真空/加壓系統(tǒng)在空間實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2016-03-31 許發(fā)鐸 蘭州空間技術(shù)物理研究所

  真空/加壓系統(tǒng)為空間實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)正壓和負(fù)壓交替變化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過程有兩種工作狀態(tài),即負(fù)壓和正壓。真空/加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊,真空/加壓系統(tǒng)充分利用了空間真空和微重力環(huán)境,降低了真空/加壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度,提高了可靠性,節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。

  引言

  低成本、短周期、高性能的發(fā)展空間有效載荷為目前航天發(fā)展的主要趨勢。隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展,推動(dòng)了材料工程、生物工程等學(xué)科的長足進(jìn)步,這些學(xué)科發(fā)展的同時(shí)需要大量的儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備在空間微重力、高真空、高宇宙輻射等特殊環(huán)境中展開一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于目前航天實(shí)驗(yàn)成本還比較高昂,包括發(fā)射成本、實(shí)驗(yàn)?zāi)茉闯杀、在軌運(yùn)行成本等,因此,為了降低研究實(shí)驗(yàn)成本,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方面盡可能遵循高集成、高可靠性的原則,一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備盡可能完成多項(xiàng)不同實(shí)驗(yàn),將專用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備向通用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備靠攏的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想,盡可能將一臺(tái)設(shè)備的功能拓展。真空/加壓系統(tǒng)就是一臺(tái)集成了高真空系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),此系統(tǒng)能夠完成真空實(shí)驗(yàn)、壓力實(shí)驗(yàn)、微重力實(shí)驗(yàn)或三種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)任意組合的空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1、系統(tǒng)要求

  真空/加壓系統(tǒng)的目的是通過空間真空環(huán)境、真空泵及高壓氣瓶等條件為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供高真空(10-2~10-5 Pa)環(huán)境和壓力環(huán)境(3×105~4×105 Pa),同時(shí)可利用空間微重力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過程有以下兩種工作狀態(tài):

  (1)對實(shí)驗(yàn)腔抽真空時(shí):在實(shí)驗(yàn)開始前,首先通過實(shí)驗(yàn)柜提供的空間真空管道或排廢氣接口,對實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行真空預(yù)抽,待實(shí)驗(yàn)腔氣壓降至0.3 Pa左右,再利用分子泵對實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行進(jìn)一步抽真空,直到滿足實(shí)驗(yàn)要求,最高可達(dá)到10-5 Pa;在實(shí)驗(yàn)過程中,需要保持真空環(huán)境,持續(xù)開啟分子泵,維持實(shí)驗(yàn)腔氣壓在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求的真空度,為保證分子泵的低能耗,在滿足抽速的條件下盡量選用低功率分子泵。

  (2)對實(shí)驗(yàn)腔加壓時(shí):在實(shí)驗(yàn)開始前,首先通過實(shí)驗(yàn)柜提供的真空管道或排廢氣接口,對實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行排氣,在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)的氣體排除干凈之后,打開氣瓶或?qū)嶒?yàn)柜氮?dú)饨涌诘拈y門,對實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行充氣。當(dāng)氣壓達(dá)到要求之后,關(guān)閉閥門,停止充氣。根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行真空/加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電源:100 VDC;峰值功耗不大于200 W(持續(xù)時(shí)間不大于1 h);實(shí)驗(yàn)腔容積:6 L(L=350 mm,D=155 mm);起抽壓力0.3 Pa;極限壓力1× 10-5 Pa;氣源:N2空間站提供,自帶氣瓶1(Ar),自帶氣瓶2(O2);空間站提供初級(jí)真空接口:0.3 Pa;空間站提供廢氣接口:0.3 Pa(N2必須導(dǎo)回空間站廢氣系統(tǒng))。

2、系統(tǒng)組成

  依據(jù)真空/加壓系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)要求,經(jīng)分析設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)組成原理圖,系統(tǒng)主要分為三個(gè)子系統(tǒng):抽真空子系統(tǒng)、氣體加注子系統(tǒng)以及控制采集子系統(tǒng)。

真空/加壓系統(tǒng)在空間實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

圖1 真空與加壓系統(tǒng)組成原理圖

  系統(tǒng)主要組成部組件有:真空泵、壓力傳感器、真空電離規(guī)、閥門、管路、氣瓶和控制器。實(shí)驗(yàn)腔的真空環(huán)境通過渦輪分子泵實(shí)現(xiàn),渦輪分子泵是靠高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械真空泵。工作壓力范圍在1~10-8 Pa。先進(jìn)的泵可以獲得10-9 Pa的極限壓力,分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵,但渦輪分子泵不能直接對大氣排氣,需要配置前級(jí)泵,并且其主要性能(極限壓力和抽速)都和配置的前級(jí)泵的容量、轉(zhuǎn)速,被抽氣體的種類有關(guān)。為了節(jié)省空間資源和降低能耗,系統(tǒng)中可充分利用空間的真空環(huán)境,省去分子泵的前級(jí)泵。

  真空/加壓系統(tǒng)中真空泵的選型是關(guān)鍵,必須根據(jù)使用條件多方面綜合考慮。真空系統(tǒng)選取泵的主要依據(jù)是:

  (1)空載時(shí)實(shí)驗(yàn)腔所需要達(dá)到的極限真空度;

  (2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所需要的工作真空度;

  (3)對真空環(huán)境和空間站廢氣系統(tǒng)環(huán)境無油污污染。

  實(shí)驗(yàn)腔的真空度一定要保證在分子泵最佳抽速壓力范圍之內(nèi),所需要的分子泵抽速由實(shí)驗(yàn)腔實(shí)驗(yàn)過程中放出的氣量、系統(tǒng)漏氣量以及所需要的真空度來確定。

3、工作原理及過程

  3.1、初始狀態(tài)

  初始狀態(tài)下,閥1~閥6為關(guān)閉狀態(tài),閥1控制分子泵出氣口的通斷,閥3控制分子泵進(jìn)氣口的通斷、同時(shí)起到加壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護(hù)分子泵的作用,閥2控制實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行高壓放氣和真空保持,閥4、閥5和閥6相應(yīng)控制Ar、O2或N2氣源的供氣通斷,閥3在高壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護(hù)真空電離規(guī)、真空狀態(tài)下打開真空測量通路,閥7至閥9對高壓氣源減壓至滿足自鎖閥工作壓力,設(shè)定壓力為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求壓力。

  3.2、加壓狀態(tài)

  (1)當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行N2 加注時(shí):關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥5,打開閥6進(jìn)行N2注入,當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí),壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力反饋至控制單元并關(guān)閉閥6;

  (2)當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行Ar加注時(shí):關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥6,打開閥4進(jìn)行Ar注入,當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí),壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力發(fā)送至控制單元關(guān)閉閥4,同時(shí)氧分壓傳感器檢測氧分壓,并將檢測值反饋至控制單元,控制單元控制閥5將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)氧分壓保持在10-5~10-2 Pa之間;

  (3)壓力傳感器2和壓力傳感器3分別檢測Ar氣瓶和O2氣瓶內(nèi)部壓力,當(dāng)壓力接近減壓閥預(yù)設(shè)壓力后提示更換滿瓶Ar氣瓶或O2氣瓶。

  3.3、真空狀態(tài)

  當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔需要真空度達(dá)到10-5 Pa時(shí),首先關(guān)閉閥4、閥5、閥6,打開閥2,將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)氣體導(dǎo)回至空間站廢氣系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)腔壓力降至0.3 Pa,然后關(guān)閉閥2,打開閥1、閥3,并啟動(dòng)分子泵將實(shí)驗(yàn)腔真空度降低并保持在10-5 Pa,真空電離規(guī)對實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)部壓力進(jìn)行檢測,并將檢測值反饋到控制單元。系統(tǒng)布局如圖2所示。

真空/加壓系統(tǒng)在空間實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

圖2 系統(tǒng)布局圖

  實(shí)驗(yàn)腔既是真空容器,也為壓力容器,因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為在設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧兩種容器的注意事項(xiàng)。設(shè)計(jì)應(yīng)遵循6點(diǎn):

  (1)為了減少漏氣量和漏孔,焊縫的總長度盡可能短;

  (2)避免十字交叉焊縫,焊縫的高度應(yīng)大于殼體厚度的1/3,兩焊縫之間的距離應(yīng)大于100 mm;

  (3)所有焊縫都不妨礙真空檢漏;

  (4)殼體上開孔最好不要開在焊縫上;

  (5)實(shí)驗(yàn)腔加工完成后需進(jìn)行漏率檢驗(yàn)和耐壓實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)腔漏率建議不大于1×10-7 Pa·m3/s;實(shí)驗(yàn)腔應(yīng)能承受0.6 MPa的壓力;對焊縫進(jìn)行100%無損探傷;

  (6)腔體材料盡可能選用出氣量小的材料,如鋼、鈦合金等各種材料,適用實(shí)驗(yàn)腔材料如表1所示。

表1 各種材料適用的實(shí)驗(yàn)腔

真空/加壓系統(tǒng)在空間實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

4、結(jié)論

  從以上對真空/加壓系統(tǒng)的應(yīng)用研究得出三個(gè)結(jié)論:

  (1)真空加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,可為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供正壓、負(fù)壓、以及正壓負(fù)壓交替的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;

  (2)一個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體包含真空腔和壓力腔雙重作用,減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量,拓展了功能,使實(shí)驗(yàn)滿足從4×105 Pa~10-5 Pa超寬壓力范圍的不同需求;

  (3)充分利用空間環(huán)境,省去了不必要的冗余設(shè)備,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度從而提高其可靠性,節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。