光學載荷定標試驗設備真空抽氣系統(tǒng)設計
光學載荷定標試驗設備主要用于為航天器光學載荷定標試驗提供真空、冷黑及太陽輻射的空間環(huán)境。設備主要包括：真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、中央測控系統(tǒng)、20 K 深冷系統(tǒng)、太陽模擬器系統(tǒng)等。本文概要介紹了光學載荷定標試驗設備真空抽氣系統(tǒng)的主要性能指標、系統(tǒng)組成以及設計計算。
為滿足新型航天器光學載荷定標試驗要求，我國新建了一套Φ5 m×6.5 m 的空間環(huán)模試驗設備，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為該套設備可以滿足光學載荷紅外定標試驗和小型航天器熱平衡試驗的要求。光學載荷定標試驗設備主要由6 個分系統(tǒng)組成，分別為真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、中央測控系統(tǒng)、20 K深冷系統(tǒng)、太陽模擬器系統(tǒng)。
1、系統(tǒng)設計概述
光學載荷定標試驗設備的空載真空度要求為2×10-5 Pa，由于光學載荷對可凝污染物比較敏感，要求油密封真空泵的工作時間控制在1.5 h內，同時要配備擋油液氮冷阱。綜合技術指標要求，采用大口徑低溫泵作為主抽氣泵，羅茨泵和滑閥機械泵串聯(lián)作為粗抽真空泵組，并配備分子泵機組進一步輔助抽氣。系統(tǒng)原理圖見圖1，粗抽機組主要包括四臺H150 滑閥泵和兩臺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2000 L/s 的磁懸浮分子泵與一臺650 L/s的螺桿干泵， 高真空泵抽氣系統(tǒng)配備了3 臺Coolvac60000BL-V 型低溫泵，單臺低溫泵的名義抽速可達60000 L/s，低溫泵的再生泵與分子泵機組前級泵共用一臺螺桿干泵。根據(jù)系統(tǒng)流程分為如下幾個階段：
(1)粗真空抽氣階段，此階段的抽氣機組為滑閥機械泵- 羅茨泵機組；
(2)過渡真空抽氣階段，此階段的抽氣機組是渦輪分子泵機組；
(3)高真空抽氣階段，此階段的抽氣泵為低溫泵。
上述抽氣設備中滑閥-羅茨泵機組負責迅速將容器從大氣壓抽到5 Pa 左右；渦輪分子泵機組則主要負責將容器真空度進一步提高，為低溫泵的啟動提供過渡，同時在此階段可對整個定標設備進行檢漏，渦輪分子泵具有啟動快、抽速穩(wěn)定等優(yōu)點；低溫泵是整個真空抽氣系統(tǒng)的主抽泵，它具有抽速大、無污染、真空度高、可長時間工作等優(yōu)點，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為非常適合超大體積超高真空的抽氣系統(tǒng)。近年來，國內外新建的大型空間環(huán)境模擬器均采用大型低溫泵來抽氣。
圖1 真空系統(tǒng)原理圖
2、真空系統(tǒng)設計計算
2.1、粗抽分系統(tǒng)參數(shù)計算
粗抽系統(tǒng)抽氣時間的計算可根據(jù)式(1)：
式中：Se———粗抽泵對真空容器出口所造成的有效抽速[L/s]；t———抽到預備真空度所需要的時間[s]；V———真空容器的體積[L]；P1———抽氣開始時容器內的壓強[Pa]；P2———所達到的預備真空度[Pa]；K———修正系數(shù)，1～4。
本系統(tǒng)的容器體積約為162 m3，首先啟動四臺H150 滑閥機械泵將容器抽到1000 Pa，然后啟動兩臺ZJB1200 羅茨泵，將真空容器的真空度抽到5 Pa。
粗抽管道長6 m，直徑400 mm，管道中平均壓強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)，選擇流導公式(2)進行計算：
代入數(shù)據(jù)，U 管道為14300 L/s。
把110 mm 厚的閥門和200 mm 長的短管看成約310 mm 的短管。根據(jù)公式(3)計算得閥門流導約為U 閥門=276600 L/s，DN400 的液氮冷阱的流導為6200 L/S。
根據(jù)管道串聯(lián)的流導計算公式：
式中：U———粗抽系統(tǒng)總流導[L/s]；U 管道———管道流導[L/s]；U 冷阱———冷阱流導[L/s]；U 閥門———閥門流導[L/s]。
計算得粗抽系統(tǒng)除真空抽氣泵外的總流導約為4260 L/s。根據(jù)公式(4)計算的粗抽系統(tǒng)中滑閥機械泵作為主抽泵時的有效抽速為525 L/s，羅茨泵作為主抽泵時的有效抽速為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[L/s]。
根據(jù)公式(1)計算，滑閥機械泵可在30 min內將真空容器抽到1000 Pa，羅茨泵可在32 min 左右將容器真空度抽到5 Pa，整個粗抽機組約需1 h將真空容器從一個大氣壓抽到5 Pa 的真空度。
2.2、分子泵抽氣機組參數(shù)計算
真空抽氣系統(tǒng)配備分子泵機組主要有兩個功能：一是將真空容器的真空度由粗抽機組抽到5 Pa 進一步降低到5×10-2 Pa 以下真空度，因為這是低溫泵的最低啟動真空度要求；二是整個試驗設備研制期間需要對容器、液氮熱沉、真空閥門、管路等部件進行多次氦質譜檢漏，配備一套分子泵機組可以方便的進行氦質譜檢漏工作。
分子泵機組管道長500 mm(包含120 mm 的閥門厚度)，直徑250 mm，根據(jù)計算，分子泵抽氣階段管道內為分子流狀態(tài)，根據(jù)圓短管流導公式(5)計算，管道流導為2 276 L/s。
式中：D———管道直徑[cm]；L———管道長度[cm]；A———管道截面積[cm2]；U 管道———管道流導[L/s]。
根據(jù)公式(4)可計算得單臺分子泵的有效抽速為1 064 L/s，兩臺分子泵總有效抽速為2128 L/s。
氣量計算：定標設備真空容器內表面積為158 m2，加上內部的導軌、支架等不銹鋼工件的表面放氣，整個真空容器內部不銹鋼材質的放氣面約為160 m2，熱沉的表面積為124 m2，熱沉外表面為普通銅結構，內表面噴涂有航天專用黑漆。在剛剛開始抽氣的幾小時內，材料的出氣率是動態(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)計算，總的氣量負載為71 Pa·L。根據(jù)公式(6)計算，通過分子泵連續(xù)抽氣5 h，真空容器的真空度可以達到3.3×10-2 Pa。
2.3、高真空抽氣系統(tǒng)參數(shù)設計
整個真空容器能達到的極限真空，由公式(7)決定：
式中：Pj———真空室所能達到的極限真空[Pa]；P0———真空泵的極限真空[Pa]；Q0———試驗設備本身的氣體負載[Pa·L/S]；Q1———試驗過程中試件的氣體負載[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載成正比。
光學載荷定標試驗設備真空抽氣系統(tǒng)選取了三臺抽速約為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的閥門與容器相連接的。低溫泵工作在分子流范圍內，可用分子流狀態(tài)下短管流導公式(5)計算閥門和法蘭接管流導，經(jīng)計算短管的流導U=113388 L/s。再根據(jù)公式(4)可計算出單臺低溫泵有效抽速為39237 L/s，三臺低溫泵的有效抽速總和為117711 L/s。
在真空容器內安裝有一塊1×1.2 m 的蜂窩冷屏，該冷屏主要用于光學載荷輻射制冷，該冷屏安裝有9 臺GM 制冷機，工作時冷屏溫度小于20 K，對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。
計算1.2 m2 的20K 冷板對氮氣的抽速值約為Se=24000 L/s。
低溫泵和20 K 冷屏總抽速為S=141711 L/s。根據(jù)有關參考文獻和經(jīng)驗，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，約為2×10-6 Pa·L/s·cm2，據(jù)此，整個容器內部氣體總負載約為1.62 P·L，根據(jù)公式(7)可計算出整個光學載荷定標試驗設備所能達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
整個試驗設備安裝調試完畢后，已成功完成多次光學載荷定標試驗，在三臺低溫泵都開啟抽氣、熱沉通入90 K 液氮、蜂窩冷屏降到20 K 時，系統(tǒng)極限真空度可達到9×10-6 Pa，抽氣過程中，容器真空度變化可參考圖2。
3、結束語
光學載荷定標試驗設備已于2013 年建成并投入使用，目前設備運轉正常，真空抽氣系統(tǒng)的實際性能參數(shù)優(yōu)于設計指標，滿足相關定標試驗的要求，為我國光學載荷研制技術的發(fā)展提供了基礎設施保障。
