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真空/加壓系統(tǒng)為空間實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)正壓和負(fù)壓交替變化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過(guò)程有兩種工作狀態(tài)，即負(fù)壓和正壓。真空/加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊，真空/加壓系統(tǒng)充分利用了空間真空和微重力環(huán)境，降低了真空/加壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。

引言

低成本、短周期、高性能的發(fā)展空間有效載荷為目前航天發(fā)展的主要趨勢(shì)。隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，推動(dòng)了材料工程、生物工程等學(xué)科的長(zhǎng)足進(jìn)步，這些學(xué)科發(fā)展的同時(shí)需要大量的儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備在空間微重力、高真空、高宇宙輻射等特殊環(huán)境中展開(kāi)一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于目前航天實(shí)驗(yàn)成本還比較高昂，包括發(fā)射成本、實(shí)驗(yàn)?zāi)茉闯杀?、在軌運(yùn)行成本等，因此，為了降低研究實(shí)驗(yàn)成本，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方面盡可能遵循高集成、高可靠性的原則，一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備盡可能完成多項(xiàng)不同實(shí)驗(yàn)，將專(zhuān)用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備向通用性實(shí)驗(yàn)設(shè)備靠攏的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，盡可能將一臺(tái)設(shè)備的功能拓展。真空/加壓系統(tǒng)就是一臺(tái)集成了高真空系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠完成真空實(shí)驗(yàn)、壓力實(shí)驗(yàn)、微重力實(shí)驗(yàn)或三種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)任意組合的空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

真空/加壓系統(tǒng)的目的是通過(guò)空間真空環(huán)境、真空泵及高壓氣瓶等條件為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供高真空(10-2~10-5 Pa)環(huán)境和壓力環(huán)境(3×105~4×105 Pa)，同時(shí)可利用空間微重力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過(guò)程有以下兩種工作狀態(tài)：

(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)腔抽真空時(shí)：在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)柜提供的空間真空管道或排廢氣接口，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行真空預(yù)抽，待實(shí)驗(yàn)腔氣壓降至0.3 Pa左右，再利用分子泵對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行進(jìn)一步抽真空，直到滿足實(shí)驗(yàn)要求，最高可達(dá)到10-5 Pa；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要保持真空環(huán)境，持續(xù)開(kāi)啟分子泵，維持實(shí)驗(yàn)腔氣壓在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求的真空度，為保證分子泵的低能耗，在滿足抽速的條件下盡量選用低功率分子泵。

(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)腔加壓時(shí)：在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)柜提供的真空管道或排廢氣接口，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行排氣，在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)的氣體排除干凈之后，打開(kāi)氣瓶或?qū)嶒?yàn)柜氮?dú)饨涌诘拈y門(mén)，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行充氣。當(dāng)氣壓達(dá)到要求之后，關(guān)閉閥門(mén)，停止充氣。根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行真空/加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電源：100 VDC；峰值功耗不大于200 W(持續(xù)時(shí)間不大于1 h)；實(shí)驗(yàn)腔容積：6 L(L=350 mm，D=155 mm)；起抽壓力0.3 Pa；極限壓力1× 10-5 Pa；氣源：N2空間站提供，自帶氣瓶1(Ar)，自帶氣瓶2(O2)；空間站提供初級(jí)真空接口：0.3 Pa；空間站提供廢氣接口：0.3 Pa(N2必須導(dǎo)回空間站廢氣系統(tǒng))。

依據(jù)真空/加壓系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)要求，經(jīng)分析設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)組成原理圖，系統(tǒng)主要分為三個(gè)子系統(tǒng)：抽真空子系統(tǒng)、氣體加注子系統(tǒng)以及控制采集子系統(tǒng)。

圖1 真空與加壓系統(tǒng)組成原理圖

系統(tǒng)主要組成部組件有：真空泵、壓力傳感器、真空電離規(guī)、閥門(mén)、管路、氣瓶和控制器。實(shí)驗(yàn)腔的真空環(huán)境通過(guò)渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)，渦輪分子泵是靠高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械真空泵。工作壓力范圍在1~10-8 Pa。先進(jìn)的泵可以獲得10-9 Pa的極限壓力，分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，但渦輪分子泵不能直接對(duì)大氣排氣，需要配置前級(jí)泵，并且其主要性能(極限壓力和抽速)都和配置的前級(jí)泵的容量、轉(zhuǎn)速，被抽氣體的種類(lèi)有關(guān)。為了節(jié)省空間資源和降低能耗，系統(tǒng)中可充分利用空間的真空環(huán)境，省去分子泵的前級(jí)泵。

真空/加壓系統(tǒng)中真空泵的選型是關(guān)鍵，必須根據(jù)使用條件多方面綜合考慮。真空系統(tǒng)選取泵的主要依據(jù)是：

(1)空載時(shí)實(shí)驗(yàn)腔所需要達(dá)到的極限真空度；

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所需要的工作真空度；

(3)對(duì)真空環(huán)境和空間站廢氣系統(tǒng)環(huán)境無(wú)油污污染。

實(shí)驗(yàn)腔的真空度一定要保證在分子泵最佳抽速壓力范圍之內(nèi)，所需要的分子泵抽速由實(shí)驗(yàn)腔實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放出的氣量、系統(tǒng)漏氣量以及所需要的真空度來(lái)確定。

3.1、初始狀態(tài)

初始狀態(tài)下，閥1~閥6為關(guān)閉狀態(tài)，閥1控制分子泵出氣口的通斷，閥3控制分子泵進(jìn)氣口的通斷、同時(shí)起到加壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護(hù)分子泵的作用，閥2控制實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行高壓放氣和真空保持，閥4、閥5和閥6相應(yīng)控制Ar、O2或N2氣源的供氣通斷，閥3在高壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護(hù)真空電離規(guī)、真空狀態(tài)下打開(kāi)真空測(cè)量通路，閥7至閥9對(duì)高壓氣源減壓至滿足自鎖閥工作壓力，設(shè)定壓力為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求壓力。

3.2、加壓狀態(tài)

(1)當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行N2 加注時(shí)：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥5，打開(kāi)閥6進(jìn)行N2注入，當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí)，壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力反饋至控制單元并關(guān)閉閥6；

(2)當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行Ar加注時(shí)：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥6，打開(kāi)閥4進(jìn)行Ar注入，當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔壓力達(dá)到要求壓力時(shí)，壓力傳感器1將實(shí)驗(yàn)腔的壓力發(fā)送至控制單元關(guān)閉閥4，同時(shí)氧分壓傳感器檢測(cè)氧分壓，并將檢測(cè)值反饋至控制單元，控制單元控制閥5將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)氧分壓保持在10-5~10-2 Pa之間；

(3)壓力傳感器2和壓力傳感器3分別檢測(cè)Ar氣瓶和O2氣瓶?jī)?nèi)部壓力，當(dāng)壓力接近減壓閥預(yù)設(shè)壓力后提示更換滿瓶Ar氣瓶或O2氣瓶。

3.3、真空狀態(tài)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)腔需要真空度達(dá)到10-5 Pa時(shí)，首先關(guān)閉閥4、閥5、閥6，打開(kāi)閥2，將實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)氣體導(dǎo)回至空間站廢氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)腔壓力降至0.3 Pa，然后關(guān)閉閥2，打開(kāi)閥1、閥3，并啟動(dòng)分子泵將實(shí)驗(yàn)腔真空度降低并保持在10-5 Pa，真空電離規(guī)對(duì)實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)部壓力進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)值反饋到控制單元。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)布局圖

實(shí)驗(yàn)腔既是真空容器，也為壓力容器，因此真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.chvacuum.com/）認(rèn)為在設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧兩種容器的注意事項(xiàng)。設(shè)計(jì)應(yīng)遵循6點(diǎn)：

(1)為了減少漏氣量和漏孔，焊縫的總長(zhǎng)度盡可能短；

(2)避免十字交叉焊縫，焊縫的高度應(yīng)大于殼體厚度的1/3，兩焊縫之間的距離應(yīng)大于100 mm；

(3)所有焊縫都不妨礙真空檢漏；

(4)殼體上開(kāi)孔最好不要開(kāi)在焊縫上；

(5)實(shí)驗(yàn)腔加工完成后需進(jìn)行漏率檢驗(yàn)和耐壓實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)腔漏率建議不大于1×10-7 Pa·m3/s；實(shí)驗(yàn)腔應(yīng)能承受0.6 MPa的壓力；對(duì)焊縫進(jìn)行100%無(wú)損探傷；

(6)腔體材料盡可能選用出氣量小的材料，如鋼、鈦合金等各種材料，適用實(shí)驗(yàn)腔材料如表1所示。

表1 各種材料適用的實(shí)驗(yàn)腔

從以上對(duì)真空/加壓系統(tǒng)的應(yīng)用研究得出三個(gè)結(jié)論：

(1)真空加壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，可為空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供正壓、負(fù)壓、以及正壓負(fù)壓交替的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

(2)一個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體包含真空腔和壓力腔雙重作用，減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量，拓展了功能，使實(shí)驗(yàn)滿足從4×105 Pa～10-5 Pa超寬壓力范圍的不同需求；

(3)充分利用空間環(huán)境，省去了不必要的冗余設(shè)備，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度從而提高其可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運(yùn)行成本。