為計算航天器上兩個密封艙內(nèi)存在壓差時相互進行壓力平衡所需的平衡時間,通過壓力平衡過程的分析,建立了近似的數(shù)學模型,進行了分析計算,并通過容積縮比方法對計算結(jié)果進行了試驗驗證,得到了滿意的結(jié)果,不僅能達到節(jié)約成本和時間的目的,更具有普遍性。

　　載人航天器在軌飛行期間，由于各密封艙內(nèi)的壓力控制精度范圍、密封艙漏率不同等因素影響，導致各個艙內(nèi)之間存在一定的壓差。此壓差的存在，航天員穿艙活動時，不能直接打開艙門，需通過專用的閥門平衡兩艙之間的壓差后，方可打開艙門，進行穿艙活動。為此設計了一種用于平衡載人航天器兩個密封艙之間壓差的閥門，簡稱平衡閥。

　　載人航天器密封艙內(nèi)的壓力值基本為一個大氣壓，屬于低真空范圍^[1]，兩艙壓差不大于20 kPa，且兩艙之間壓力平衡時處于與外界密閉的狀態(tài)，因此兩艙壓力平衡時間的計算既不能按真空系統(tǒng)中抽氣時間或向真空系統(tǒng)中充氣時間進行，也不同于氣動工程中向貯氣罐充氣或放氣所用時間計算方法。雖然可通過實際的試驗驗證即可得到相應的壓力平衡時間，但由于條件的限制以及時間、成本的影響，不宜在載人航天器不同的兩個密封艙內(nèi)進行實際測試，通過理論分析以及縮比容積方法的試驗驗證，不僅能達到節(jié)約真空設備成本和時間的目的，并且更具有普遍性。

兩艙壓力平衡過程的分析與模型建立

平衡閥有效面積

　　由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般較為復雜，設想通過該閥門的實際流量就等于在相同條件下通過一理想節(jié)流孔的流量，此理想節(jié)流孔的流通面積稱為該閥門的有效流通截面積（簡稱有效面積），用S 表示，使得研究問題的復雜性大為簡化。有效面積可通過計算或者容器放氣法測定^[2] 。

壓力平衡過程中氣體流動狀態(tài)

　　航天器密封艙內(nèi)的氣體成分接近空氣，空氣分子在常溫（20℃）條件下的平均自由程可用（1）式簡單表示^[3]：

　　兩個密封艙進行壓力平衡時均在大氣壓附近，因此平均自由程的值遠小于閥門閥口的孔徑，氣體分子在閥門附近要產(chǎn)生頻繁的碰撞。所以壓力平衡過程中氣體分子通過閥門流動時由于慣性力的作用，首先是湍流狀態(tài)，隨著壓差的減小，慣性力減弱，氣體內(nèi)的摩擦力起主要作用，進入粘滯流狀態(tài)。

壓力平衡時間的計算

　　壓力平衡過程中，兩艙的壓力、通過閥門閥口的流量隨著時間的變化而變化，實際的流動狀態(tài)為一維非定常絕熱過程。非穩(wěn)定流動的計算，牽涉到求解復雜的微分方程。但如果這類流動能
滿足一定的具體條件，則可利用穩(wěn)定流動的一些概念及公式，對它們做近似的計算^[4] 。近似計算的前提為：雖然密封艙中的壓力允許不時地變化，但通過閥門中的氣體流動狀態(tài)及壓力分布卻很快就已穩(wěn)定，這種流動狀態(tài)稱為準穩(wěn)定流動。假定閥門的有效面積為S，兩艙的溫度相同，密封艙1 內(nèi)初始壓力P1、體積V1；密封艙2 內(nèi)初始壓力P2、體積V2，且P1>P2，密封艙1 向密封艙2 進行壓力平衡，平衡后的壓力為P0，兩艙連接示意圖見圖1。

　　通過理論分析，給出了兩艙壓差、平衡壓力和時間的關系，同時也表明在有限時間內(nèi)，兩艙的壓力不可能達到絕對平衡。此結(jié)果可直接應用到計算航天器密封艙之間壓力平衡時間的估算，可以節(jié)約試驗成本和縮短產(chǎn)品的研制周期；由于航天器密封艙內(nèi)儀器設備布局的因素，與實際壓力平衡過程有一定的差別，可通過縮比容積法進行修正，得到更為精確的平衡時間；將復雜結(jié)構(gòu)的閥門流導轉(zhuǎn)化為理想節(jié)流孔，利用有效面積進行計算，該計算方法亦具有普遍性。

　　[1] 徐成海. 真空工程技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2006：349.
　　[2] 聞邦椿.機械設計手冊：第五卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.
　　[3] 達道安. 真空設計手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1991：35,101.
　　[4] 王欲知，陳旭. 真空技術.2 版[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007：560.