陳 濤，王正義，許忠旭

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

帶有密封艙段的航天器在進(jìn)行真空熱試驗(yàn)時(shí)，為了避免艙內(nèi)氣體對(duì)流換熱對(duì)熱試驗(yàn)的影響，需要通過(guò)壓控系統(tǒng)對(duì)密封艙內(nèi)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。壓控系統(tǒng)的主要功能是：對(duì)密封艙內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)控，維持艙內(nèi)壓力在一目標(biāo)值；按照一定的速率要求實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)壓力的泄壓或復(fù)壓過(guò)程。壓控系統(tǒng)研制的難點(diǎn)是對(duì)密封艙內(nèi)壓力變化速率的控制：在一定的泄壓或復(fù)壓時(shí)間內(nèi)，不同階段的變化速率要求有所不同，同時(shí)還要解決低溫環(huán)境下的真空密封、管路絕熱等問(wèn)題。近年來(lái)，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研制的壓控系統(tǒng)已多次成功應(yīng)用于帶有密封艙段的真空熱試驗(yàn)中，系統(tǒng)的性能隨著試驗(yàn)的要求不斷地改進(jìn)和完善，其自動(dòng)化程度也不斷提升。本文以某型號(hào)熱試驗(yàn)時(shí)密封艙壓力控制要求為背景，詳細(xì)介紹了壓控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 壓控系統(tǒng)技術(shù)要求

壓控系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）壓控系統(tǒng)可以控制密封艙內(nèi)壓力在 30 33 kPa之間；

2）能夠?qū)⒚芊馀搩?nèi)空氣壓力在 30 min內(nèi)從30 kPa泄壓至10 kPa，或從10 kPa復(fù)壓至30 kPa。

2 壓控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，壓控系統(tǒng)的主要功能是：對(duì)密封艙內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)控；完成密封艙的泄復(fù)壓過(guò)程。整套壓控系統(tǒng)由真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等4部分組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 壓控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 1 Configuration of the pressure control system

真空系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)是整套壓控系統(tǒng)的核心部分：前者完成對(duì)密封艙的抽氣過(guò)程和密封艙內(nèi)壓力在30 min內(nèi)從30 kPa泄壓至10 kPa的任務(wù)，后者可以向密封艙內(nèi)補(bǔ)充潔凈、干燥的空氣，能夠在30 min內(nèi)將密封艙內(nèi)壓力從10 kPa復(fù)壓至30 kPa，兩者共同完成密封艙內(nèi)的壓力控制。泄壓過(guò)程中氣體經(jīng)過(guò)冷阱；復(fù)壓過(guò)程中氣體經(jīng)過(guò)復(fù)壓管路進(jìn)入密封艙，而不經(jīng)過(guò)冷阱。

真空測(cè)量系統(tǒng)用于對(duì)密封艙內(nèi)壓力快速地測(cè)量，為測(cè)控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。測(cè)控系統(tǒng)能夠進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程的操作控制與參數(shù)監(jiān)視，方便試驗(yàn)操作人員的使用。

2.2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 真空機(jī)組抽速計(jì)算

試驗(yàn)過(guò)程中壓控系統(tǒng)工作的壓力范圍為101～10 kPa，所需要的真空系統(tǒng)的有效抽速可按公式(1)[1]進(jìn)行計(jì)算。

式中：t為抽氣時(shí)間，s；V為密封艙容積，m3；Se為真空泵的有效抽速，m3/s；P0為密封艙內(nèi)初始?jí)毫?，Pa；P為密封艙內(nèi)目標(biāo)壓力，Pa；kq為系數(shù)。計(jì)算得真空有效抽速為Se＝30.5 L/s。

在實(shí)際使用過(guò)程中，真空泵的有效抽速受管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)徑、閥門(mén)、冷阱等因素的影響，會(huì)有不同程度的下降。之前進(jìn)行過(guò)的兩次壓控試驗(yàn)過(guò)程的抽氣數(shù)據(jù)如表 1所示。從表中可以看出，8 L/s抽速的機(jī)械泵只有理論抽速的一半左右。在此定義有效抽速和名義抽速的比值為抽速影響系數(shù)b，它是表示以上諸因素對(duì)真空泵抽速影響程度大小的因子，其數(shù)值越小，表示對(duì)真空泵抽速的影響越大。

表1 某兩次試驗(yàn)時(shí)從30 kPa泄壓至10 kPa的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Depressurization data in the range from 30 kPa through 10 kPa

根據(jù)表1，可知抽速影響系數(shù)為0.6左右。在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，取抽速影響系數(shù) b＝0.66。因此所要配置的真空系統(tǒng)的名義抽速為

2.2.2 壓控（真空）管道設(shè)計(jì)

壓控管道可分為容器內(nèi)壓控管道和容器外壓控管道?？紤]到試驗(yàn)對(duì)傳導(dǎo)熱阻的要求，容器外壓控管道采用不銹鋼管道，容器內(nèi)壓控管道采用不銹鋼真空波紋管[2]。容器內(nèi)壓控管道兩端帶接口法蘭，一端和密封艙連接，一端和環(huán)境模擬器壁上的法蘭連接。

壓控管道法蘭和密封艙接口法蘭的連接為雙密封結(jié)構(gòu)，采用氟橡膠圈密封。兩法蘭的連接螺栓裝有隔熱墊，滿(mǎn)足隔熱和密封要求。

壓控管道外表包覆多層隔熱組件，阻止熱沉對(duì)壓控管道的輻射換熱，同時(shí)對(duì)管道內(nèi)氣體有保溫作用。在壓控管道的法蘭頸上布置兩個(gè)鉑電阻，用于管道壁溫監(jiān)測(cè)。

2.2.3 冷阱設(shè)計(jì)

液氮冷阱安裝在壓控系統(tǒng)的抽氣管路上，可以吸附來(lái)自密封艙內(nèi)的水蒸氣，同時(shí)保證密封艙內(nèi)部不會(huì)受到來(lái)自外部壓控系統(tǒng)的氣體污染。

冷阱的類(lèi)型為中心帶人字形障板的冷阱[2]，對(duì)可凝揮發(fā)物具有良好的捕集效果。冷阱底部帶放水口，便于將冷阱吸附的水放出。冷阱結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的冷阱流導(dǎo)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，是一種性能優(yōu)良的冷阱。

圖2 冷阱結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of LN2 trap

2.2.4 氣體采集及充氣容器設(shè)計(jì)

氣體采集及充氣容器為一圓柱形不銹鋼真空室，兩端為球面封頭，容器上設(shè)計(jì)有KF40、KF25和KF16接口以及一個(gè)觀察窗。

該容器在本壓控系統(tǒng)中主要作用為：

1）提供為密封艙進(jìn)行充氣的接口；

2）在其上安裝四極質(zhì)譜儀，可對(duì)密封艙內(nèi)的氣體成分進(jìn)行分析；

3）可在其上安裝真空規(guī)管，作為密封艙內(nèi)真空測(cè)量規(guī)管的備件；

4）可連接分子泵機(jī)組。

2.3 充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充氣系統(tǒng)包括充氣閥門(mén)、過(guò)濾器和充氣管路等，安裝在氣體采集及充氣容器上，用于完成密封艙的復(fù)壓任務(wù)[3-5]。

密封艙內(nèi)壓力在30 min內(nèi)從10 kPa復(fù)壓至30 kPa時(shí)所需閥孔尺寸的計(jì)算公式為

式中：d為放氣閥孔直徑，m；V為真空容器體積，m3；R為摩爾氣體常數(shù)，R= 8.3145J/(mol·k)；M為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；T為氣體的溫度，K；K為系數(shù)；

2.4 真空測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓控系統(tǒng)需要對(duì)密封艙內(nèi)的氣體壓力進(jìn)行快速精確地測(cè)量，以滿(mǎn)足試驗(yàn)過(guò)程的需要。密封艙內(nèi)的壓力在101～1kPa之間變化，因此我們選用在此壓力區(qū)間內(nèi)具有較高測(cè)量精度（達(dá)到讀數(shù)的0.12%）和穩(wěn)定性的薄膜規(guī)進(jìn)行壓力測(cè)量。我們使用兩只薄膜規(guī)互為備份，以防單點(diǎn)失效。

薄膜真空計(jì)為兩通道輸入，可接2只薄膜規(guī)。壓力數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232C接口送入監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。

氣體采集及充氣容器上裝有1只壓阻規(guī)和1只電離規(guī)，用于壓控系統(tǒng)的真空輔助測(cè)量。

另外，氣體采集及充氣容器上還裝有一臺(tái)四極質(zhì)譜儀，它在微量調(diào)節(jié)閥和分子泵的配合下，可以對(duì)密封艙內(nèi)的氣體成分進(jìn)行分析。

2.5 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)用于對(duì)壓控系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行控制，它由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元為包括PLC和工控機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控程序采用iFIX4.0開(kāi)發(fā)。監(jiān)控程序具有設(shè)備控制、參數(shù)顯示、曲線繪制、數(shù)據(jù)查詢(xún)、超限報(bào)警等功能，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)操作需要。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與結(jié)果分析

壓控系統(tǒng)研制完成后，在密封艙中進(jìn)行了性能指標(biāo)的測(cè)試驗(yàn)證，如圖 3所示。系統(tǒng)在 30 10 kPa的工作壓力范圍內(nèi)，泄壓過(guò)程用時(shí)26 min，復(fù)壓過(guò)程用時(shí)5 min，均滿(mǎn)足試驗(yàn)時(shí)密封艙的泄復(fù)壓要求；系統(tǒng)能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)密封艙內(nèi)壓力維持在 101～10 kPa范圍內(nèi)某一壓力值，本次測(cè)試在10 kPa的保壓結(jié)果表明，系統(tǒng)也能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)時(shí)密封艙內(nèi)壓力在30～33 kPa范圍內(nèi)的穩(wěn)壓要求。整個(gè)測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 壓控系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Fig. 3 Test curve of the pressure control system

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用的干泵機(jī)組作為泄壓設(shè)備，能夠?qū)⒚芊馀摰膲毫υ?0 min內(nèi)從30 kPa泄壓至10 kPa。充氣系統(tǒng)可以在30 min內(nèi)將密封艙的壓力從10 kPa復(fù)壓至30 kPa，并且可以維持密封艙內(nèi)的壓力在30～33 kPa。壓控系統(tǒng)管路與密封艙通過(guò)非金屬材料連接，滿(mǎn)足傳導(dǎo)熱阻要求。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型號(hào)真空熱試驗(yàn)中，達(dá)到了密封艙內(nèi)的壓力控制目的。

隨著空間探測(cè)活動(dòng)的深入開(kāi)展，對(duì)密封艙壓力控制的要求會(huì)越來(lái)越高。后續(xù)壓控系統(tǒng)的研制將著眼于壓力調(diào)控范圍更寬、控制精度更高、響應(yīng)更迅速的要求，同時(shí)還要滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的需要。

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[1] 達(dá)道安. 真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006

[2] 徐成海. 真空低溫技術(shù)與設(shè)備[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007

[3] 王欲知. 真空技術(shù)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007

[4] 許忠旭. 電子儀器泄復(fù)壓試驗(yàn)與設(shè)備研制[J]. 航天器環(huán)境工程, 2007, 24(4): 225

[5] 陳金明, 陽(yáng)高峰, 龔潔, 等. KM6水平艙綜合復(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(6): 54