真空系統(tǒng)作為空間環(huán)境模擬器的重要組成部分，其一般分為粗抽與高真空兩部分，在航天器熱試驗(yàn)過程中起著模擬空間真空背景的關(guān)鍵作用，一旦熱試驗(yàn)過程中真空度出現(xiàn)異常，不但試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，甚至可能對(duì)航天器造成危害。本文針對(duì)大型環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽階段的真空度異常診斷方法進(jìn)行研究，開發(fā)了真空度異常診斷系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在了KM7A 空間環(huán)境模擬器上，取得了良好的效果。

1、概述

　　為驗(yàn)證航天器熱設(shè)計(jì)的正確性及各個(gè)飛行階段熱控系統(tǒng)適應(yīng)各種熱環(huán)境的能力并確定熱控系統(tǒng)的最佳熱控參數(shù)，考核和驗(yàn)證航天器的工作能力，在航天器的研制過程中必須進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)，航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)是在空間環(huán)境模擬器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，真空是不可缺少的環(huán)境條件。一旦空間環(huán)境模擬器真空環(huán)境在建立或維持過程中出現(xiàn)異常，航天器產(chǎn)品地面模擬試驗(yàn)的效果將難以保證甚至有可能對(duì)航天器產(chǎn)品本身造成危害。例如，若真空度在粗抽階段出現(xiàn)異常，則航天器在發(fā)射階段進(jìn)行的各項(xiàng)測(cè)試將無(wú)法全部完成。因此有必要開展熱試驗(yàn)真空度異常診斷技術(shù)的研究，在空間環(huán)境模擬器真空度異常時(shí)，進(jìn)行診斷，分析原因，及時(shí)提示試驗(yàn)人員進(jìn)行處理，確保熱試驗(yàn)順利進(jìn)行。

2、空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)組成

　　在大型空間環(huán)境模擬器內(nèi)要實(shí)現(xiàn)宇宙空間的超高真空環(huán)境模擬是相當(dāng)困難的，而且也沒有必要這么做。從熱平衡試驗(yàn)看，只要克服空間環(huán)境模擬器內(nèi)的空氣的對(duì)流和導(dǎo)熱的影響就可滿足試驗(yàn)要求。

　　空間環(huán)境模擬器的真空系統(tǒng)一般由高真空系統(tǒng)與粗抽系統(tǒng)兩部分組成，如下圖1 所示。粗抽系統(tǒng)一般由多級(jí)干泵羅茨泵機(jī)組、閥門、真空規(guī)、管道等部分組成，其在空間環(huán)境模擬器啟動(dòng)時(shí)工作，將容器真空度降低到高真空系統(tǒng)可以啟動(dòng)的壓力；高真空系統(tǒng)一般由多臺(tái)低溫泵、閥門、真空規(guī)等部分組成，其在整個(gè)航天器熱試驗(yàn)工況過程中一直工作，作用是維持空間環(huán)境模擬器內(nèi)的真空度優(yōu)于試驗(yàn)大綱要求值，一般為1.3×10^-3 Pa。

圖1 空間環(huán)境模擬器真空系統(tǒng)原理圖

3、真空度異常診斷方法研究

　　航天器熱試驗(yàn)階段，空間環(huán)境模擬器的真空度從一個(gè)大氣壓變化到高真空(一般為10^-4 Pa 量級(jí))，這期間如果環(huán)境模擬器密封不好或者真空測(cè)量系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致環(huán)境模擬器真空度出現(xiàn)異常。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，真空度出現(xiàn)異常大多是容器密封問題所導(dǎo)致，例如，真空法蘭上電連接器漏率過大、真空法蘭與容器密封不良、容器上的閥門漏率過大、容器內(nèi)的熱沉漏率過大等等，上述問題80%以上均可以在試驗(yàn)粗抽階段反映出來(lái)，因此，空間環(huán)境模擬器真空度的異常診斷主要針對(duì)試驗(yàn)粗抽階段討論。

　　根據(jù)上述分析，結(jié)合空間環(huán)境模擬器粗抽階段的運(yùn)行特點(diǎn)，我們總結(jié)出試驗(yàn)粗抽階段真空度異常診斷的方法如下：

　　a)整理空間環(huán)境模擬器不同衛(wèi)星平臺(tái)粗抽試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)涵蓋所有衛(wèi)星平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)全面性；

　　b)根據(jù)整理的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇一定時(shí)間間隔，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)歷史數(shù)據(jù)的最大值、最小值；

　　c)所有的最大值形成一條曲線(高限曲線)，所有的最小值形成一條曲線(低限曲線)，這樣所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線均被限定在了高、低限曲線之間；

　　d)根據(jù)得到的高、低限曲線，擬合出對(duì)應(yīng)的高、低限函數(shù)；

　　e)得到高、低限函數(shù)后，編制真空度異常診斷程序，將試驗(yàn)粗抽階段任意時(shí)刻的壓力檢測(cè)值與函數(shù)同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓力值比較，若任意時(shí)刻的真空度檢測(cè)值超出此區(qū)間，則認(rèn)為容器可能存在泄漏情況，需要提醒試驗(yàn)操作人員注意并進(jìn)行相關(guān)檢查。

4、真空度異常診斷系統(tǒng)開發(fā)

　　下面以KM7A 空間環(huán)境模擬器為例，詳細(xì)介紹試驗(yàn)粗抽階段真空度異常診斷系統(tǒng)的開發(fā)以及應(yīng)用情況。

　　4.1、歷史數(shù)據(jù)整理收集

　　我們對(duì)KM7A 空間環(huán)境模擬器所有航天器真空熱試驗(yàn)粗抽階段的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)合航天器的平臺(tái)特點(diǎn)，選取了九組試驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)，形成了歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線簇，如下圖2 所示。

圖2 KM7A 空間環(huán)境模擬器粗抽歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線簇

　　4.2、歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

　　根據(jù)4.1 中選取好的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，我們?nèi)?0s 時(shí)間間隔為樣本數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，這樣就可以得出每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)最大值與最小值。KM7A 空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽時(shí)間不到4 個(gè)小時(shí)，30s 一個(gè)采樣點(diǎn)，整個(gè)粗抽階段累計(jì)采集歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)約400 多個(gè)，這400 多個(gè)采集點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)著九個(gè)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將每個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大值與最小值找到，即完成了歷史數(shù)據(jù)的處理工作。

　　4.3、真空度高、低限曲線獲得

　　根據(jù)4.2 部分的結(jié)論，我們將得到的每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大歷史數(shù)據(jù)繪成一條曲線即得到了真空度高限曲線，如圖3 中的黑色曲線;將每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小歷史數(shù)據(jù)繪成一條曲線即得到了真空度低限曲線，如圖3 中的紅色曲線。

圖3 真空度高、低限曲線

　　4.4、真空度高、低限函數(shù)獲得

　　根據(jù)4.3 中的結(jié)論，得到了真空度的高、低限曲線，我們采用多項(xiàng)式擬合的方式，可以分別求出真空度的高低限曲線所對(duì)應(yīng)的函數(shù)。由于真空度低限曲線對(duì)于空間環(huán)境模擬器密封性能的判斷指導(dǎo)意義不大，這里未予以考慮，僅考慮粗抽的高限曲線所對(duì)應(yīng)的函數(shù)即可，具體擬合公式以及方法如下。

　　以真空度開始變化為啟動(dòng)判讀時(shí)刻，標(biāo)記為時(shí)間零點(diǎn)，真空度到達(dá)5Pa 停止判讀。

　　4.5、真空度異常診斷系統(tǒng)開發(fā)

　　根據(jù)4.4 中得到的結(jié)論，即獲得了真空度高限的曲線函數(shù)，那么將高限函數(shù)集成到上位控制程序后，上位程序可以根據(jù)需要在固定時(shí)間間隔(例如1min) 將試驗(yàn)粗抽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)刻高限函數(shù)計(jì)算得到的真空度限值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)真空度明顯超出高限值，則由上位程序觸發(fā)報(bào)警提示信息，容器密封可能存在問題，提醒試驗(yàn)操作人員檢查容器狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)，這就避免了粗抽已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)個(gè)小時(shí)后，真空度不在變化或變化緩慢時(shí)才覺得有問題，這時(shí)候再進(jìn)行問題定位、解決，需要耽誤較長(zhǎng)的時(shí)間，影響試驗(yàn)進(jìn)度。

5、結(jié)論與展望

　　故障診斷技術(shù)是近20 多年來(lái)國(guó)際上隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。本文對(duì)大型空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)粗抽階段真空度的異常診斷方法進(jìn)行了研究，提出基于全面歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)合多項(xiàng)式擬合的方法，可以對(duì)整個(gè)試驗(yàn)粗抽過程的真空度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，并將成果應(yīng)用在了KM7A 空間環(huán)境模擬器上，效果良好。

　　后續(xù)課題組將結(jié)合粗抽系統(tǒng)真空度異常診斷的相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)深入研究空間環(huán)境模擬器其它重要分系統(tǒng)的故障模式以及診斷方法，為空間環(huán)境模擬器的健康穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 達(dá)道安. 空間真空技術(shù)[M]. 北京： 宇航出版社，1995：7.

　　[2] 黃本誠(chéng)，馬有禮. 航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：44.

　　[3] 李海慶，原培新. 設(shè)備故障診斷及其發(fā)展趨勢(shì)[C].2006 年全國(guó)振動(dòng)工程及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文，2006.