卜珺珺，曹 軍，楊曉林

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

空間站或空間實(shí)驗(yàn)室為開展空間實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了微重力實(shí)驗(yàn)條件，而且為各種有效載荷實(shí)驗(yàn)提供了控制與數(shù)據(jù)處理、熱控、二次電源、氣體供應(yīng)、真空、視頻等支持[1]。其中，真空支持系統(tǒng)為有效載荷實(shí)驗(yàn)提供廢氣排放及真空度維持。部分有效載荷實(shí)驗(yàn)在供應(yīng)氣體前先要對(duì)其工作區(qū)預(yù)抽真空，實(shí)驗(yàn)完畢后須將產(chǎn)生的廢氣排放到太空，所需的真空排放系統(tǒng)稱為有效載荷廢氣排放子系統(tǒng)；另外部分實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過程中必須對(duì)工作區(qū)保持一定的真空度，所需的真空抽氣系統(tǒng)稱為有效載荷真空資源子系統(tǒng)。廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)兩者合稱有效載荷真空支持系統(tǒng)。

國(guó)際空間站有效載荷廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)是平行的兩條氣路。我國(guó)空間站規(guī)模小，有效載荷機(jī)柜數(shù)量較少，對(duì)真空支持系統(tǒng)的使用頻率較低。如果使用一路氣路實(shí)現(xiàn)廢氣排放及真空度維持雙重功能，則可節(jié)省大量建設(shè)成本。本文研究了目前國(guó)際空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的組成、控制及性能，并結(jié)合初步的地面試驗(yàn)探索，給出我國(guó)空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的初步方案設(shè)想。

1 國(guó)外研究和應(yīng)用情況

國(guó)際空間站是人類迄今為止在太空建造的規(guī)模最大、建設(shè)周期最長(zhǎng)的空間實(shí)驗(yàn)基地，它吸收了以往各空間實(shí)驗(yàn)室、空間站的成功經(jīng)驗(yàn)，并運(yùn)用了新的設(shè)計(jì)方法和理念，其組合體管理模式及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持方案對(duì)我國(guó)空間站的建設(shè)具有重要的借鑒作用。

國(guó)際空間站的真空支持系統(tǒng)分為兩個(gè)層次：實(shí)驗(yàn)艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)和有效載荷機(jī)柜級(jí)的真空支持系統(tǒng)。對(duì)于大多數(shù)有效載荷來說，實(shí)驗(yàn)艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)足以滿足實(shí)驗(yàn)所需的真空環(huán)境；但在個(gè)別有效載荷機(jī)柜內(nèi)，需要更高的真空度，此時(shí)僅靠實(shí)驗(yàn)艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)無法滿足實(shí)驗(yàn)條件，必須在有效載荷機(jī)柜內(nèi)專門設(shè)計(jì)一套真空支持系統(tǒng)，即機(jī)柜級(jí)的真空支持系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)分布在國(guó)際空間站的3個(gè)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)：美國(guó)“命運(yùn)號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙（USL），歐空局哥倫布軌道艙（APM）和日本實(shí)驗(yàn)艙（JEM）。機(jī)柜級(jí)的真空支持系統(tǒng)則主要分布在美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙的一號(hào)微重力材料科學(xué)機(jī)柜（MSRR-1）及微重力燃燒科學(xué)機(jī)柜（CIR）內(nèi)。

1.1 實(shí)驗(yàn)艙級(jí)真空支持系統(tǒng)

1.1.1 美國(guó)“命運(yùn)號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙（USL）

該艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)包括快速斷接器、機(jī)柜隔離閥、壓力傳感器、非推進(jìn)排氣閥、帶加熱器的

圖1 國(guó)際空間站美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙廢氣排放/真空資源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the US lab waste gas/vacuum resource subsystem onboard ISS

在近機(jī)柜端，廢氣排放管路通過快速斷接器連接到機(jī)柜界面板；快速斷接器可實(shí)現(xiàn)快速插拔，將系統(tǒng)與機(jī)柜機(jī)械斷開。快速斷接器的下游為機(jī)柜隔離閥，靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為彈性載荷密封閥，閥體上有手動(dòng)旋鈕、開關(guān)位置顯示及位置開關(guān)。常規(guī)操作方式為電動(dòng)方式，一旦電控失效，可手動(dòng)操作。機(jī)柜隔離閥的正常位置為關(guān)閉。排氣時(shí)，一次只能打開一個(gè)閥，有效防止不同氣體進(jìn)入系統(tǒng)可能發(fā)生的危險(xiǎn)。真空管路通過合理布局經(jīng)穿艙通向艙外太空，穿艙部位一般設(shè)在艙段側(cè)后舷。在穿艙處設(shè)排氣閥，該閥為組合式結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)依靠此閥將有效載荷工作室與太空隔離，以提高系統(tǒng)可靠性及整艙的密封可靠性，見圖 2。為防止排氣口處結(jié)霜，閥上設(shè)計(jì)了加熱器，見圖 3。排氣閥亦為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)閥，附近配備有工具箱，以備電動(dòng)控制失靈時(shí)的手動(dòng)操作及維修。系統(tǒng)中設(shè)置壓力傳感器，測(cè)量范圍為1.33×10-4～1.1×105Pa，布局在各支路及主干管路中，通過測(cè)量壓力可反映系統(tǒng)的工作狀況。廢氣排放子系統(tǒng)與真空資源子系統(tǒng)由共同的控制儀表——專用冗余電子單元進(jìn)行控制，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可自動(dòng)關(guān)閉氣動(dòng)元件。

圖2 帶加熱器的組合電動(dòng)閥外形圖Fig.2 The motor-driven multiplex valve with heaters

圖3 帶加熱器的組合電動(dòng)閥原理圖Fig.3 Principle of the multiplex motor-driven valve with heaters

在該實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，真空資源子系統(tǒng)與13個(gè)有效載荷機(jī)柜中的9個(gè)相連，最多能同時(shí)支持其中的6個(gè)機(jī)柜維持真空[3]，可以為有效載荷提供10-1Pa的壓力，為每個(gè)機(jī)柜以3×10-5L/s的抽速維持真空度。廢氣排放子系統(tǒng)為全部的 13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜提供廢氣排放，也可提供10-1Pa的壓力，它具備在不到2 h的時(shí)間內(nèi)將體積為100 L的有效載荷工作區(qū)從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓降到10-1Pa的能力，但一次只能為一個(gè)載荷進(jìn)行排放，每次排放量不能超過500 L[4]。廢氣排放子系統(tǒng)所接受的氣體成分、溫度及壓力都有要求，如溫度不能高于45 °C也不能低于水蒸氣的露點(diǎn)值（16 °C）、氧氣的體積分?jǐn)?shù)不得高于28%、工作起始?xì)鈮翰坏酶哂?75.8 kPa等[5]。

1.1.2 歐空局哥倫布軌道艙（APM）

該艙級(jí)的真空支持系統(tǒng)與美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙類似，不同點(diǎn)在于：1）系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了手動(dòng)復(fù)壓閥（見圖4）；2）配置了兩種量程的壓力傳感器，即低壓測(cè)量傳感器（量程 0.1～100 Pa）和高壓測(cè)量傳感器（量程 0.1～120 kPa）；3）真空資源子系統(tǒng)為 10個(gè)有效載荷機(jī)柜中的8個(gè)提供服務(wù)，廢氣排放子系統(tǒng)則為全部10個(gè)有效載荷機(jī)柜提供真空服務(wù)[6]。

圖 4 歐空局哥倫布軌道艙廢氣排放/真空資源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the ESA Columbus lab waste outgassing& vacuum resource subsystem onboard ISS

在該實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，真空資源子系統(tǒng)可為有效載荷機(jī)柜界面提供0.16 Pa的真空度。廢氣排放子系統(tǒng)則具備在2 h內(nèi)將體積為100 L、溫度為21 ℃的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的真空室抽至0.13 Pa的能力，并可將真空度維持在 0.13 Pa。復(fù)壓由專門的手動(dòng)閥進(jìn)行，真空資源及廢氣排放子系統(tǒng)管路中各使用一個(gè)加壓閥進(jìn)行獨(dú)立復(fù)壓。

1.1.3 日本實(shí)驗(yàn)艙（JEM）

該艙內(nèi)有11個(gè)有效載荷機(jī)柜，其真空支持系統(tǒng)與歐空局實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的設(shè)計(jì)一致，為每一個(gè)左右舷有效載荷機(jī)柜提供獨(dú)立的廢氣排放及真空維持。

1.2 有效載荷機(jī)柜級(jí)真空支持系統(tǒng)

1.2.1 美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙一號(hào)微重力材料科學(xué)機(jī)柜（MSRR-1）

一號(hào)微重力材料科學(xué)機(jī)柜的真空系統(tǒng)除了實(shí)驗(yàn)艙級(jí)的真空資源子系統(tǒng)和廢氣排放子系統(tǒng)之外，還設(shè)計(jì)了專用真空支持系統(tǒng)，由真空獲得模塊（VAS）、真空/氣體分配模塊（VGS）等組成。真空獲得模塊由4個(gè)真空閥門、2個(gè)壓力傳感器、5個(gè)加壓氣室和連接管路組成，位于載荷機(jī)柜內(nèi)的一個(gè)抽屜內(nèi)。該模塊通過界面連接板將真空/氣體分配模塊與空間站的兩個(gè)真空支持子系統(tǒng)相連接，同時(shí)為材料科學(xué)試驗(yàn)?zāi)K（MSL）和空間產(chǎn)品開發(fā)試驗(yàn)?zāi)K（SPD）提供真空通道。真空獲得模塊受機(jī)柜主控制器控制。

真空/氣體分配模塊包括兩臺(tái)渦輪分子泵、一臺(tái)質(zhì)譜儀、若干閥門、傳感器及連接到空間站廢氣排放子系統(tǒng)的抽氣管道。真空/氣體分配系統(tǒng)可以通過壓力升降技術(shù)為試驗(yàn)載荷核心設(shè)備提供自檢能力，根據(jù)試驗(yàn)需求，材料科學(xué)機(jī)柜的試驗(yàn)過程會(huì)用到樣品安瓿插件組元（sample ampoule cartrige assembly），有可能帶來氪泄漏，需用質(zhì)譜儀進(jìn)行檢漏。渦輪分子泵的作用是把檢漏環(huán)境壓力從10-1Pa（真空獲得模塊與空間站廢氣排放子系統(tǒng)相連得到）抽到10-3Pa，以滿足質(zhì)譜儀工作要求[7-8]。

在該機(jī)柜內(nèi)，設(shè)計(jì)了專用真空控制單元——加強(qiáng)版主控制器單元檢測(cè)器，對(duì)真空獲得模塊及真空/氣體分配模塊組成的真空系統(tǒng)進(jìn)行控制。工作時(shí)，位于真空閥上的壓力傳感器將模擬壓力信號(hào)傳送給主控制器，主控制器通過求解工作區(qū)及真空管路氣壓變化的模擬方程計(jì)算出適當(dāng)?shù)膲毫ψ兓?，指示真空獲得模塊中的真空閥做出反應(yīng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的。輸出壓力信號(hào)在傳感器顯示屏上的讀數(shù)每秒鐘更新一次。

1.2.2 微重力燃燒科學(xué)機(jī)柜（CIR）

與一號(hào)微重力材料科學(xué)機(jī)柜類似，在微重力燃燒科學(xué)綜合機(jī)柜中，也設(shè)計(jì)了專用的真空支持系統(tǒng)，包括排氣通風(fēng)子系統(tǒng)和氣相色譜子系統(tǒng)。該系統(tǒng)在微重力燃燒科學(xué)綜合機(jī)柜中扮演著十分重要的角色，是機(jī)柜光學(xué)安裝板上的一個(gè)綜合系統(tǒng)，負(fù)責(zé)燃燒試驗(yàn)所需氣體的檢測(cè)、供應(yīng)及對(duì)廢氣排放的控制。圖5為CIR界面及真空支持系統(tǒng)實(shí)物。

圖5 CIR的實(shí)物照片及真空支持系統(tǒng)（圖中頂部1/3）Fig.5 The photo of CIR and the vacuum support system(the top 1/3)

排氣通風(fēng)系統(tǒng)由一個(gè)排氣通風(fēng)包（exhaust/vent package, EVP）、兩臺(tái)磁偶極循環(huán)泵、一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)、若干傳感器和閥門、一條排氣管道及一條再循環(huán)回路組成。排氣通風(fēng)包中布置有吸附劑化學(xué)層及粒子網(wǎng)孔過濾器。燃燒實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢氣以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后留在燃燒室的廢氣需要經(jīng)過處理達(dá)到空間站的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)才能排放到廢氣排放子系統(tǒng)中。工作時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)吹動(dòng)燃燒廢氣向排氣通風(fēng)包方向流動(dòng)，廢氣通過排氣通風(fēng)包凈化及吸附后，再經(jīng)過氣相色譜進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)廢氣成分達(dá)到空間站廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，打開排氣管道將其排放到空間站廢氣排放子系統(tǒng)中；當(dāng)燃燒廢氣達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，啟用兩臺(tái)磁偶極循環(huán)泵將廢氣抽回到燃燒室，進(jìn)行下一次凈化吸附，如此循環(huán)，直至達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。在此過程中，為了增強(qiáng)過濾效果，可增加排氣通風(fēng)包的數(shù)量。該過程的流程如圖6所示。

圖6 排氣通風(fēng)系統(tǒng)工作流程Fig.6 Working flowchart of the EVS

氣相色譜系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)氣體組分，判斷燃燒室內(nèi)燃料是否已燃燒及燃燒廢氣是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。燃燒試驗(yàn)是多種多樣的，產(chǎn)生的廢氣種類也很多，包括甲烷、乙烯、丙醛、正丁醛、癸烷、庚烯、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、水蒸氣等，還包含固體顆粒及其他成分。因此，排氣通風(fēng)包中的吸附劑化學(xué)層及粒子網(wǎng)孔過濾器相應(yīng)地準(zhǔn)備了不同的類型及大小，吸附劑材料包括固體氫氧化鋰、活性炭、硅膠及分子篩等，并使用不同的凈化法，如分子篩選法、接觸氧化法等。排氣通風(fēng)包設(shè)計(jì)為與機(jī)柜安裝板活動(dòng)連接，以便應(yīng)對(duì)不同廢氣吸附及凈化時(shí)的更換及升級(jí)。

2 我國(guó)空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的初步方案設(shè)想

2.1 實(shí)驗(yàn)艙級(jí)真空支持系統(tǒng)

我國(guó)的空間站建設(shè)尚處于起步階段，實(shí)驗(yàn)艙級(jí)真空支持系統(tǒng)也仍在方案論證當(dāng)中，擬采用與國(guó)際空間站類似的方案，區(qū)別在于我國(guó)空間站將真空維持與廢氣排放合二為一，采用一路真空管路實(shí)現(xiàn)真空支持。

與國(guó)際空間站相比，我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)有效載荷機(jī)柜的數(shù)量不及一半，對(duì)真空支持系統(tǒng)的使用頻率相對(duì)較低。按序合理安排各種實(shí)驗(yàn)，可避開不同實(shí)驗(yàn)載荷對(duì)真空資源/廢氣排放的需求沖突，達(dá)到一路兩用的目的，從而節(jié)約資源、節(jié)省成本。方案構(gòu)成原理見圖7。

圖7 我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙級(jí)真空支持系統(tǒng)構(gòu)成原理Fig.7 Principle of vacuum support system of experiment module class onboard China′s space station

實(shí)驗(yàn)艙級(jí)真空支持系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)為 8個(gè)機(jī)柜中的有效載荷工作室提供0.1 Pa的真空度，為全部標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜提供廢氣排放服務(wù)。系統(tǒng)與外太空相連，配置電動(dòng)閥、手動(dòng)復(fù)壓閥與溫度、壓力傳感器及控制器等裝置，并設(shè)計(jì)必要的安全報(bào)警措施。系統(tǒng)常規(guī)操作方式為自動(dòng)方式，手動(dòng)操作作為備份。當(dāng)電網(wǎng)不能正常供電或其他原因致使自動(dòng)方式失效時(shí)，在站人員可臨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)操作。

2.2 有效載荷機(jī)柜級(jí)真空支持系統(tǒng)

由于管路及氣動(dòng)元件的流阻，通過連接艙外太空的方式設(shè)計(jì)的真空支持系統(tǒng)僅可為有效載荷實(shí)驗(yàn)提供粗真空，而高真空獲得有賴于專門設(shè)備，必須配置有效載荷機(jī)柜級(jí)的真空支持系統(tǒng)。

高真空獲得設(shè)備的核心部件為一臺(tái)渦輪分子泵，可根據(jù)需要將工作室的真空度抽到10-3Pa或者更高。真空泵與工作室之間采用金屬波紋管連接，采用電磁閥進(jìn)行隔離，管路中設(shè)置壓力傳感器。通過合理布局將機(jī)組置于系統(tǒng)機(jī)柜的抽屜內(nèi)。系統(tǒng)通過機(jī)柜操作面板上的控制儀表進(jìn)行操作。

使用質(zhì)譜儀對(duì)排放氣體進(jìn)行成分分析，對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)并配置有害氣體吸附包。吸附包采用物理及化學(xué)兩種方法進(jìn)行氣體過濾，并定期更換。到期的吸附包將被裝入垃圾收集子系統(tǒng)，帶回地面進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語

真空支持系統(tǒng)是空間有效載荷支持系統(tǒng)的重要組成部分，為有效載荷實(shí)驗(yàn)提供必不可少的真空服務(wù)。本文從空間實(shí)驗(yàn)艙級(jí)和有效載荷機(jī)柜級(jí)兩個(gè)層面入手，概括了國(guó)際空間站的真空支持系統(tǒng)，并提出我國(guó)空間站真空支持系統(tǒng)的初步方案設(shè)想。

我國(guó)空間站的建設(shè)工作剛啟動(dòng)不久，有效載荷真空支持系統(tǒng)仍處于方案地面試驗(yàn)階段。深入研究各系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)、完成多方案地面試驗(yàn)是下一步的重點(diǎn)工作。可參考國(guó)際空間站有效載荷真空支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，汲取其成功經(jīng)驗(yàn)，在初步地面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和研制，必要時(shí)進(jìn)行飛行器搭載試驗(yàn)，為我國(guó)空間站的系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

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