抽至5Pa；高真空系統(tǒng)主要由4套變頻一級制冷DN1250大口徑低溫泵組成;低溫再生系統(tǒng)采用干泵+分子泵的設計方式，可以實現(xiàn)低溫泵泵腔內壓力達到10-1Pa，使低溫泵性能最優(yōu)化；分子泵系統(tǒng)配置4臺抽速不小于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)境模擬器是我國容積最大。自動化程度最高的空間環(huán)境模擬器，主要用于滿足我國載人航天空間研制任務；AKM8空間環(huán)境模擬器綜合試驗系統(tǒng)為立式容器結構，直徑17m，高度32m，總容積約6000m3；A主要包括真空容器、真空系統(tǒng)、熱沉、氮系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、試驗工裝系統(tǒng)等分系統(tǒng)；A主要技術指標：（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) 數據采集通路：3500路；主要應用方向：研制完成后將承擔載人航天空間站、基于東五平臺的大型通信衛(wèi)星大型遙感衛(wèi)星等各型號熱平衡。熱真空試驗；A粗抽系統(tǒng)由8套干泵+羅茨泵+羅茨泵二級組成機組，

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

9、性價比；在試驗過程中有較多的輕質氣體時采用對象，氫等氣體有較大抽速的輔助泵進行抽氣，一般配置分子泵系統(tǒng)作為該類試驗設備的過渡抽氣和重要補充，若系統(tǒng)配置不當則直接影響試驗，如“神舟”二號飛船的試驗時，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；粗抽機組設計過程優(yōu)化配置，綜合考慮抽氣性能與實現(xiàn)成本，優(yōu)化各級機組氣體壓縮配比，在整個工作壓強范圍內提供穩(wěn)定的抽速和完好的真空性能；輔助設備提升能力對于因建造成本等原因而使用油擴散泵，油介質機械泵等抽氣設備時，為避免油氣返流造成對試驗環(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對航天器造成的污染；真空系統(tǒng)配

10、置四極質譜儀，光譜儀，石英晶體流量天平，溫度與壓力傳感器，可凝物質沉積率測試等輔助儀器實現(xiàn)罐內真空環(huán)境的多手段監(jiān)控。清潔無油國內以近期建設完成的KM8、KM7A為代表的大型試驗設備從設計到設備選型及最終安裝調試過程，選用低溫泵、分子泵、羅茨泵螺桿泵機組等無油工藝設備，并在全過程嚴格進行污染控制，通過殘余氣體分析及污染量測試分析結果表明，真空環(huán)境滿足各類型號的清潔無油的試驗需求。超高真空環(huán)境獲得對于大型空間環(huán)境模擬設備，真空系統(tǒng)一般配置液氮抽氣冷板或熱沉完成對容器的輔助抽氣；對于大型空間環(huán)境模擬設備的超高真空環(huán)境獲得，可通過配置氦抽速冷板，內置深冷泵的方式獲得更高的真空度，如KM6空間環(huán)境試驗設

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；抽氣能力強我國大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)通過優(yōu)化設計，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小時內將真空度抽至5Pa以下，空載極限真空度達到10-6Pa量級的超真空范圍，并配備自動漏率測試及殘余氣體分析等功能。專利設計優(yōu)化配置細節(jié)大型空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)配置多項專利技術的工藝設備用于實現(xiàn)真空系統(tǒng)的優(yōu)化配置。KM8大型空間環(huán)境模擬設備配置了專利設計的真空絕熱儲液式液氮冷阱，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，降低粗抽機組氣體負荷；復壓系統(tǒng)配置專利設計的內置式復壓散流器，可在不不影響復壓速率，不占用真空室內部空間的條件下，消除高速直射氣流對真空室內部的試件、罐內結構的直接沖擊；復壓系統(tǒng)配置設計同時可實現(xiàn)手動/自動切換，空氣/氮氣復壓切換。速率手動/自動調節(jié)等多種功能。結束語：我國現(xiàn)有大型空間環(huán)境模擬設備的建成及使用極大提升大型航天器真空熱環(huán)境試驗的能力，在真空度、熱沉溫度、自動化程度等方面已接近或超過國外大型空間環(huán)境模擬設備水平，為空間站核心艙、實驗艙及后續(xù)大型航天器發(fā)射提供有力保障。隨著載人航天，火星探索等國家重大空間探索項目的穩(wěn)步實施，以及“十三五”新型號立項的開展，在大型空間環(huán)境模擬設

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、真空度精確測量方面加強研究工作。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)境的試驗裝置。如何對空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)進行配置，實現(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。分別對國內外大型空間環(huán)境模擬器的真空系統(tǒng)配置進行介紹，并對各自的真空系統(tǒng)配置策略與技術特點進行分析，通過對國內外大型空間環(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：清潔無油真空系統(tǒng)、分子泵系統(tǒng)作過渡抽氣、對于因建造

14、成本等原因而使用油擴散泵、油介質機械泵等抽氣設備時，為避免油氣返流造成對試驗環(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對航天器造成的污染、對于大型空間環(huán)境模擬設備，真空系統(tǒng)一般配置液氮抽氣冷板或熱沉完成對容器的輔助抽氣，對于大型空間環(huán)境模擬設備的超高真空環(huán)境獲得，可通過配置氦抽氣冷板的方式獲得更高的真空度，如KM6空間環(huán)境試驗設備、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。關鍵詞：空間環(huán)境模擬真空系統(tǒng)清潔無油真空參考文獻：1 黃本誠，劉國青，成致祥，等.特大型空間環(huán)境試驗設備的超高真空獲得技術J.真空科學與技

15、術，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