大型空间环境模拟器真空系统配置策略研究

大型空间环境模拟器真空系统配置策略研究1．概述大型空间环境模拟设备主要用于整星级或飞船级等航天器地面热平衡，热真空测试试验，验证航天器结构设计、温控设计的正确性及其对太空环境的正确性。真空环境模拟10-2～10-6Pa：真空泵组、真空阀门、真空测量仪器、其余气体分析仪器等；冷黑环境模拟：热沉，液氮、气氮系统。混合工质制冷。复制冷等。目前世界上有几十台大型空间环境模拟试验设备，分布在美国航空航天局（NASA）、俄罗斯、欧洲空间局、中国、日本、以满足大型应用卫星及载人航天器空间环境试验的需要。国外大型空间环境模拟试验设备NASAGRCSPFSPF空间环境模拟设备容器尺寸，直径30.5m，高37.2m，体积为22653m3，安装有活动热沉，低温可至110K，最终真空度可达到1×10-4Pa。NASAJSCChamberA真空系统原配置为18套35英寸扩散泵；为了适应韦伯太空望远镜的试验需求，对真空系统进行了适应性改造，改造后的真空配置为12套48英寸的低温泵，并配备6套14英寸分子泵；改造后的分子泵可以在更高压力下启动，分子泵和低温泵前级采用原扩散泵前级泵进行抽气，但在前级泵加装液氮挡板防止返油；改造后的真空系统可实现1.5×10-2Pa的常温极限真空度，在热沉通液氮的状态下真空度优于2.5×10-5Pa，启动液氦热沉后最终极限真空度优于3.0×10-6Pa；ESAESTECLSS真空系统采用全无油真空系统配置；粗抽机组包括3套罗茨粗抽机组，每套抽速为20000m3/h；底真空系统配备4套抽速为8000m3/h的涡轮分子泵和2套抽速为48m3/s的屏蔽低温泵；真空系统可在2小时30分钟内将容器抽至100Pa以下，6小时内抽至5Pa以下，12小时内抽至7×10-2Pa以下，18小时内抽至10-4Pa以下，极限真空度优于7×10-5Pa；LSS空间环境模拟设备是欧洲最大的单体真空容器，真空容器形式为卧式的结构；LSS真空容器有效尺寸：直径10m，高15m，容积2300m3；容器的温度范围为100K～353K；国内大型空间环境模拟试验设备KM6空间环境模拟器（1998年）KM6空间环境模拟设备是中国为载人航天建造的基础设施，由主模拟室、辅助模拟室、副模拟室三舱组合、丁字形结构；设备试验有效空间，主模拟室直径10.5m，高16.9m，辅助模拟室为直径6.8m，长9m，副模拟室为直径4.2m，长9m；主辅容器的容积3200m3，极限真空度达到4.5×10-6Pa，热沉温度低于100K粗抽真空系统由4套抽速为5000L/s的罗茨机械机组及配套的液氮冷阱等设备，可在3.5h内将容器抽至1Pa以下；高真空系统由容器采用8套自研氦制冷机低温泵组成，每套抽速可达50000L/s，可在启动高真空抽气后3.5h内将容器真空度降至3×10-5Pa以下；真空系统配备3套抽速为2200L/s的涡轮分子泵用于完成过渡抽气和系统检漏。KM7空间环境模拟器（2011年）KM7空间环境模拟器是我国首套大型卧式空间环境模拟设备；真空容器设计为卧式结构，容器尺寸为φ9m×9m，总容积约为800m3；内部热沉尺寸为φ8.5m×9m，热沉温度低于100K；设备空载累计污染率小于1×10-7g/cm2。真空系统采用全无油真空系统配置；粗抽真空系统主要由4套罗茨泵干泵机组组成，单套机组的名义抽速为1830m3/s；粗抽系统可在3小时内将容器内压力抽至5Pa；高真空系统主抽泵由3台制冷机型低温泵组成，单台抽速为60000L/s；在热沉通液氮的情况下，容器的真空度低于6.5×10-4Pa。KM7A空间环境模拟器（2015年）KM7A空间环境模拟器是国内最大的卧式结构空间环境模拟器；由北京卫星环境工程研究所自主研制，于2015年投入使用；容器为卧式结构，直筒段长度为12m，直径10m，总体积约1200m3；主要用于二代导航卫星的整星真空热环境模拟测验任务。粗抽系统采用4套干泵+罗茨泵+罗茨泵三级粗抽机组配置，每套机组名义抽速大于4000m3/h，可在4h内将容器从常压抽至5Pa；高真空系统主要由4套变频一级制冷DN1250大口径低温泵组成；低温再生系统采用干泵+分子泵的设计方式，可以实现低温泵泵腔内压力达到10-1Pa，使低温泵性能最优化；分子泵系统配置4台抽速不小于3200L/s的磁悬浮分子泵；KM8空间环境模拟器（2016年）KM8空间环境模拟器是我国容积最大。自动化程度最高的空间环境模拟器，主要用于满足我国载人航天空间研制任务；KM8空间环境模拟器综合试验系统为立式容器结构，直径17m，高度32m，总容积约6000m3；主要包括真空容器、真空系统、热沉、氮系统、测控系统、试验工装系统等分系统；主要技术指标：（1）真空容器：直径17m，高度32m；（2）热沉温度：100K；（3）空载极限真空：10-6Pa；（4）数据采集通路：3500路；主要应用方向：研制完成后将承担载人航天空间站、基于东五平台的大型通信卫星、大型遥感卫星等各型号热平衡。热真空试验；粗抽系统由8套干泵+罗茨泵+罗茨泵三级组成机组，8套粗抽机组总的抽速约12600L/s，4h内将容器从常压抽至5Pa以内；配置8套抽速约为3200L/s的分子泵；清洁无油真空系统航天器地面模拟试验对污染效应的严格控制，真空系统配置逐步稳向无油真空环境；国外建造时间较早的设备也相应的进行了适应性改造，例如美国SFF与JSCChamberA为了适应新型试验需求，均将原有的扩散泵改为清洁无油的低温泵系统；未来空间环境模拟的清洁真空环境获得是主流趋势；现阶段我国大型空间环境模拟设备清洁高真空的获得一般都采用以低温泵为主抽泵，以罗茨泵加干泵机组作为粗抽系统的无油配置真空抽气配置优化大型空间环境模拟设备采用低温泵满足获得清洁真空大抽速的要求，具备极佳的性价比；在试验过程中有较多的轻质气体时采用对象，氢等气体有较大抽速的辅助泵进行抽气，一般配置分子泵系统作为该类试验设备的过渡抽气和重要补充，若系统配置不当则直接影响试验，如“神舟”二号飞船的试验时，系统中由于泄漏惰性气体，电源系统中氢气泄漏，使真空度下降；粗抽机组设计过程优化配置，综合考虑抽气性能与实现成本，优化各级机组气体压缩配比，在整个工作压强范围内提供稳定的抽速和完好的真空性能；辅助设备提升能力对于因建造成本等原因而使用油扩散泵，油介质机械泵等抽气设备时，为避免油气返流造成对试验环境的污染，一般在真空容器入口前配置液氮冷阱，分子筛吸附阱等工艺手段避免污染效应对航天器造成的污染；真空系统配置四极质谱仪，光谱仪，石英晶体流量天平，温度与压力传感器，可凝物质沉积率测试等辅助仪器实现罐内真空环境的多手段监控。清洁无油国内以近期建设完成的KM8、KM7A为代表的大型试验设备从设计到设备选型及最终安装调试过程，选用低温泵、分子泵、罗茨泵螺杆泵机组等无油工艺设备，并在全过程严格进行污染控制，通过残余气体分析及污染量测试分析结果表明，真空环境满足各类型号的清洁无油的试验需求。超高真空环境获得对于大型空间环境模拟设备，真空系统一般配置液氮抽气冷板或热沉完成对容器的辅助抽气；对于大型空间环境模拟设备的超高真空环境获得，可通过配置氦抽速冷板，内置深冷泵的方式获得更高的真空度，如KM6空间环境试验设备，ESIEC的LSS空间环境模拟器均配备了氦制冷抽气冷板，可获得10-6Pa的超高真空环境；抽气能力强我国大型空间环境模拟器真空系统通过优化设计，合理配置泵组配比喻布局，具有较高的抽气能力。如KM8空间环境模拟器，KM6空间环境模拟器均可在3.5小时内将真空度抽至5Pa以下，空载极限真空度达到10-6Pa量级的超真空范围，并配备自动漏率测试及残余气体分析等功能。专利设计优化配置细节大型空间环境模拟器真空系统配置多项专利技术的工艺设备用于实现真空系统的优化配置。KM8大型空间环境模拟设备配置了专利设计的真空绝热储液式液氮冷阱，可在大气状态下即可通入液氮，用于冷凝获油蒸汽、水蒸气，从而获得洁净真空环境，降低粗抽机组气体负荷；复压系统配置专利设计的内置式复压散流器，可在不不影响复压速率，不占用真空室内部空间的条件下，消除高速直射气流对真空室内部的试件、罐内结构的直接冲击；复压系统配置设计同时可实现手动/自动切换，空气/氮气复压切换。速率手动/自动调节等多种功能。结束语：我国现有大型空间环境模拟设备的建成及使用极大提升大型航天器真空热环境试验的能力，在真空度、热沉温度、自动化程度等方面已接近或超过国外大型空间环境模拟设备水平，为空间站核心舱、实验舱及后续大型航天器发射提供有力保障。随着载人航天，火星探索等国家重大空间探索项目的稳步实施，以及“十三五”新型号立项的开展，在大型空间环境模拟设备还将有更多的功能需求。真空系统作为大型空间环境模拟设备不可或者缺的分系统，需要在特殊气体抽除，大口径低温泵研制、气压控制、真空度精确测量方面加强研究工作。大型空间环境模拟器真空系统配置策略研究摘要：空间环境模拟器是用于模拟空间真空、冷黑和空间外热流环境的试验装置。如何对空间环境模拟器真空系统进行配置，实现大空间真空环境的快速获得和保持，是决定空间环境模拟器性能的重要因素。分别对国内外大型空间环境模拟器的真空系统配置进行介绍，并对各自的真空系统配置策略与技术特点进行分析，通过对国内外大型空间环境模拟器真空系统的研究，其真空系统配置策略一般包括：清洁无油真空系统、分子泵系统作过渡抽气、对于因建造成本等原因而使用油扩散泵、油介质机械泵等抽气设备时，为避免油气返流造成对试验环境的污染，一般在真空容器入口前配置液氮冷阱、分子筛吸附阱等工艺手段避免污染效应对航天器造成的污染、对于大型空间环境模拟设备，真空系统一般配置液氮抽气冷板或热沉完成对容器的辅助抽气，对于大型空间环境模拟设备的超高真空环境获得，可通过配置氦抽气冷板的方式获得更高的真空度，如KM6空间环境试验设备、ESTEC的LSS空间环境模拟器均配备了氦制冷抽气冷板，可获得10-6Pa的超高真空环境。关键词：空间环境模拟真空系统清洁无油真空参考文献：[1]黄本诚，刘国青，成致祥，等.特大型空间环境试验设备的超高真空获得技术[J].真空科学与技术,2001,21(1):1-4；[2]张春元，许忠旭.大型清洁超高真空获得初探[J].航天器环境工程,2002,19(1):59-62；[3]RogerL.Smith.SpacePowerFacilityReadinessforSpaceStationPowerSystemTesting.February1995,NASATechnicalMemorandum106829；[4]GeraldM.Hill,RichardK.Evans.AdvancedDistributedMeasurementsandDataProcessingatTheVibro-AcousticTestFacility,GRCSpacePowerFacility,SANDUSKY,OHIO—ANARCHITECTUREANDANEXAMPLE.25thAerospaceTestingConference,October2009;[5]AaronSnyder,MichaelW.Henry,andStanleyP.Grisnik.ContaminationControlAssessmentoftheWorld’sLargestSpaceEnvironmentSimulationChamber.NASA/TM—2012-217823;