中國(guó)航天器真空技術(shù)的進(jìn)展(一)
中國(guó)航天器真空技術(shù)的進(jìn)展(一)*達(dá)道安，談治信(蘭州物理研究所，甘肅蘭州730000)
摘 要 : 圍繞著中國(guó)航天器真空技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用問(wèn)題，綜合地介紹了其技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突出了中國(guó)極高真空技術(shù)的發(fā)展。提出了“分子真空壽命”這一新的物理量，并以此概念推導(dǎo)出測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的方法。指出了在超高和極高真空條件下壓力失去了原有的物理意義，引人了“有效壓力”、“入射率”、“靜壓”、“動(dòng)壓”等新概念。探索了在空間條件下真空測(cè)量中的方向性效應(yīng)和理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量偏離問(wèn)題的特殊性和復(fù)雜性。介紹了利用分子沉技術(shù)研制的極高真空裝置獲得了10 -11Pa極限真空度，介紹了中國(guó)已建立的航天器模擬設(shè)備的現(xiàn)狀、性能指標(biāo)和主要用途。概述了中國(guó)空間材料的真空效應(yīng)研究現(xiàn)狀，指出了空間材料、活動(dòng)部件的冷焊及航天器敏感表面分子污染對(duì)航天器的長(zhǎng)壽命和可靠性的影響。展望了中國(guó)航天器真空技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:真空物理;真空獲得;真空測(cè)量;真空檢漏;
空間環(huán)境模擬技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào):0552;
V47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 真空材料
A 文章編號(hào):1006-7086(2001)04-0187一07PROGRE OF VACUUM OF ACECRAFT IN CHINADA Dao-an,TAN Zhi-xin(Lanzhou Ititute of Physics,CAST, Lanzhou,730000,China)Atract :Surorunding the subject of alication of the vacuum technology in ace,the generals ituation of development in the acecraft vacuum technology in China is syntheticaly introduced. The development of extreme high vacuum in China is introduced in detail. The new physical concept "molecule vacuum life"is presented, on which the method of measuring the thermal adaptation coefficient of gas molecule is deduced. It is indicated that the preure lo esits original physical m eaning under the ultra and extreme high vacuum conditio.The new concepts as " efficient preure"," incidence"," staticpr eure"and" dynamical preure" a red rew.The particularity and the complication of the directional effect and the the oretical calculation of vacuum measurement deviating from real measurement under the ace conditio are explored. The extreme high vacuum equipment with molecular sink technology obtai 10 -11Pa ofultimate vacuum. The present situation, performance and main functio of acecraft simulation equipment developed in China are introduced. The researches on ace materials vacuum effects in China are described. The effects of cold weld for ace materials and mobile parts and the effects of molecule pollution on the long life and the reliability of acecraft are indicated. The development of acecraft vacuum technology in China is expected.Key words:vacuum physicvacuum acquirement;vacuum measurement;vacuum leak detectiovacuum materialace environment simulation technologies.
1 引言 航天器真空技術(shù)是真空技術(shù)的重要組成部分，為在空間環(huán)境(或模擬空間環(huán)境)中應(yīng)用真空技術(shù)的派生技術(shù)。它既有傳統(tǒng)真空技術(shù)的內(nèi)容，又包括空間應(yīng)用的特性[1]。該技術(shù)隨著航天器技術(shù)的迅速發(fā)展而不斷提高、完善。中國(guó)對(duì)航天器真空技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。1962年，中國(guó)為適應(yīng)原子能、電子、航天技術(shù)發(fā)展的需要，成立了以研究真空技術(shù)為專(zhuān)業(yè)方向的中國(guó)科學(xué)院蘭州物理研究所(即510所前身)。1968年蘭州物理研究所根據(jù)中國(guó)加緊實(shí)施人造地球衛(wèi)星的“651”計(jì)劃，開(kāi)始進(jìn)行航天器真空技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作。此后，又有另一些單位(如北京環(huán)境工程研究所、上海衛(wèi)星工程研究所、北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所等)參加到該項(xiàng)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的行列。20世紀(jì)60年代末期，蘭州物理研究所和北京環(huán)境工程研究所合作率先研制成功了以KM系列為代表的熱真空環(huán)境模擬設(shè)備，并交付使用，為中國(guó)衛(wèi)星零部件、整體的熱真空、高、低溫模擬試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)提供了條件和保證。
20世紀(jì)80年代，蘭州物理研究所等單位又相繼研制了用于航天器整體實(shí)驗(yàn)的大型空間環(huán)境設(shè)備;用于航天器部件和系統(tǒng)組件實(shí)驗(yàn)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備;用于航天器運(yùn)動(dòng)部件真空潤(rùn)滑性能和空間輻射環(huán)境模擬設(shè)備和用于離子推進(jìn)器性能試驗(yàn)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火、真空激光點(diǎn)火、航天飛船模擬艙及紅外真空定標(biāo)等的模擬設(shè)備。這些空間模擬設(shè)備涉及到高真空、超高真空、極高真空的獲得、真空測(cè)量、真空檢漏、材料及新工藝等一系列技術(shù)問(wèn)題。
隨著航天 科技不斷進(jìn)步，中國(guó)的航天器真空技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。廣大科技工作者全力以赴地開(kāi)展了空間真空技術(shù)的理論研究和實(shí)驗(yàn)工作，以及地面模擬試驗(yàn)和空間材料科學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)航天器地面模擬試驗(yàn)，提高了航天器在空間環(huán)境中的適應(yīng)性。1987年中國(guó)s*次進(jìn)行了在真空和微重力環(huán)境下材料加工試驗(yàn)，試驗(yàn)的內(nèi)容主要有:定向生長(zhǎng)單晶、合金重熔再結(jié)晶等。
進(jìn)人20世紀(jì)90年代，中國(guó)載人航天發(fā)展迅速，給我國(guó)的航天器真空技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為確保載人飛船空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的進(jìn)行，1992年北京環(huán)境工程研究所開(kāi)始研制了供載人飛船整體試驗(yàn)的KM6大型空間環(huán)境模擬設(shè)備。該設(shè)備的研制成功并投人使用，為我國(guó)第一艘神舟一號(hào)無(wú)人試驗(yàn)飛船及以后的飛船的成功發(fā)射、準(zhǔn)確回收、著陸提供了可靠性的保障。與此同時(shí)，肩負(fù)載人飛船生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)研究重任的國(guó)防科工委北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所，在利用原有宇航員訓(xùn)練試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的同時(shí)，著手研制了宇航員生命保障系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)研究等地面模擬試驗(yàn)設(shè)備。這些大型地面模擬設(shè)備的研制，有力地推動(dòng)了我國(guó)航天器真空技術(shù)的發(fā)展。
經(jīng)過(guò)30多年的努力，中國(guó)航天器真空技術(shù)的應(yīng)用在空間科學(xué)中的真空測(cè)量、空間真空環(huán)境的模擬實(shí)驗(yàn)、空間材料的真空效應(yīng)、質(zhì)譜分析、真空檢漏和空間應(yīng)用新工藝等諸多領(lǐng)域里取得了很多成果。
2 中國(guó)航天器真空技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)
2.1 真空獲得設(shè)備 中國(guó)已研制成功了從低真空(105~102 Pa)的往復(fù)式真空泵、液環(huán)真空泵、水環(huán)一大氣真空泵到中高真空(10-1~10-5Pa)的蒸汽流泵(油增壓泵、油擴(kuò)散泵)以及超高真空(< 10-5Pa)的分子泵、氣體捕集真空泵(鐵泵、濺射離子泵、低溫泵)等系列產(chǎn)品，滿足了不同真空度的需要。在旋片式真空泵中(105~10-2Pa),2X 型系列真空泵得到了廣泛使用。直聯(lián)高速旋片式真空泵是在旋片式機(jī)械真空泵的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝上重大改革后產(chǎn)生的一種新型泵種。它具有體積小、質(zhì)量輕、振動(dòng)小、噪聲低等特點(diǎn)，特別適用于安裝在精密儀器真空設(shè)備上。羅茨真空泵在很大的壓力范圍內(nèi)(103~1 Pa)，具有很大的抽速(30--20 000 L/ s)，能迅速排出突然放出的氣體，彌補(bǔ)了油擴(kuò)散泵與油封機(jī)械泵在該壓力范圍內(nèi)抽速小的缺陷，z*適合作為增壓泵用，廣泛用于空間模擬、低密度風(fēng)洞等真空裝置中抽除非腐蝕性氣體。金屬油擴(kuò)散泵在工作壓力范圍為10-2一10-6 Pa內(nèi)具有很大的抽速(十至十幾萬(wàn)Us)，對(duì)各種氣體無(wú)選擇性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是獲得高真空或超高真空的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于空間模擬裝置領(lǐng)域。中國(guó)在直腔油擴(kuò)散泵的基礎(chǔ)上發(fā)展的凸腔油擴(kuò)散泵，其抽速比直腔擴(kuò)散泵增加30%左右，技術(shù)性能先進(jìn)，被廣泛采用。渦輪分子泵工作壓力范圍為10--10-8 Pa，抽速一般在500L/s，先進(jìn)的泵甚至可以獲得10-9Pa的極高真空。這種泵的抽速范圍很寬，在9個(gè)數(shù)量級(jí)間具有恒定的抽速，適合于在清潔的高真空和超高真空儀器、設(shè)備上使用。低溫泵用低溫介質(zhì)將抽氣面冷卻到20K以下，使抽氣面能大量冷凝沸點(diǎn)溫度比該抽氣面溫度高的氣體，從而產(chǎn)生很大的抽氣作用。小型制冷機(jī)低溫泵是目前比較理想的清潔超高真空泵，廣泛用于薄膜制備、微電子學(xué)技術(shù)、高能物理、小型環(huán)模設(shè)備以及其他各個(gè)領(lǐng)域。此外，為解決各類(lèi)真空裝置中配罩真空抽氣機(jī)組的需要，中國(guó)還研制生產(chǎn)了水環(huán)一大氣真空機(jī)組、羅茨泵真空機(jī)組、油擴(kuò)散泵真空機(jī)組、濺射離子泵真空機(jī)組、渦輪分子泵真空機(jī)組等從低真空到高真空的各類(lèi)真空機(jī)組[2,4]
2.2 真空測(cè)量技術(shù) 我國(guó)的真空測(cè)量?jī)x器包括低真空(105一102P a)的U型壓力計(jì)，中真空(102一10-1P a)的熱偶真空計(jì)、電阻真空計(jì)，高真空(10-1--10-5 Pa)的電離真空計(jì)和超高真空(< 10-5 Pa)的超高真空計(jì)。其中復(fù)合真空計(jì)(10一10-6 Pa)、電阻磁放電真空計(jì)、全自動(dòng)中真空計(jì)、數(shù)字超高真空計(jì)、數(shù)字電離真空計(jì)、數(shù)字自動(dòng)充氣真空計(jì)及磁控冷規(guī)真空計(jì)(10-2一10-9 Pa)被廣泛地采用，滿足了中國(guó)真空設(shè)備的真空測(cè)量的需要。
在真空系統(tǒng)的氣體分析和分壓力測(cè)量方面，四極質(zhì)譜計(jì)發(fā)展很快。這種質(zhì)譜儀不需要磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，靈敏度與分辨本領(lǐng)均較高，調(diào)節(jié)方便(只需調(diào)節(jié)電參數(shù))，對(duì)人射離子束的軸向能量、分散和角度分散不很敏感，允許在較高的壓力(10-2 Pa)下工作，掃描速度快，z*高掃速可達(dá)104 一10 5 rm/s，僅次于飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，質(zhì)量標(biāo)度是線性的。中國(guó)于1963年就研制成功可用于檢漏的四極質(zhì)譜計(jì)，檢漏靈敏度達(dá)1×10- 7Pa-U1964年研制了ZhL- 01型四極質(zhì)譜計(jì);1976年研制了ZP一4001型四極分壓力計(jì)，z*小可檢分壓力小于10-10 Pa、分辨本領(lǐng)(50%峰高)大于450;1977年研制了SZn一1型和QSF型四極質(zhì)譜計(jì)，均達(dá)到較高水平;1978年研制出s*臺(tái)小型四極分析儀器，它不但探頭體積小，而且結(jié)構(gòu)小巧、操作方便，分辨率達(dá)到國(guó)外同類(lèi)儀器的先進(jìn)水平，為中國(guó)航天器在真空條件下的氣體分析和分壓力測(cè)量創(chuàng)造了條件。
極高真空測(cè)量技術(shù)難度大，一直是國(guó)內(nèi)外尚未完全解決的難題。蘭州物理所經(jīng)過(guò)10多年的探索，先后研制成功了9種規(guī)型[1]。這9種規(guī)型分別是:1968年研制成功的抑制規(guī)，可以測(cè)至10-10Pa的低壓;1971研制成功的彎注規(guī)，可以測(cè)至10-11Pa的低壓;1969-1971年研制成功的冷陰極磁控規(guī)，這種規(guī)的測(cè)量下限為10-11P a，在壓力低于1.3× 10-8Pa時(shí)是非線性的。1980年研制成功的3種新型結(jié)構(gòu)的倍增器規(guī)，其中以雙彎注規(guī)性能z*好，測(cè)量下限為10-12P a;19 83年研制成功的熱陰極與場(chǎng)致發(fā)射冷陰極球形振蕩器規(guī)，可測(cè)至10-9 Pa的低壓;1985年研制成功的具有管形倍增器的小型離子束偏轉(zhuǎn)規(guī)，可測(cè)到10-12 Pa的低壓;1985年研制成功的新型電子束偏轉(zhuǎn)規(guī)，在結(jié)構(gòu)上、原理上都有所突破，它采用控制電子束偏轉(zhuǎn)和電子接收位置的新構(gòu)思，能使X射線的發(fā)射方向背離離子收集板，從而延伸了測(cè)量下限，用這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可測(cè)至10-11Pa的低壓，規(guī)管常數(shù)為0.338 -1 Pa。
在用分子沉獲得的極高真空裝置上，除配有一種巴爾蔡司公司生產(chǎn)的全自動(dòng)數(shù)字顯示的超高真空電離計(jì)(用的是規(guī)管常數(shù)為0.188-1 Pa調(diào)制B-A規(guī))外，還配有蘭州物理研究所研制的陶瓷裸式彎注規(guī)[2](規(guī)管常數(shù)為0.105-1 Pa，離子流測(cè)量采用TR一84M振簧式靜電計(jì))。后者在測(cè)量技術(shù)方面著重作了2點(diǎn)改進(jìn):
(1)將規(guī)管的鎢燈絲改為敷氧化牡鎢燈絲，降低了燈絲的溫度，使燈絲工作時(shí)的蒸汽壓由10-10Pa降低到10-12Pa以下;
(2)解決了弱小電流測(cè)量中的絕緣屏蔽及接地等一系列技術(shù)問(wèn)題，能可靠、穩(wěn)定地測(cè)量10-15A的弱小電流。該測(cè)量規(guī)在實(shí)驗(yàn)裝置中經(jīng)過(guò)多次正常運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)(12次)，能穩(wěn)定地測(cè)量10-11Pa的低壓。
2.3 真空檢漏技術(shù) 我國(guó)于1964年研制成功了超靈敏度氦質(zhì)譜檢漏儀，靈敏度達(dá)10-11 Pa·L/s，其性能達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平。20世紀(jì)60年代后期以來(lái)，中國(guó)開(kāi)展了對(duì)各種檢漏技術(shù)的理論和檢漏方法的系統(tǒng)研究和實(shí)驗(yàn)，其中包括氦質(zhì)譜檢漏儀法、四極質(zhì)譜檢漏法、真空計(jì)法、高頻火花檢漏法、分子泵返流檢漏法等18種，為真空檢漏技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中國(guó)研制了標(biāo)準(zhǔn)漏孔及標(biāo)準(zhǔn)漏孔校對(duì)系統(tǒng)，推動(dòng)了中國(guó)檢漏技術(shù)的發(fā)展?！ ≡跇O高真空檢漏技術(shù)方面，蘭州物理研究所于1964年開(kāi)始進(jìn)行兩極串聯(lián)非均勻磁偏轉(zhuǎn)超靈敏氦質(zhì)譜檢漏儀的研制。該儀器采用軸向離子源、差級(jí)抽氣和兩極非均勻分析儀等措施，有效地提高了儀器靈敏度，使儀器的z*小可檢率提高到6.6x10-11 Pa-Us，達(dá)到了當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平。進(jìn)人20世紀(jì)70年代，隨著大型地面環(huán)模、低溫液體燃料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、運(yùn)載火箭及航天器等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢漏技術(shù)提出了更高要求。為解決中國(guó)航天工程急待解決的檢漏難題，開(kāi)展了對(duì)氦質(zhì)譜檢漏法、標(biāo)準(zhǔn)漏孔的研制及標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng)、大容器檢漏方法的研究，同時(shí)，還開(kāi)展了對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)檢漏技術(shù)、分子源返流檢漏技術(shù)、檢漏技術(shù)理論的研究和許多檢漏方法的補(bǔ)充。其中，探漏盒法、氦罩法、靈敏探檢法和靜態(tài)升壓法等已成為大容器檢漏不可缺少的方法，并且這些方法已在大型的航天醫(yī)學(xué)研究和宇航訓(xùn)練艙(直徑3m，長(zhǎng)度7m,容積72時(shí))、大型空間環(huán)模設(shè)備(直徑0.5一12 m，長(zhǎng)度0.5-20 m)等方面的檢漏得到了成功的應(yīng)用?！ ?duì)于分子沉獲得的極高真空裝置來(lái)說(shuō)，由于容積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣密性要求極高。為此，檢漏工作貫穿于整個(gè)加工過(guò)程中。在裝備安裝調(diào)試時(shí)，主要采用氦質(zhì)譜檢漏儀的噴吹法和氦罩法，同時(shí)，采用了靜態(tài)升壓法和真空計(jì)法進(jìn)行檢漏，以后又繼續(xù)采用四極質(zhì)譜儀和氦質(zhì)譜檢漏儀相結(jié)合的方法進(jìn)行檢漏，使裝備的真空度達(dá)到了極高真空。
2.4 極高真空技術(shù)(1) 概 述 極高真空是指大氣壓力低于10-11Pa的真空環(huán)境。蘭州物理研究所在解決了涉及到極高真空獲得的理論研究、獲得技術(shù)、真空測(cè)量、材料出氣、吸附、低溫技術(shù)等方面很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題后，研制成功了具有三個(gè)獨(dú)立抽氣系統(tǒng)的金屬極高真空裝置。該裝置利用液氮溫度下的冷凍升華臍和分子沉技術(shù)相結(jié)合的方法，在中國(guó)s*次成功地采用彎注規(guī)，在直徑為400 mm、長(zhǎng)度為500mm的圓柱形容器中穩(wěn)定地獲得了10-11Pa的極限真空度。該項(xiàng)成果在真空獲得技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和微電流測(cè)量技術(shù)方面達(dá)到了20世紀(jì)80年代中期世界先進(jìn)水平，標(biāo)志著中國(guó)真空科學(xué)技術(shù)進(jìn)人了新階段。(2) 極高真空技術(shù)的理論研究 極高真空處于空間真空的分子沉環(huán)境中，氣體分子運(yùn)動(dòng)完全不同于地面實(shí)驗(yàn)室真空容器中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分子運(yùn)動(dòng)不服從麥克斯韋速度分布律。在這種環(huán)境中，真空理論和技術(shù)都要發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。所謂分子沉環(huán)境是指在地球靜止軌道上真空度達(dá)10-11Pa、背景溫度為3--4 K的無(wú)限大的空間環(huán)境。在這種環(huán)境中航天器發(fā)出的氣體一旦離開(kāi)，就會(huì)飛向無(wú)限遠(yuǎn)的空間不再返回。這就是分子沉環(huán)境氣體分子運(yùn)動(dòng)的特性。蘭州物理研究所對(duì)氣體分子遠(yuǎn)離平衡態(tài)的理論進(jìn)行了較深人的系統(tǒng)研究，文獻(xiàn)[3]提出了“分子真空壽命”這一新的物理量，推導(dǎo)出了一個(gè)利用“分子真空壽命”測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的方法，并建立了一套測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的裝置。這種新方法和以前的方法比較，具有簡(jiǎn)便、適應(yīng)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
由于空間科學(xué)中真空測(cè)量具有的變值，要求建立超音速分子流校對(duì)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)流校準(zhǔn)系統(tǒng)等特殊性的真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。1977年蘭州物理研究所對(duì)極高真空測(cè)量的理論問(wèn)題進(jìn)行了深人的研究[1]。提出了在極高真空條件下，壓力失去了原有的的物理意義。在討論空間環(huán)模容器中的真空測(cè)量時(shí)，引人了“有效壓力”、“人射率”、“靜壓”、“動(dòng)壓”等4種概念，并探索了在空間條件下，真空測(cè)量的特殊性和復(fù)雜性。所涉及到的問(wèn)題有原子氧的再結(jié)合，空間固有離子的防止，噴出氣流的膨脹和分子云、壓差變化的被測(cè)對(duì)象，非穩(wěn)定流的影響等問(wèn)題。根據(jù)這些特殊的環(huán)境條件，探索了真空測(cè)量中的分子流效應(yīng)和理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的偏離問(wèn)題。這些理論和實(shí)際問(wèn)題的探索為空間科學(xué)中的極高真空測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
(3) 極高真空技術(shù)的突破 極高真空獲得技術(shù)是在超高真空技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。蘭州物理研究所早在1959年曾采用帶液氮冷阱的擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)在40L的碳鋼容器中獲得10-8Pa的超高真空，這是中國(guó)z*早獲得超高真空的金屬系統(tǒng);20世紀(jì)60年代，為滿足大型超高真空環(huán)境設(shè)備以及薄膜、半導(dǎo)體對(duì)清潔真空的需要，研制了直徑為1m的超高真空系統(tǒng);從20世紀(jì)60年代到70年代，先后研制了摩擦試驗(yàn)機(jī)、全無(wú)油環(huán)模設(shè)備、冷焊實(shí)驗(yàn)裝置、消旋軸承實(shí)驗(yàn)設(shè)備等超高真空系統(tǒng)，建立了一整套真空校準(zhǔn)系統(tǒng);20世紀(jì)70年代末，又研制成功了獲得10-10Pa的帶欽升華阱的極高真空系;1985年在極高真空獲得技術(shù)方面，采用液氮溫度的冷凍升華阱和分子沉技術(shù)，研制出獲得10-11Pa的極高真空系統(tǒng)[2]?！ ≡撜婵障到y(tǒng)主要由主容器、極高真空室、加熱裝置、冷凍裝置及抽氣系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是容器包括內(nèi)殼和外殼兩部分，均由不銹鋼制成。外殼尺寸φ900mm x16 00mm，內(nèi)殼尺寸為φ600mm x 1000 mm，內(nèi)外殼之間的空間稱(chēng)為“夾層”，內(nèi)裝管狀加熱器和液氮冷阱的紫銅管;極高真空室由不銹鋼制成，尺寸為0400 mm x 500 mm，其結(jié)構(gòu)為雙壁室，用以貯存液氮;加熱裝置包括管狀加熱器和空氣加熱器兩部分，前者用來(lái)加熱外殼、內(nèi)殼和極高真空室，后者用來(lái)烘烤液氮冷阱;冷凍裝置由氟里昂制冷系統(tǒng)和開(kāi)式液氮供給系統(tǒng)組成，用于冷卻主擴(kuò)散泵上面的擋板及橡膠密封圈和供給冷阱。抽氣系統(tǒng)由三個(gè)相互獨(dú)立的分系統(tǒng)組成，即夾層、隧道和“主”抽氣系統(tǒng)。“夾層”抽氣系統(tǒng)是真空保護(hù)系統(tǒng)，工作壓力為10 -3 -10-5Pa，其作用是減少漏氣和漏熱;“隧道”抽氣系統(tǒng)是測(cè)量引線的保護(hù)真空通道，工作壓力為10-4--10-5 Pa;“主”抽氣系統(tǒng)同主容器和極高真空相連，由機(jī)械泵、兩級(jí)擴(kuò)散泵、人字形氟里昂擋板、液氮冷阱、兩級(jí)百葉窗擋板、冷凍升華阱和欽升華泵組成。實(shí)驗(yàn)證明，這種極高真空裝置的抽氣系統(tǒng)是合理的、先進(jìn)的。、
3 空間真空環(huán)境模擬設(shè)備3.1 概述 航天器在具有無(wú)限容積、真空、低溫、太陽(yáng)輻射、各種帶電粒子等特性的空間環(huán)境中飛行。其中，真空環(huán)境對(duì)飛行器運(yùn)行及材料的影響與大氣中不同。主要表現(xiàn)為:真空中的材料會(huì)加速升華，造成質(zhì)量損失;材料在真空中沒(méi)有氣體保護(hù)層，并可以失去氧化膜，使材料的光學(xué)特性改變，以至活動(dòng)部件之間的磨損增大，甚至出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象;真空中的儀器設(shè)備產(chǎn)生的熱量不易傳走，可能使局部溫度升高，影響儀器正常工作;材料長(zhǎng)期處于真空中，由于氣體脫附及易揮發(fā)物質(zhì)的損失，材料的熱性能及電性能將發(fā)生改變。除此之外，飛行器在空間飛行，還要受到太陽(yáng)輻射、各種帶電粒子及溫度的影響。這些因素將造成航天器材料性能改變，使材料損傷、儀器失靈，破壞飛行器工作，以至造成人身傷亡。為此，必須建立與空間環(huán)境相似的模擬設(shè)備，使飛行器上天之前通過(guò)地面模擬試驗(yàn)，消除隱患，以確保飛行時(shí)的可靠性[2]。3.2 中國(guó)現(xiàn)有的空間環(huán)境模擬設(shè)備 為適應(yīng)航天器發(fā)展，中國(guó)相繼研制了各類(lèi)環(huán)境模擬設(shè)備近百臺(tái)，使中國(guó)空間環(huán)境模擬設(shè)備從無(wú)到有、初具規(guī)模，基本上滿足了各種航天器及其零部件在各種不同空間環(huán)境條件下對(duì)試驗(yàn)的要求。按照用途，這類(lèi)設(shè)備可分為:(1)大型空間環(huán)境熱真空模擬設(shè)備(真空容器直徑在2--12 m范圍內(nèi))，主要提供航天器整體實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)航天器熱設(shè)計(jì)、溫控和整體功能等是否滿足設(shè)計(jì)要求;(2)組件熱真空實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要對(duì)航天器組件、分系統(tǒng)等儀器設(shè)備在空間真空和熱環(huán)境下進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)和可靠性實(shí)驗(yàn)，它一般應(yīng)具有10-3一10-5Pa壓力和一1%一100℃連續(xù)可調(diào)冷熱環(huán)境，在特殊情況下，要求5×10-8Pa以上清潔超高真空和一196-150℃的冷熱環(huán)境;(3)空間運(yùn)動(dòng)部件的地磁和輻照環(huán)境模擬設(shè)備，主要包括展開(kāi)、運(yùn)動(dòng)部件冷焊和摩擦試驗(yàn)、空間帶電、輻照和地磁亞暴環(huán)境及剩磁環(huán)境設(shè)備;(4)空間環(huán)境專(zhuān)用設(shè)備，是根據(jù)空間真空環(huán)境下不同物理過(guò)程而設(shè)計(jì)的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括離子火箭性能試驗(yàn)、空間光學(xué)儀器和組件試驗(yàn)、宇航員試驗(yàn)艙、紅外定標(biāo)和紅外輻射等方面的設(shè)備[1、2]。
3.3 KM大型熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備KM4設(shè)備是中國(guó)用于大型衛(wèi)星(飛船)的整體熱真空和熱平衡試驗(yàn)的設(shè)備，亦可作其大型部件或分系統(tǒng)的熱真空試驗(yàn)的典型設(shè)備。該設(shè)備采用適當(dāng)措施后，還可提供整星(船)作大氣壓條件下的熱循環(huán)試驗(yàn)和低壓下大型部件的高低溫性能考核試驗(yàn)等。該設(shè)備研制從1968--1980年，由北京環(huán)境工程研究所和蘭州物理研究所負(fù)責(zé)研制。1980年研制成功，并投人使用。
該設(shè)備的主要技術(shù)性能:(1)試驗(yàn)空間:直徑6m 、高8.5m ，試件人口直徑6m ;(2 )極限真空:5.1×10-6Pa ;
(3 )熱沉套壁溫:90士5K ;工作轉(zhuǎn)臺(tái):有繞兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，載重2000kg，轉(zhuǎn)速4r /min，轉(zhuǎn)臺(tái)并可作90。翻轉(zhuǎn);
(4)試件吊具:在試驗(yàn)大廳內(nèi)備有5t和20 t兩種吊鉤的橋式吊車(chē)，起吊高度為12 m,試驗(yàn)容器內(nèi)亦設(shè)計(jì)有三點(diǎn)支承的試件吊具，承重能力為2t，可將星(船)吊在容器內(nèi)試驗(yàn)。KM4熱真空試驗(yàn)設(shè)備由容器、真空抽氣系統(tǒng)、熱沉套及其降溫或加熱系統(tǒng)、太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)和溫度數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等5個(gè)分系統(tǒng)組成[2)，具體從略。
真空容器為立式，直徑7m ，高12m ，由不銹鋼材料制成。容器內(nèi)部配置了熱沉。熱沉材料為紫銅，結(jié)構(gòu)采用板與管焊接成圓筒狀和平板狀等形式。熱沉內(nèi)表面涂黑(有機(jī)黑漆)，吸收率為0.93。抽氣系統(tǒng)采用油擴(kuò)散泵抽氣機(jī)組，由抽速為5.0×104L/s油擴(kuò)散泵4臺(tái)，V一6型活塞泵2臺(tái)，H一8型滑閥泵4臺(tái)，ZL一11型羅茨泵4臺(tái)等組成。為了減少泵油污染，在油擴(kuò)散泵上方裝有水冷障板和液氮冷阱。為了獲得大的抽氣速率，在液氮熱沉背面裝有加K氣氦冷卻的深冷壁板，深冷壁板的面積約50時(shí)，對(duì)氧、氮的總抽速為1.5×106L /so液氮 外 流 程采用單相密閉循環(huán)。2臺(tái)液氮泵，每臺(tái)流量為32m 3/h，出口壓力為2.51 05P a.2 個(gè)液氮貯槽，每個(gè)重量為15 t。在液氮流程正常工作時(shí)，熱沉壁板溫度可達(dá)到90士5 K。熱氮?dú)饬鞒逃脕?lái)給熱沉加熱。它主要由空氣壓縮機(jī)、干燥器、油水分離器、爐、管道、閥門(mén)等組成。進(jìn)氣溫度為室溫，排氣z*高溫度150 `C?？諝鈮嚎s機(jī)出口處將熱氮?dú)夥殖?路，送人熱沉管道，使各部熱沉均勻升溫。20K氣氦流程采用單列雙向無(wú)油潤(rùn)滑氦壓縮機(jī)，4級(jí)壓縮出口壓力4M Pa，每臺(tái)進(jìn)氣量8.33(STP)襯/min，共3臺(tái)。制冷機(jī)采用透平式膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速7一9x1護(hù)r/min，效率為67%，制冷量約1 200W。制冷機(jī)從室溫到13 K需5一3h，深冷壁板從室溫到15K需4h，其中從液氮溫度到15K需3一4h。太陽(yáng)模擬系統(tǒng)采用19單元組合式同軸型卡塞格林系統(tǒng)，太陽(yáng)模擬系統(tǒng)光源采用25kW短弧水冷氛燈，光譜為濾光后的氖燈光譜，輻照強(qiáng)度為1.3太陽(yáng)常數(shù)，輻照面積12時(shí)(直徑3.9 m )，準(zhǔn)直角士2度，均勻度為12%一15%，穩(wěn)定性為15%。3.4 KM1超高真空環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備KM1超高真空環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備于1968年建成并投人使用。它可在高真空下、也可在超高真空下正常工作，為中國(guó)衛(wèi)星的零部件做過(guò)大量地試驗(yàn)工作。以后，為滿足組件部件試驗(yàn)需要，國(guó)內(nèi)不少單位將此設(shè)備略加修改，先后共生產(chǎn)了30多臺(tái)，技術(shù)性能基本相同。因此，該型號(hào)設(shè)備已成為中國(guó)航天器組件、部件環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備的典型代表?！ ≡O(shè)備的主要技術(shù)性能:(1)極限壓力(在空載情況下):當(dāng)熱沉溫度小于85K 時(shí)工作壓力<2.7x10-Pa、有的可達(dá)10-8P a，當(dāng)熱沉溫度為一60℃時(shí)工作壓力<2.7 x 1 0-5P a;(2)真空容器尺寸:直徑100m m，長(zhǎng)度20 00m m;有效試驗(yàn)空間:直徑800m m，長(zhǎng)度140m m; (3 )環(huán)境溫度:液氮冷卻熱沉壁板，可提供低于85 K低溫環(huán)境，溫度不均勻度低于士2 r-(若采用低溫酒精循環(huán)來(lái)冷卻熱沉壁板，熱沉壁板能在一60-15℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，溫度誤差和不均勻度低于12℃)。設(shè)備為有油真空系統(tǒng)。它由超高真空系統(tǒng)、液氮流程、氟里昂低溫流程、電控測(cè)試等4部分組成，具體從略[2]。3.5 亞暴環(huán)境模擬設(shè)備 亞暴環(huán)境模擬設(shè)備始建于1980年，是一臺(tái)多功能綜合環(huán)境模擬設(shè)備，主要用于衛(wèi)星表面材料帶電試驗(yàn)研究。衛(wèi)星帶電技術(shù)研究的對(duì)象是空間等離子體環(huán)境(磁層、電離層)與航天器間的相互作用及防護(hù)間題。由于電子環(huán)境和太陽(yáng)光照環(huán)境都是亞暴模擬的主要環(huán)境，衛(wèi)星在這些環(huán)境的作用下，當(dāng)電子能量為5--30 keV范圍時(shí)，電子通量z*大，且不易穿透材料，電子易附于材料表面層。衛(wèi)星在向太陽(yáng)時(shí)表面可達(dá)100℃的高溫，背太陽(yáng)時(shí)可達(dá)一100℃的低溫。溫度將改變材料表面電阻、體電阻及其它性能。此外，在此環(huán)境作用下，影響衛(wèi)星表面電荷積累的因素有電子束能量及密度、人射離子密度、材料二次發(fā)射、光電發(fā)射、離子引起的二次發(fā)射、表面電導(dǎo)及體電導(dǎo)等。為此，亞暴環(huán)境模擬設(shè)備必須考慮這些因素。中國(guó)亞暴環(huán)模設(shè)備真空室上布有電子束、離子束、光束等人射窗口，配置有粒子束流密度、表面電位探針、表面電導(dǎo)、體電位、放電脈沖等多種探測(cè)儀器，滿足了衛(wèi)星表面材料帶電試驗(yàn)的需要。該設(shè)備的主要性能:(1)真空容積:直徑500m m，長(zhǎng)度800m m，臥式結(jié)構(gòu)，不銹鋼材料，全部金屬密封;(2)極限壓力:5x 1 0-4P a;(3 )熱沉溫度:80K ;(4 )樣品臺(tái)溫度:一173℃一100℃。其中，真空抽氣機(jī)組:主泵為1 200 L/s的立式渦輪分子泵，30 Us的羅茨真空泵和8 Us的直聯(lián)式機(jī)械泵作為預(yù)抽及前級(jí)維護(hù)泵，并設(shè)有液氮冷阱，以防止機(jī)械泵對(duì)真空容器的污染[2]。3.6 冷焊模擬設(shè)備冷焊是指兩塊表面非常清潔的材料在一定壓力和遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下，接觸表面產(chǎn)生相互擴(kuò)散而結(jié)合在一起的現(xiàn)象。它對(duì)航天器的長(zhǎng)壽命和可靠性具有重要意義。中國(guó)對(duì)冷焊的研究始于1970年，冷焊設(shè)備建立于1972--1974年。該設(shè)備的主要用途:
(1)對(duì)空間活動(dòng)部件的冷焊性能進(jìn)行評(píng)價(jià);
(2)進(jìn)行冷焊性能的機(jī)理研究;(3)可在超高真空條件下研究各種材料的摩擦性能并進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)備技術(shù)性能:(1)熱沉溫度:77K ;(2)極限真空度:6.6×10-9Pa ;
(3)測(cè)力范圍:50x10-150N,設(shè)備包括三個(gè)主要部分:無(wú)油超高真空冷焊模擬系統(tǒng)，其抽氣抽氣機(jī)組由分子泵(或吸附泵)、欽升華泵、冷陰極濺射離子泵等組成;冷焊測(cè)力裝置，包括杠桿式冷焊測(cè)力裝置、冷焊測(cè)力軸尖天平、應(yīng)變測(cè)力裝置[2]。3.7 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車(chē)臺(tái) 中國(guó)于1971--1981年研制成功第一座火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車(chē)臺(tái)，主要用于人造衛(wèi)星姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的地面模擬實(shí)驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖時(shí)間為20 ms到幾秒，推力為5 N，噴氣量為331.20 kg/h。其中水蒸汽含量為2.85 kg/h。高空試車(chē)臺(tái)要求能模擬45 km高空的環(huán)境條件，并能及時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的高溫、高速氣流排到大氣中，以確保推力測(cè)試數(shù)據(jù)精度。設(shè)備的主要性能指標(biāo):真空容器真空度:33P a發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火時(shí)),330P a(點(diǎn)火后的工作壓力);在1650Pa的入口壓力下，泵的抽速達(dá)1.6 t/h(對(duì)20℃干燥空氣)[2]。3.8 消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備 衛(wèi)星上的許多儀器和機(jī)構(gòu)(如消旋天線機(jī)構(gòu)、反作用飛輪、太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、紅外相機(jī)、磁帶機(jī)、各種伸展機(jī)構(gòu))都離不開(kāi)滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承等潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)零件，它們的壽命和可靠性直接影響著整星的功能和壽命。特別是消旋組件是通信衛(wèi)星上w*沒(méi)有備份的部件，一旦失效，衛(wèi)星就成了“啞巴”，失去了跟地面通訊的功能。為此，中國(guó)于1980年起相繼研制成功了ZZS-1,ZZS-2等消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備。消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備主要用于研究空間用軸承的摩擦潤(rùn)滑動(dòng)態(tài)特性以及長(zhǎng)期轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各種摩擦潤(rùn)滑特性的變化及機(jī)理。其中，ZZS一2型試驗(yàn)設(shè)備可同時(shí)對(duì)4套消旋軸承組件進(jìn)行1:1的壽命試驗(yàn);進(jìn)行熱真空試驗(yàn);可對(duì)空間活動(dòng)部件在模擬空間工況下的運(yùn)行性能作出評(píng)價(jià)?！ 〖夹g(shù)性能(ZZS一2型):
(1)真空室有效直徑500m m，長(zhǎng)度600m m;
(2 )極限壓力:6.6×10-8P a;(3)熱沉:一196-50℃(液氮冷套);(4)溫度:一55-50℃(半導(dǎo)體冷套)。其中，真空抽氣機(jī)組由1臺(tái)2X-15型機(jī)械泵、超高真空閥、1臺(tái)2TL - 500型濺射離子泵、一臺(tái)內(nèi)熱式2x1護(hù)Us欽升華泵等組成[2]。參考文獻(xiàn):[1]達(dá)道安.空間真空技術(shù)[Ml.北京:宇宙出版社，1995.[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(修訂版)[Ml.北京:國(guó)際工業(yè)出版社，1991.[3]達(dá)道安，張彥偉.氣體分子和固體表面的熱適應(yīng)系數(shù)[J]真空與低溫，1986,1:9-18.[4] 劉玉魁.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理〔M].北京:新時(shí)代出版社，1988.中國(guó)航天器真空技術(shù)的進(jìn)展(二)
摘 要 : 圍繞著中國(guó)航天器真空技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用問(wèn)題，綜合地介紹了其技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突出了中國(guó)極高真空技術(shù)的發(fā)展。提出了“分子真空壽命”這一新的物理量，并以此概念推導(dǎo)出測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的方法。指出了在超高和極高真空條件下壓力失去了原有的物理意義，引人了“有效壓力”、“入射率”、“靜壓”、“動(dòng)壓”等新概念。探索了在空間條件下真空測(cè)量中的方向性效應(yīng)和理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量偏離問(wèn)題的特殊性和復(fù)雜性。介紹了利用分子沉技術(shù)研制的極高真空裝置獲得了10 -11Pa極限真空度，介紹了中國(guó)已建立的航天器模擬設(shè)備的現(xiàn)狀、性能指標(biāo)和主要用途。概述了中國(guó)空間材料的真空效應(yīng)研究現(xiàn)狀，指出了空間材料、活動(dòng)部件的冷焊及航天器敏感表面分子污染對(duì)航天器的長(zhǎng)壽命和可靠性的影響。展望了中國(guó)航天器真空技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:真空物理;真空獲得;真空測(cè)量;真空檢漏;
空間環(huán)境模擬技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào):0552;
V47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 真空材料
A 文章編號(hào):1006-7086(2001)04-0187一07PROGRE OF VACUUM OF ACECRAFT IN CHINADA Dao-an,TAN Zhi-xin(Lanzhou Ititute of Physics,CAST, Lanzhou,730000,China)Atract :Surorunding the subject of alication of the vacuum technology in ace,the generals ituation of development in the acecraft vacuum technology in China is syntheticaly introduced. The development of extreme high vacuum in China is introduced in detail. The new physical concept "molecule vacuum life"is presented, on which the method of measuring the thermal adaptation coefficient of gas molecule is deduced. It is indicated that the preure lo esits original physical m eaning under the ultra and extreme high vacuum conditio.The new concepts as " efficient preure"," incidence"," staticpr eure"and" dynamical preure" a red rew.The particularity and the complication of the directional effect and the the oretical calculation of vacuum measurement deviating from real measurement under the ace conditio are explored. The extreme high vacuum equipment with molecular sink technology obtai 10 -11Pa ofultimate vacuum. The present situation, performance and main functio of acecraft simulation equipment developed in China are introduced. The researches on ace materials vacuum effects in China are described. The effects of cold weld for ace materials and mobile parts and the effects of molecule pollution on the long life and the reliability of acecraft are indicated. The development of acecraft vacuum technology in China is expected.Key words:vacuum physicvacuum acquirement;vacuum measurement;vacuum leak detectiovacuum materialace environment simulation technologies.
1 引言 航天器真空技術(shù)是真空技術(shù)的重要組成部分，為在空間環(huán)境(或模擬空間環(huán)境)中應(yīng)用真空技術(shù)的派生技術(shù)。它既有傳統(tǒng)真空技術(shù)的內(nèi)容，又包括空間應(yīng)用的特性[1]。該技術(shù)隨著航天器技術(shù)的迅速發(fā)展而不斷提高、完善。中國(guó)對(duì)航天器真空技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。1962年，中國(guó)為適應(yīng)原子能、電子、航天技術(shù)發(fā)展的需要，成立了以研究真空技術(shù)為專(zhuān)業(yè)方向的中國(guó)科學(xué)院蘭州物理研究所(即510所前身)。1968年蘭州物理研究所根據(jù)中國(guó)加緊實(shí)施人造地球衛(wèi)星的“651”計(jì)劃，開(kāi)始進(jìn)行航天器真空技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作。此后，又有另一些單位(如北京環(huán)境工程研究所、上海衛(wèi)星工程研究所、北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所等)參加到該項(xiàng)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的行列。20世紀(jì)60年代末期，蘭州物理研究所和北京環(huán)境工程研究所合作率先研制成功了以KM系列為代表的熱真空環(huán)境模擬設(shè)備，并交付使用，為中國(guó)衛(wèi)星零部件、整體的熱真空、高、低溫模擬試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)提供了條件和保證。
20世紀(jì)80年代，蘭州物理研究所等單位又相繼研制了用于航天器整體實(shí)驗(yàn)的大型空間環(huán)境設(shè)備;用于航天器部件和系統(tǒng)組件實(shí)驗(yàn)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備;用于航天器運(yùn)動(dòng)部件真空潤(rùn)滑性能和空間輻射環(huán)境模擬設(shè)備和用于離子推進(jìn)器性能試驗(yàn)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火、真空激光點(diǎn)火、航天飛船模擬艙及紅外真空定標(biāo)等的模擬設(shè)備。這些空間模擬設(shè)備涉及到高真空、超高真空、極高真空的獲得、真空測(cè)量、真空檢漏、材料及新工藝等一系列技術(shù)問(wèn)題。
隨著航天 科技不斷進(jìn)步，中國(guó)的航天器真空技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。廣大科技工作者全力以赴地開(kāi)展了空間真空技術(shù)的理論研究和實(shí)驗(yàn)工作，以及地面模擬試驗(yàn)和空間材料科學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)航天器地面模擬試驗(yàn)，提高了航天器在空間環(huán)境中的適應(yīng)性。1987年中國(guó)s*次進(jìn)行了在真空和微重力環(huán)境下材料加工試驗(yàn)，試驗(yàn)的內(nèi)容主要有:定向生長(zhǎng)單晶、合金重熔再結(jié)晶等。
進(jìn)人20世紀(jì)90年代，中國(guó)載人航天發(fā)展迅速，給我國(guó)的航天器真空技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為確保載人飛船空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的進(jìn)行，1992年北京環(huán)境工程研究所開(kāi)始研制了供載人飛船整體試驗(yàn)的KM6大型空間環(huán)境模擬設(shè)備。該設(shè)備的研制成功并投人使用，為我國(guó)第一艘神舟一號(hào)無(wú)人試驗(yàn)飛船及以后的飛船的成功發(fā)射、準(zhǔn)確回收、著陸提供了可靠性的保障。與此同時(shí)，肩負(fù)載人飛船生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)研究重任的國(guó)防科工委北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所，在利用原有宇航員訓(xùn)練試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的同時(shí)，著手研制了宇航員生命保障系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)研究等地面模擬試驗(yàn)設(shè)備。這些大型地面模擬設(shè)備的研制，有力地推動(dòng)了我國(guó)航天器真空技術(shù)的發(fā)展。
經(jīng)過(guò)30多年的努力，中國(guó)航天器真空技術(shù)的應(yīng)用在空間科學(xué)中的真空測(cè)量、空間真空環(huán)境的模擬實(shí)驗(yàn)、空間材料的真空效應(yīng)、質(zhì)譜分析、真空檢漏和空間應(yīng)用新工藝等諸多領(lǐng)域里取得了很多成果。
2 中國(guó)航天器真空技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)
2.1 真空獲得設(shè)備 中國(guó)已研制成功了從低真空(105~102 Pa)的往復(fù)式真空泵、液環(huán)真空泵、水環(huán)一大氣真空泵到中高真空(10-1~10-5Pa)的蒸汽流泵(油增壓泵、油擴(kuò)散泵)以及超高真空(< 10-5Pa)的分子泵、氣體捕集真空泵(鐵泵、濺射離子泵、低溫泵)等系列產(chǎn)品，滿足了不同真空度的需要。在旋片式真空泵中(105~10-2Pa),2X 型系列真空泵得到了廣泛使用。直聯(lián)高速旋片式真空泵是在旋片式機(jī)械真空泵的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝上重大改革后產(chǎn)生的一種新型泵種。它具有體積小、質(zhì)量輕、振動(dòng)小、噪聲低等特點(diǎn)，特別適用于安裝在精密儀器真空設(shè)備上。羅茨真空泵在很大的壓力范圍內(nèi)(103~1 Pa)，具有很大的抽速(30--20 000 L/ s)，能迅速排出突然放出的氣體，彌補(bǔ)了油擴(kuò)散泵與油封機(jī)械泵在該壓力范圍內(nèi)抽速小的缺陷，z*適合作為增壓泵用，廣泛用于空間模擬、低密度風(fēng)洞等真空裝置中抽除非腐蝕性氣體。金屬油擴(kuò)散泵在工作壓力范圍為10-2一10-6 Pa內(nèi)具有很大的抽速(十至十幾萬(wàn)Us)，對(duì)各種氣體無(wú)選擇性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是獲得高真空或超高真空的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于空間模擬裝置領(lǐng)域。中國(guó)在直腔油擴(kuò)散泵的基礎(chǔ)上發(fā)展的凸腔油擴(kuò)散泵，其抽速比直腔擴(kuò)散泵增加30%左右，技術(shù)性能先進(jìn)，被廣泛采用。渦輪分子泵工作壓力范圍為10--10-8 Pa，抽速一般在500L/s，先進(jìn)的泵甚至可以獲得10-9Pa的極高真空。這種泵的抽速范圍很寬，在9個(gè)數(shù)量級(jí)間具有恒定的抽速，適合于在清潔的高真空和超高真空儀器、設(shè)備上使用。低溫泵用低溫介質(zhì)將抽氣面冷卻到20K以下，使抽氣面能大量冷凝沸點(diǎn)溫度比該抽氣面溫度高的氣體，從而產(chǎn)生很大的抽氣作用。小型制冷機(jī)低溫泵是目前比較理想的清潔超高真空泵，廣泛用于薄膜制備、微電子學(xué)技術(shù)、高能物理、小型環(huán)模設(shè)備以及其他各個(gè)領(lǐng)域。此外，為解決各類(lèi)真空裝置中配罩真空抽氣機(jī)組的需要，中國(guó)還研制生產(chǎn)了水環(huán)一大氣真空機(jī)組、羅茨泵真空機(jī)組、油擴(kuò)散泵真空機(jī)組、濺射離子泵真空機(jī)組、渦輪分子泵真空機(jī)組等從低真空到高真空的各類(lèi)真空機(jī)組[2,4]
2.2 真空測(cè)量技術(shù) 我國(guó)的真空測(cè)量?jī)x器包括低真空(105一102P a)的U型壓力計(jì)，中真空(102一10-1P a)的熱偶真空計(jì)、電阻真空計(jì)，高真空(10-1--10-5 Pa)的電離真空計(jì)和超高真空(< 10-5 Pa)的超高真空計(jì)。其中復(fù)合真空計(jì)(10一10-6 Pa)、電阻磁放電真空計(jì)、全自動(dòng)中真空計(jì)、數(shù)字超高真空計(jì)、數(shù)字電離真空計(jì)、數(shù)字自動(dòng)充氣真空計(jì)及磁控冷規(guī)真空計(jì)(10-2一10-9 Pa)被廣泛地采用，滿足了中國(guó)真空設(shè)備的真空測(cè)量的需要。
在真空系統(tǒng)的氣體分析和分壓力測(cè)量方面，四極質(zhì)譜計(jì)發(fā)展很快。這種質(zhì)譜儀不需要磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，靈敏度與分辨本領(lǐng)均較高，調(diào)節(jié)方便(只需調(diào)節(jié)電參數(shù))，對(duì)人射離子束的軸向能量、分散和角度分散不很敏感，允許在較高的壓力(10-2 Pa)下工作，掃描速度快，z*高掃速可達(dá)104 一10 5 rm/s，僅次于飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，質(zhì)量標(biāo)度是線性的。中國(guó)于1963年就研制成功可用于檢漏的四極質(zhì)譜計(jì)，檢漏靈敏度達(dá)1×10- 7Pa-U1964年研制了ZhL- 01型四極質(zhì)譜計(jì);1976年研制了ZP一4001型四極分壓力計(jì)，z*小可檢分壓力小于10-10 Pa、分辨本領(lǐng)(50%峰高)大于450;1977年研制了SZn一1型和QSF型四極質(zhì)譜計(jì)，均達(dá)到較高水平;1978年研制出s*臺(tái)小型四極分析儀器，它不但探頭體積小，而且結(jié)構(gòu)小巧、操作方便，分辨率達(dá)到國(guó)外同類(lèi)儀器的先進(jìn)水平，為中國(guó)航天器在真空條件下的氣體分析和分壓力測(cè)量創(chuàng)造了條件。
極高真空測(cè)量技術(shù)難度大，一直是國(guó)內(nèi)外尚未完全解決的難題。蘭州物理所經(jīng)過(guò)10多年的探索，先后研制成功了9種規(guī)型[1]。這9種規(guī)型分別是:1968年研制成功的抑制規(guī)，可以測(cè)至10-10Pa的低壓;1971研制成功的彎注規(guī)，可以測(cè)至10-11Pa的低壓;1969-1971年研制成功的冷陰極磁控規(guī)，這種規(guī)的測(cè)量下限為10-11P a，在壓力低于1.3× 10-8Pa時(shí)是非線性的。1980年研制成功的3種新型結(jié)構(gòu)的倍增器規(guī)，其中以雙彎注規(guī)性能z*好，測(cè)量下限為10-12P a;19 83年研制成功的熱陰極與場(chǎng)致發(fā)射冷陰極球形振蕩器規(guī)，可測(cè)至10-9 Pa的低壓;1985年研制成功的具有管形倍增器的小型離子束偏轉(zhuǎn)規(guī)，可測(cè)到10-12 Pa的低壓;1985年研制成功的新型電子束偏轉(zhuǎn)規(guī)，在結(jié)構(gòu)上、原理上都有所突破，它采用控制電子束偏轉(zhuǎn)和電子接收位置的新構(gòu)思，能使X射線的發(fā)射方向背離離子收集板，從而延伸了測(cè)量下限，用這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可測(cè)至10-11Pa的低壓，規(guī)管常數(shù)為0.338 -1 Pa。
在用分子沉獲得的極高真空裝置上，除配有一種巴爾蔡司公司生產(chǎn)的全自動(dòng)數(shù)字顯示的超高真空電離計(jì)(用的是規(guī)管常數(shù)為0.188-1 Pa調(diào)制B-A規(guī))外，還配有蘭州物理研究所研制的陶瓷裸式彎注規(guī)[2](規(guī)管常數(shù)為0.105-1 Pa，離子流測(cè)量采用TR一84M振簧式靜電計(jì))。后者在測(cè)量技術(shù)方面著重作了2點(diǎn)改進(jìn):
(1)將規(guī)管的鎢燈絲改為敷氧化牡鎢燈絲，降低了燈絲的溫度，使燈絲工作時(shí)的蒸汽壓由10-10Pa降低到10-12Pa以下;
(2)解決了弱小電流測(cè)量中的絕緣屏蔽及接地等一系列技術(shù)問(wèn)題，能可靠、穩(wěn)定地測(cè)量10-15A的弱小電流。該測(cè)量規(guī)在實(shí)驗(yàn)裝置中經(jīng)過(guò)多次正常運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)(12次)，能穩(wěn)定地測(cè)量10-11Pa的低壓。
2.3 真空檢漏技術(shù) 我國(guó)于1964年研制成功了超靈敏度氦質(zhì)譜檢漏儀，靈敏度達(dá)10-11 Pa·L/s，其性能達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平。20世紀(jì)60年代后期以來(lái)，中國(guó)開(kāi)展了對(duì)各種檢漏技術(shù)的理論和檢漏方法的系統(tǒng)研究和實(shí)驗(yàn)，其中包括氦質(zhì)譜檢漏儀法、四極質(zhì)譜檢漏法、真空計(jì)法、高頻火花檢漏法、分子泵返流檢漏法等18種，為真空檢漏技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中國(guó)研制了標(biāo)準(zhǔn)漏孔及標(biāo)準(zhǔn)漏孔校對(duì)系統(tǒng)，推動(dòng)了中國(guó)檢漏技術(shù)的發(fā)展?！ ≡跇O高真空檢漏技術(shù)方面，蘭州物理研究所于1964年開(kāi)始進(jìn)行兩極串聯(lián)非均勻磁偏轉(zhuǎn)超靈敏氦質(zhì)譜檢漏儀的研制。該儀器采用軸向離子源、差級(jí)抽氣和兩極非均勻分析儀等措施，有效地提高了儀器靈敏度，使儀器的z*小可檢率提高到6.6x10-11 Pa-Us，達(dá)到了當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平。進(jìn)人20世紀(jì)70年代，隨著大型地面環(huán)模、低溫液體燃料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、運(yùn)載火箭及航天器等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢漏技術(shù)提出了更高要求。為解決中國(guó)航天工程急待解決的檢漏難題，開(kāi)展了對(duì)氦質(zhì)譜檢漏法、標(biāo)準(zhǔn)漏孔的研制及標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng)、大容器檢漏方法的研究，同時(shí)，還開(kāi)展了對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)檢漏技術(shù)、分子源返流檢漏技術(shù)、檢漏技術(shù)理論的研究和許多檢漏方法的補(bǔ)充。其中，探漏盒法、氦罩法、靈敏探檢法和靜態(tài)升壓法等已成為大容器檢漏不可缺少的方法，并且這些方法已在大型的航天醫(yī)學(xué)研究和宇航訓(xùn)練艙(直徑3m，長(zhǎng)度7m,容積72時(shí))、大型空間環(huán)模設(shè)備(直徑0.5一12 m，長(zhǎng)度0.5-20 m)等方面的檢漏得到了成功的應(yīng)用?！ ?duì)于分子沉獲得的極高真空裝置來(lái)說(shuō)，由于容積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣密性要求極高。為此，檢漏工作貫穿于整個(gè)加工過(guò)程中。在裝備安裝調(diào)試時(shí)，主要采用氦質(zhì)譜檢漏儀的噴吹法和氦罩法，同時(shí)，采用了靜態(tài)升壓法和真空計(jì)法進(jìn)行檢漏，以后又繼續(xù)采用四極質(zhì)譜儀和氦質(zhì)譜檢漏儀相結(jié)合的方法進(jìn)行檢漏，使裝備的真空度達(dá)到了極高真空。
2.4 極高真空技術(shù)(1) 概 述 極高真空是指大氣壓力低于10-11Pa的真空環(huán)境。蘭州物理研究所在解決了涉及到極高真空獲得的理論研究、獲得技術(shù)、真空測(cè)量、材料出氣、吸附、低溫技術(shù)等方面很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題后，研制成功了具有三個(gè)獨(dú)立抽氣系統(tǒng)的金屬極高真空裝置。該裝置利用液氮溫度下的冷凍升華臍和分子沉技術(shù)相結(jié)合的方法，在中國(guó)s*次成功地采用彎注規(guī)，在直徑為400 mm、長(zhǎng)度為500mm的圓柱形容器中穩(wěn)定地獲得了10-11Pa的極限真空度。該項(xiàng)成果在真空獲得技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和微電流測(cè)量技術(shù)方面達(dá)到了20世紀(jì)80年代中期世界先進(jìn)水平，標(biāo)志著中國(guó)真空科學(xué)技術(shù)進(jìn)人了新階段。(2) 極高真空技術(shù)的理論研究 極高真空處于空間真空的分子沉環(huán)境中，氣體分子運(yùn)動(dòng)完全不同于地面實(shí)驗(yàn)室真空容器中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分子運(yùn)動(dòng)不服從麥克斯韋速度分布律。在這種環(huán)境中，真空理論和技術(shù)都要發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。所謂分子沉環(huán)境是指在地球靜止軌道上真空度達(dá)10-11Pa、背景溫度為3--4 K的無(wú)限大的空間環(huán)境。在這種環(huán)境中航天器發(fā)出的氣體一旦離開(kāi)，就會(huì)飛向無(wú)限遠(yuǎn)的空間不再返回。這就是分子沉環(huán)境氣體分子運(yùn)動(dòng)的特性。蘭州物理研究所對(duì)氣體分子遠(yuǎn)離平衡態(tài)的理論進(jìn)行了較深人的系統(tǒng)研究，文獻(xiàn)[3]提出了“分子真空壽命”這一新的物理量，推導(dǎo)出了一個(gè)利用“分子真空壽命”測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的方法，并建立了一套測(cè)量氣體分子熱適應(yīng)系數(shù)的裝置。這種新方法和以前的方法比較，具有簡(jiǎn)便、適應(yīng)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
由于空間科學(xué)中真空測(cè)量具有的變值，要求建立超音速分子流校對(duì)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)流校準(zhǔn)系統(tǒng)等特殊性的真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。1977年蘭州物理研究所對(duì)極高真空測(cè)量的理論問(wèn)題進(jìn)行了深人的研究[1]。提出了在極高真空條件下，壓力失去了原有的的物理意義。在討論空間環(huán)模容器中的真空測(cè)量時(shí)，引人了“有效壓力”、“人射率”、“靜壓”、“動(dòng)壓”等4種概念，并探索了在空間條件下，真空測(cè)量的特殊性和復(fù)雜性。所涉及到的問(wèn)題有原子氧的再結(jié)合，空間固有離子的防止，噴出氣流的膨脹和分子云、壓差變化的被測(cè)對(duì)象，非穩(wěn)定流的影響等問(wèn)題。根據(jù)這些特殊的環(huán)境條件，探索了真空測(cè)量中的分子流效應(yīng)和理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的偏離問(wèn)題。這些理論和實(shí)際問(wèn)題的探索為空間科學(xué)中的極高真空測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
(3) 極高真空技術(shù)的突破 極高真空獲得技術(shù)是在超高真空技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。蘭州物理研究所早在1959年曾采用帶液氮冷阱的擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)在40L的碳鋼容器中獲得10-8Pa的超高真空，這是中國(guó)z*早獲得超高真空的金屬系統(tǒng);20世紀(jì)60年代，為滿足大型超高真空環(huán)境設(shè)備以及薄膜、半導(dǎo)體對(duì)清潔真空的需要，研制了直徑為1m的超高真空系統(tǒng);從20世紀(jì)60年代到70年代，先后研制了摩擦試驗(yàn)機(jī)、全無(wú)油環(huán)模設(shè)備、冷焊實(shí)驗(yàn)裝置、消旋軸承實(shí)驗(yàn)設(shè)備等超高真空系統(tǒng)，建立了一整套真空校準(zhǔn)系統(tǒng);20世紀(jì)70年代末，又研制成功了獲得10-10Pa的帶欽升華阱的極高真空系;1985年在極高真空獲得技術(shù)方面，采用液氮溫度的冷凍升華阱和分子沉技術(shù)，研制出獲得10-11Pa的極高真空系統(tǒng)[2]?！ ≡撜婵障到y(tǒng)主要由主容器、極高真空室、加熱裝置、冷凍裝置及抽氣系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是容器包括內(nèi)殼和外殼兩部分，均由不銹鋼制成。外殼尺寸φ900mm x16 00mm，內(nèi)殼尺寸為φ600mm x 1000 mm，內(nèi)外殼之間的空間稱(chēng)為“夾層”，內(nèi)裝管狀加熱器和液氮冷阱的紫銅管;極高真空室由不銹鋼制成，尺寸為0400 mm x 500 mm，其結(jié)構(gòu)為雙壁室，用以貯存液氮;加熱裝置包括管狀加熱器和空氣加熱器兩部分，前者用來(lái)加熱外殼、內(nèi)殼和極高真空室，后者用來(lái)烘烤液氮冷阱;冷凍裝置由氟里昂制冷系統(tǒng)和開(kāi)式液氮供給系統(tǒng)組成，用于冷卻主擴(kuò)散泵上面的擋板及橡膠密封圈和供給冷阱。抽氣系統(tǒng)由三個(gè)相互獨(dú)立的分系統(tǒng)組成，即夾層、隧道和“主”抽氣系統(tǒng)。“夾層”抽氣系統(tǒng)是真空保護(hù)系統(tǒng)，工作壓力為10 -3 -10-5Pa，其作用是減少漏氣和漏熱;“隧道”抽氣系統(tǒng)是測(cè)量引線的保護(hù)真空通道，工作壓力為10-4--10-5 Pa;“主”抽氣系統(tǒng)同主容器和極高真空相連，由機(jī)械泵、兩級(jí)擴(kuò)散泵、人字形氟里昂擋板、液氮冷阱、兩級(jí)百葉窗擋板、冷凍升華阱和欽升華泵組成。實(shí)驗(yàn)證明，這種極高真空裝置的抽氣系統(tǒng)是合理的、先進(jìn)的。、
3 空間真空環(huán)境模擬設(shè)備3.1 概述 航天器在具有無(wú)限容積、真空、低溫、太陽(yáng)輻射、各種帶電粒子等特性的空間環(huán)境中飛行。其中，真空環(huán)境對(duì)飛行器運(yùn)行及材料的影響與大氣中不同。主要表現(xiàn)為:真空中的材料會(huì)加速升華，造成質(zhì)量損失;材料在真空中沒(méi)有氣體保護(hù)層，并可以失去氧化膜，使材料的光學(xué)特性改變，以至活動(dòng)部件之間的磨損增大，甚至出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象;真空中的儀器設(shè)備產(chǎn)生的熱量不易傳走，可能使局部溫度升高，影響儀器正常工作;材料長(zhǎng)期處于真空中，由于氣體脫附及易揮發(fā)物質(zhì)的損失，材料的熱性能及電性能將發(fā)生改變。除此之外，飛行器在空間飛行，還要受到太陽(yáng)輻射、各種帶電粒子及溫度的影響。這些因素將造成航天器材料性能改變，使材料損傷、儀器失靈，破壞飛行器工作，以至造成人身傷亡。為此，必須建立與空間環(huán)境相似的模擬設(shè)備，使飛行器上天之前通過(guò)地面模擬試驗(yàn)，消除隱患，以確保飛行時(shí)的可靠性[2]。3.2 中國(guó)現(xiàn)有的空間環(huán)境模擬設(shè)備 為適應(yīng)航天器發(fā)展，中國(guó)相繼研制了各類(lèi)環(huán)境模擬設(shè)備近百臺(tái)，使中國(guó)空間環(huán)境模擬設(shè)備從無(wú)到有、初具規(guī)模，基本上滿足了各種航天器及其零部件在各種不同空間環(huán)境條件下對(duì)試驗(yàn)的要求。按照用途，這類(lèi)設(shè)備可分為:(1)大型空間環(huán)境熱真空模擬設(shè)備(真空容器直徑在2--12 m范圍內(nèi))，主要提供航天器整體實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)航天器熱設(shè)計(jì)、溫控和整體功能等是否滿足設(shè)計(jì)要求;(2)組件熱真空實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要對(duì)航天器組件、分系統(tǒng)等儀器設(shè)備在空間真空和熱環(huán)境下進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)和可靠性實(shí)驗(yàn)，它一般應(yīng)具有10-3一10-5Pa壓力和一1%一100℃連續(xù)可調(diào)冷熱環(huán)境，在特殊情況下，要求5×10-8Pa以上清潔超高真空和一196-150℃的冷熱環(huán)境;(3)空間運(yùn)動(dòng)部件的地磁和輻照環(huán)境模擬設(shè)備，主要包括展開(kāi)、運(yùn)動(dòng)部件冷焊和摩擦試驗(yàn)、空間帶電、輻照和地磁亞暴環(huán)境及剩磁環(huán)境設(shè)備;(4)空間環(huán)境專(zhuān)用設(shè)備，是根據(jù)空間真空環(huán)境下不同物理過(guò)程而設(shè)計(jì)的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括離子火箭性能試驗(yàn)、空間光學(xué)儀器和組件試驗(yàn)、宇航員試驗(yàn)艙、紅外定標(biāo)和紅外輻射等方面的設(shè)備[1、2]。
3.3 KM大型熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備KM4設(shè)備是中國(guó)用于大型衛(wèi)星(飛船)的整體熱真空和熱平衡試驗(yàn)的設(shè)備，亦可作其大型部件或分系統(tǒng)的熱真空試驗(yàn)的典型設(shè)備。該設(shè)備采用適當(dāng)措施后，還可提供整星(船)作大氣壓條件下的熱循環(huán)試驗(yàn)和低壓下大型部件的高低溫性能考核試驗(yàn)等。該設(shè)備研制從1968--1980年，由北京環(huán)境工程研究所和蘭州物理研究所負(fù)責(zé)研制。1980年研制成功，并投人使用。
該設(shè)備的主要技術(shù)性能:(1)試驗(yàn)空間:直徑6m 、高8.5m ，試件人口直徑6m ;(2 )極限真空:5.1×10-6Pa ;
(3 )熱沉套壁溫:90士5K ;工作轉(zhuǎn)臺(tái):有繞兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，載重2000kg，轉(zhuǎn)速4r /min，轉(zhuǎn)臺(tái)并可作90。翻轉(zhuǎn);
(4)試件吊具:在試驗(yàn)大廳內(nèi)備有5t和20 t兩種吊鉤的橋式吊車(chē)，起吊高度為12 m,試驗(yàn)容器內(nèi)亦設(shè)計(jì)有三點(diǎn)支承的試件吊具，承重能力為2t，可將星(船)吊在容器內(nèi)試驗(yàn)。KM4熱真空試驗(yàn)設(shè)備由容器、真空抽氣系統(tǒng)、熱沉套及其降溫或加熱系統(tǒng)、太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)和溫度數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等5個(gè)分系統(tǒng)組成[2)，具體從略。
真空容器為立式，直徑7m ，高12m ，由不銹鋼材料制成。容器內(nèi)部配置了熱沉。熱沉材料為紫銅，結(jié)構(gòu)采用板與管焊接成圓筒狀和平板狀等形式。熱沉內(nèi)表面涂黑(有機(jī)黑漆)，吸收率為0.93。抽氣系統(tǒng)采用油擴(kuò)散泵抽氣機(jī)組，由抽速為5.0×104L/s油擴(kuò)散泵4臺(tái)，V一6型活塞泵2臺(tái)，H一8型滑閥泵4臺(tái)，ZL一11型羅茨泵4臺(tái)等組成。為了減少泵油污染，在油擴(kuò)散泵上方裝有水冷障板和液氮冷阱。為了獲得大的抽氣速率，在液氮熱沉背面裝有加K氣氦冷卻的深冷壁板，深冷壁板的面積約50時(shí)，對(duì)氧、氮的總抽速為1.5×106L /so液氮 外 流 程采用單相密閉循環(huán)。2臺(tái)液氮泵，每臺(tái)流量為32m 3/h，出口壓力為2.51 05P a.2 個(gè)液氮貯槽，每個(gè)重量為15 t。在液氮流程正常工作時(shí)，熱沉壁板溫度可達(dá)到90士5 K。熱氮?dú)饬鞒逃脕?lái)給熱沉加熱。它主要由空氣壓縮機(jī)、干燥器、油水分離器、爐、管道、閥門(mén)等組成。進(jìn)氣溫度為室溫，排氣z*高溫度150 `C?？諝鈮嚎s機(jī)出口處將熱氮?dú)夥殖?路，送人熱沉管道，使各部熱沉均勻升溫。20K氣氦流程采用單列雙向無(wú)油潤(rùn)滑氦壓縮機(jī)，4級(jí)壓縮出口壓力4M Pa，每臺(tái)進(jìn)氣量8.33(STP)襯/min，共3臺(tái)。制冷機(jī)采用透平式膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速7一9x1護(hù)r/min，效率為67%，制冷量約1 200W。制冷機(jī)從室溫到13 K需5一3h，深冷壁板從室溫到15K需4h，其中從液氮溫度到15K需3一4h。太陽(yáng)模擬系統(tǒng)采用19單元組合式同軸型卡塞格林系統(tǒng)，太陽(yáng)模擬系統(tǒng)光源采用25kW短弧水冷氛燈，光譜為濾光后的氖燈光譜，輻照強(qiáng)度為1.3太陽(yáng)常數(shù)，輻照面積12時(shí)(直徑3.9 m )，準(zhǔn)直角士2度，均勻度為12%一15%，穩(wěn)定性為15%。3.4 KM1超高真空環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備KM1超高真空環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備于1968年建成并投人使用。它可在高真空下、也可在超高真空下正常工作，為中國(guó)衛(wèi)星的零部件做過(guò)大量地試驗(yàn)工作。以后，為滿足組件部件試驗(yàn)需要，國(guó)內(nèi)不少單位將此設(shè)備略加修改，先后共生產(chǎn)了30多臺(tái)，技術(shù)性能基本相同。因此，該型號(hào)設(shè)備已成為中國(guó)航天器組件、部件環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備的典型代表?！ ≡O(shè)備的主要技術(shù)性能:(1)極限壓力(在空載情況下):當(dāng)熱沉溫度小于85K 時(shí)工作壓力<2.7x10-Pa、有的可達(dá)10-8P a，當(dāng)熱沉溫度為一60℃時(shí)工作壓力<2.7 x 1 0-5P a;(2)真空容器尺寸:直徑100m m，長(zhǎng)度20 00m m;有效試驗(yàn)空間:直徑800m m，長(zhǎng)度140m m; (3 )環(huán)境溫度:液氮冷卻熱沉壁板，可提供低于85 K低溫環(huán)境，溫度不均勻度低于士2 r-(若采用低溫酒精循環(huán)來(lái)冷卻熱沉壁板，熱沉壁板能在一60-15℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，溫度誤差和不均勻度低于12℃)。設(shè)備為有油真空系統(tǒng)。它由超高真空系統(tǒng)、液氮流程、氟里昂低溫流程、電控測(cè)試等4部分組成，具體從略[2]。3.5 亞暴環(huán)境模擬設(shè)備 亞暴環(huán)境模擬設(shè)備始建于1980年，是一臺(tái)多功能綜合環(huán)境模擬設(shè)備，主要用于衛(wèi)星表面材料帶電試驗(yàn)研究。衛(wèi)星帶電技術(shù)研究的對(duì)象是空間等離子體環(huán)境(磁層、電離層)與航天器間的相互作用及防護(hù)間題。由于電子環(huán)境和太陽(yáng)光照環(huán)境都是亞暴模擬的主要環(huán)境，衛(wèi)星在這些環(huán)境的作用下，當(dāng)電子能量為5--30 keV范圍時(shí)，電子通量z*大，且不易穿透材料，電子易附于材料表面層。衛(wèi)星在向太陽(yáng)時(shí)表面可達(dá)100℃的高溫，背太陽(yáng)時(shí)可達(dá)一100℃的低溫。溫度將改變材料表面電阻、體電阻及其它性能。此外，在此環(huán)境作用下，影響衛(wèi)星表面電荷積累的因素有電子束能量及密度、人射離子密度、材料二次發(fā)射、光電發(fā)射、離子引起的二次發(fā)射、表面電導(dǎo)及體電導(dǎo)等。為此，亞暴環(huán)境模擬設(shè)備必須考慮這些因素。中國(guó)亞暴環(huán)模設(shè)備真空室上布有電子束、離子束、光束等人射窗口，配置有粒子束流密度、表面電位探針、表面電導(dǎo)、體電位、放電脈沖等多種探測(cè)儀器，滿足了衛(wèi)星表面材料帶電試驗(yàn)的需要。該設(shè)備的主要性能:(1)真空容積:直徑500m m，長(zhǎng)度800m m，臥式結(jié)構(gòu)，不銹鋼材料，全部金屬密封;(2)極限壓力:5x 1 0-4P a;(3 )熱沉溫度:80K ;(4 )樣品臺(tái)溫度:一173℃一100℃。其中，真空抽氣機(jī)組:主泵為1 200 L/s的立式渦輪分子泵，30 Us的羅茨真空泵和8 Us的直聯(lián)式機(jī)械泵作為預(yù)抽及前級(jí)維護(hù)泵，并設(shè)有液氮冷阱，以防止機(jī)械泵對(duì)真空容器的污染[2]。3.6 冷焊模擬設(shè)備冷焊是指兩塊表面非常清潔的材料在一定壓力和遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下，接觸表面產(chǎn)生相互擴(kuò)散而結(jié)合在一起的現(xiàn)象。它對(duì)航天器的長(zhǎng)壽命和可靠性具有重要意義。中國(guó)對(duì)冷焊的研究始于1970年，冷焊設(shè)備建立于1972--1974年。該設(shè)備的主要用途:
(1)對(duì)空間活動(dòng)部件的冷焊性能進(jìn)行評(píng)價(jià);
(2)進(jìn)行冷焊性能的機(jī)理研究;(3)可在超高真空條件下研究各種材料的摩擦性能并進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)備技術(shù)性能:(1)熱沉溫度:77K ;(2)極限真空度:6.6×10-9Pa ;
(3)測(cè)力范圍:50x10-150N,設(shè)備包括三個(gè)主要部分:無(wú)油超高真空冷焊模擬系統(tǒng)，其抽氣抽氣機(jī)組由分子泵(或吸附泵)、欽升華泵、冷陰極濺射離子泵等組成;冷焊測(cè)力裝置，包括杠桿式冷焊測(cè)力裝置、冷焊測(cè)力軸尖天平、應(yīng)變測(cè)力裝置[2]。3.7 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車(chē)臺(tái) 中國(guó)于1971--1981年研制成功第一座火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車(chē)臺(tái)，主要用于人造衛(wèi)星姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的地面模擬實(shí)驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖時(shí)間為20 ms到幾秒，推力為5 N，噴氣量為331.20 kg/h。其中水蒸汽含量為2.85 kg/h。高空試車(chē)臺(tái)要求能模擬45 km高空的環(huán)境條件，并能及時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的高溫、高速氣流排到大氣中，以確保推力測(cè)試數(shù)據(jù)精度。設(shè)備的主要性能指標(biāo):真空容器真空度:33P a發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火時(shí)),330P a(點(diǎn)火后的工作壓力);在1650Pa的入口壓力下，泵的抽速達(dá)1.6 t/h(對(duì)20℃干燥空氣)[2]。3.8 消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備 衛(wèi)星上的許多儀器和機(jī)構(gòu)(如消旋天線機(jī)構(gòu)、反作用飛輪、太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、紅外相機(jī)、磁帶機(jī)、各種伸展機(jī)構(gòu))都離不開(kāi)滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承等潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)零件，它們的壽命和可靠性直接影響著整星的功能和壽命。特別是消旋組件是通信衛(wèi)星上w*沒(méi)有備份的部件，一旦失效，衛(wèi)星就成了“啞巴”，失去了跟地面通訊的功能。為此，中國(guó)于1980年起相繼研制成功了ZZS-1,ZZS-2等消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備。消旋軸承真空試驗(yàn)設(shè)備主要用于研究空間用軸承的摩擦潤(rùn)滑動(dòng)態(tài)特性以及長(zhǎng)期轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各種摩擦潤(rùn)滑特性的變化及機(jī)理。其中，ZZS一2型試驗(yàn)設(shè)備可同時(shí)對(duì)4套消旋軸承組件進(jìn)行1:1的壽命試驗(yàn);進(jìn)行熱真空試驗(yàn);可對(duì)空間活動(dòng)部件在模擬空間工況下的運(yùn)行性能作出評(píng)價(jià)?！ 〖夹g(shù)性能(ZZS一2型):
(1)真空室有效直徑500m m，長(zhǎng)度600m m;
(2 )極限壓力:6.6×10-8P a;(3)熱沉:一196-50℃(液氮冷套);(4)溫度:一55-50℃(半導(dǎo)體冷套)。其中，真空抽氣機(jī)組由1臺(tái)2X-15型機(jī)械泵、超高真空閥、1臺(tái)2TL - 500型濺射離子泵、一臺(tái)內(nèi)熱式2x1護(hù)Us欽升華泵等組成[2]。參考文獻(xiàn):[1]達(dá)道安.空間真空技術(shù)[Ml.北京:宇宙出版社，1995.[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(修訂版)[Ml.北京:國(guó)際工業(yè)出版社，1991.[3]達(dá)道安，張彥偉.氣體分子和固體表面的熱適應(yīng)系數(shù)[J]真空與低溫，1986,1:9-18.[4] 劉玉魁.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理〔M].北京:新時(shí)代出版社，1988.中國(guó)航天器真空技術(shù)的進(jìn)展(二)
