光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備真空抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備主要用于為航天器光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)提供真空、冷黑及太陽(yáng)輻射的空間環(huán)境。設(shè)備主要包括：真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、中央測(cè)控系統(tǒng)、20 K 深冷系統(tǒng)、太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)等。本文概要介紹了光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備真空抽氣系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)、系統(tǒng)組成以及設(shè)計(jì)計(jì)算。
為滿足新型航天器光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)要求，我國(guó)新建了一套Φ5 m×6.5 m 的空間環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為該套設(shè)備可以滿足光學(xué)載荷紅外定標(biāo)試驗(yàn)和小型航天器熱平衡試驗(yàn)的要求。光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備主要由6 個(gè)分系統(tǒng)組成，分別為真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、中央測(cè)控系統(tǒng)、20 K深冷系統(tǒng)、太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)。
1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的空載真空度要求為2×10-5 Pa，由于光學(xué)載荷對(duì)可凝污染物比較敏感，要求油密封真空泵的工作時(shí)間控制在1.5 h內(nèi)，同時(shí)要配備擋油液氮冷阱。綜合技術(shù)指標(biāo)要求，采用大口徑低溫泵作為主抽氣泵，羅茨泵和滑閥機(jī)械泵串聯(lián)作為粗抽真空泵組，并配備分子泵機(jī)組進(jìn)一步輔助抽氣。系統(tǒng)原理圖見圖1，粗抽機(jī)組主要包括四臺(tái)H150 滑閥泵和兩臺(tái)ZJB1200羅茨泵及配套的閥門與液氮冷阱，輔助抽氣系統(tǒng)配置了兩臺(tái)2000 L/s 的磁懸浮分子泵與一臺(tái)650 L/s的螺桿干泵， 高真空泵抽氣系統(tǒng)配備了3 臺(tái)Coolvac60000BL-V 型低溫泵，單臺(tái)低溫泵的名義抽速可達(dá)60000 L/s，低溫泵的再生泵與分子泵機(jī)組前級(jí)泵共用一臺(tái)螺桿干泵。根據(jù)系統(tǒng)流程分為如下幾個(gè)階段：
(1)粗真空抽氣階段，此階段的抽氣機(jī)組為滑閥機(jī)械泵- 羅茨泵機(jī)組；
(2)過渡真空抽氣階段，此階段的抽氣機(jī)組是渦輪分子泵機(jī)組；
(3)高真空抽氣階段，此階段的抽氣泵為低溫泵。
上述抽氣設(shè)備中滑閥-羅茨泵機(jī)組負(fù)責(zé)迅速將容器從大氣壓抽到5 Pa 左右；渦輪分子泵機(jī)組則主要負(fù)責(zé)將容器真空度進(jìn)一步提高，為低溫泵的啟動(dòng)提供過渡，同時(shí)在此階段可對(duì)整個(gè)定標(biāo)設(shè)備進(jìn)行檢漏，渦輪分子泵具有啟動(dòng)快、抽速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；低溫泵是整個(gè)真空抽氣系統(tǒng)的主抽泵，它具有抽速大、無(wú)污染、真空度高、可長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為非常適合超大體積超高真空的抽氣系統(tǒng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外新建的大型空間環(huán)境模擬器均采用大型低溫泵來(lái)抽氣。
圖1 真空系統(tǒng)原理圖
2、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1、粗抽分系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算
粗抽系統(tǒng)抽氣時(shí)間的計(jì)算可根據(jù)式(1)：
式中：Se———粗抽泵對(duì)真空容器出口所造成的有效抽速[L/s]；t———抽到預(yù)備真空度所需要的時(shí)間[s]；V———真空容器的體積[L]；P1———抽氣開始時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)[Pa]；P2———所達(dá)到的預(yù)備真空度[Pa]；K———修正系數(shù)，1～4。
本系統(tǒng)的容器體積約為162 m3，首先啟動(dòng)四臺(tái)H150 滑閥機(jī)械泵將容器抽到1000 Pa，然后啟動(dòng)兩臺(tái)ZJB1200 羅茨泵，將真空容器的真空度抽到5 Pa。
粗抽管道長(zhǎng)6 m，直徑400 mm，管道中平均壓強(qiáng)P=(P 容+P 泵口)/2≈2.5Pa。PD=1Pa·m>0.67 Pa·m，所以粗抽管路中氣體的流態(tài)，一直為粘滯流。根據(jù)氣流的狀態(tài)，選擇流導(dǎo)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：
代入數(shù)據(jù)，U 管道為14300 L/s。
把110 mm 厚的閥門和200 mm 長(zhǎng)的短管看成約310 mm 的短管。根據(jù)公式(3)計(jì)算得閥門流導(dǎo)約為U 閥門=276600 L/s，DN400 的液氮冷阱的流導(dǎo)為6200 L/S。
根據(jù)管道串聯(lián)的流導(dǎo)計(jì)算公式：
式中：U———粗抽系統(tǒng)總流導(dǎo)[L/s]；U 管道———管道流導(dǎo)[L/s]；U 冷阱———冷阱流導(dǎo)[L/s]；U 閥門———閥門流導(dǎo)[L/s]。
計(jì)算得粗抽系統(tǒng)除真空抽氣泵外的總流導(dǎo)約為4260 L/s。根據(jù)公式(4)計(jì)算的粗抽系統(tǒng)中滑閥機(jī)械泵作為主抽泵時(shí)的有效抽速為525 L/s，羅茨泵作為主抽泵時(shí)的有效抽速為1535 L/s。
式中：Se———系統(tǒng)有效抽速[L/s]；Sp———真空泵額定名義抽速[L/s]；U———系統(tǒng)總流導(dǎo)[L/s]。
根據(jù)公式(1)計(jì)算，滑閥機(jī)械泵可在30 min內(nèi)將真空容器抽到1000 Pa，羅茨泵可在32 min 左右將容器真空度抽到5 Pa，整個(gè)粗抽機(jī)組約需1 h將真空容器從一個(gè)大氣壓抽到5 Pa 的真空度。
2.2、分子泵抽氣機(jī)組參數(shù)計(jì)算
真空抽氣系統(tǒng)配備分子泵機(jī)組主要有兩個(gè)功能：一是將真空容器的真空度由粗抽機(jī)組抽到5 Pa 進(jìn)一步降低到5×10-2 Pa 以下真空度，因?yàn)檫@是低溫泵的最低啟動(dòng)真空度要求；二是整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備研制期間需要對(duì)容器、液氮熱沉、真空閥門、管路等部件進(jìn)行多次氦質(zhì)譜檢漏，配備一套分子泵機(jī)組可以方便的進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏工作。
分子泵機(jī)組管道長(zhǎng)500 mm(包含120 mm 的閥門厚度)，直徑250 mm，根據(jù)計(jì)算，分子泵抽氣階段管道內(nèi)為分子流狀態(tài)，根據(jù)圓短管流導(dǎo)公式(5)計(jì)算，管道流導(dǎo)為2 276 L/s。
式中：D———管道直徑[cm]；L———管道長(zhǎng)度[cm]；A———管道截面積[cm2]；U 管道———管道流導(dǎo)[L/s]。
根據(jù)公式(4)可計(jì)算得單臺(tái)分子泵的有效抽速為1 064 L/s，兩臺(tái)分子泵總有效抽速為2128 L/s。
氣量計(jì)算：定標(biāo)設(shè)備真空容器內(nèi)表面積為158 m2，加上內(nèi)部的導(dǎo)軌、支架等不銹鋼工件的表面放氣，整個(gè)真空容器內(nèi)部不銹鋼材質(zhì)的放氣面約為160 m2，熱沉的表面積為124 m2，熱沉外表面為普通銅結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面噴涂有航天專用黑漆。在剛剛開始抽氣的幾小時(shí)內(nèi)，材料的出氣率是動(dòng)態(tài)變化的，不銹鋼抽氣5 h 后的放氣率為2.26×10-6 Pa·L/S·cm2，銅抽氣5 h 后的放氣率為3.1×10-6 Pa·L/S·cm2，黑漆抽氣4 h 后的放氣率為2×10-4 Pa·L/S·cm2，根據(jù)計(jì)算，總的氣量負(fù)載為71 Pa·L。根據(jù)公式(6)計(jì)算，通過分子泵連續(xù)抽氣5 h，真空容器的真空度可以達(dá)到3.3×10-2 Pa。
2.3、高真空抽氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
整個(gè)真空容器能達(dá)到的極限真空，由公式(7)決定：
式中：Pj———真空室所能達(dá)到的極限真空[Pa]；P0———真空泵的極限真空[Pa]；Q0———試驗(yàn)設(shè)備本身的氣體負(fù)載[Pa·L/S]；Q1———試驗(yàn)過程中試件的氣體負(fù)載[Pa·L/S]；Sp———真空室抽氣口附近泵的有效抽速[L/S]。
真空容器的極限真空度通常遠(yuǎn)低于真空抽氣泵的極限真空度，兩者之差取決于Q0/Sp，在抽氣泵有效抽速一定的條件下，真空容器的極限真空與氣體負(fù)載成正比。
光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備真空抽氣系統(tǒng)選取了三臺(tái)抽速約為60000 L/s 的低溫泵作為高真空主抽泵。低溫泵通過管道和相應(yīng)的閥門與容器相連接的。低溫泵工作在分子流范圍內(nèi)，可用分子流狀態(tài)下短管流導(dǎo)公式(5)計(jì)算閥門和法蘭接管流導(dǎo)，經(jīng)計(jì)算短管的流導(dǎo)U=113388 L/s。再根據(jù)公式(4)可計(jì)算出單臺(tái)低溫泵有效抽速為39237 L/s，三臺(tái)低溫泵的有效抽速總和為117711 L/s。
在真空容器內(nèi)安裝有一塊1×1.2 m 的蜂窩冷屏，該冷屏主要用于光學(xué)載荷輻射制冷，該冷屏安裝有9 臺(tái)GM 制冷機(jī)，工作時(shí)冷屏溫度小于20 K，對(duì)空氣的主要成分氮氧也具有抽氣功能，冷屏的抽速可通過公式(8)計(jì)算得出：
式中：S0———有效抽速，L/s·cm2；G———捕集系數(shù)；Tg———氣體溫度，K；M———分子量。
計(jì)算1.2 m2 的20K 冷板對(duì)氮?dú)獾某樗僦导s為Se=24000 L/s。
低溫泵和20 K 冷屏總抽速為S=141711 L/s。根據(jù)有關(guān)參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，真空容器在連續(xù)經(jīng)過12 h 的抽氣后，不銹鋼容器抽放氣率約為3×10-7 Pa·L/s·cm2，熱沉銅翅片放氣率為4.1×10-7 Pa·L/s·cm2，黑漆在熱沉通入液氮后的放氣率比常溫環(huán)境下下降1～2 數(shù)量級(jí)，約為2×10-6 Pa·L/s·cm2，據(jù)此，整個(gè)容器內(nèi)部氣體總負(fù)載約為1.62 P·L，根據(jù)公式(7)可計(jì)算出整個(gè)光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備所能達(dá)到的極限真空度約為1.14×10-5 Pa。
圖2 容器真空度變化曲線圖
整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備安裝調(diào)試完畢后，已成功完成多次光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)，在三臺(tái)低溫泵都開啟抽氣、熱沉通入90 K 液氮、蜂窩冷屏降到20 K 時(shí)，系統(tǒng)極限真空度可達(dá)到9×10-6 Pa，抽氣過程中，容器真空度變化可參考圖2。
3、結(jié)束語(yǔ)
光學(xué)載荷定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備已于2013 年建成并投入使用，目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，真空抽氣系統(tǒng)的實(shí)際性能參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足相關(guān)定標(biāo)試驗(yàn)的要求，為我國(guó)光學(xué)載荷研制技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)設(shè)施保障。
