航天器密封舱内压力平衡时间的计算与验证

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者: 崔致和

  为计算航天器上两个密封舱内存在压差时相互进行压力平衡所需的平衡时间,通过压力平衡过程的分析,建立了近似的数学模型,进行了分析计算,并通过容积缩比方法对计算结果进行了试验验证,得到了满意的结果,不仅能达到节约成本和时间的目的,更具有普遍性。

  载人航天器在轨飞行期间,由于各密封舱内的压力控制精度范围、密封舱漏率不同等因素影响,导致各个舱内之间存在一定的压差。此压差的存在,航天员穿舱活动时,不能直接打开舱门,需通过专用的阀门平衡两舱之间的压差后,方可打开舱门,进行穿舱活动。为此设计了一种用于平衡载人航天器两个密封舱之间压差的阀门,简称平衡阀。

  载人航天器密封舱内的压力值基本为一个大气压,属于低真空范围[1],两舱压差不大于20 kPa,且两舱之间压力平衡时处于与外界密闭的状态,因此两舱压力平衡时间的计算既不能按真空系统中抽气时间或向真空系统中充气时间进行,也不同于气动工程中向贮气罐充气或放气所用时间计算方法。虽然可通过实际的试验验证即可得到相应的压力平衡时间,但由于条件的限制以及时间、成本的影响,不宜在载人航天器不同的两个密封舱内进行实际测试,通过理论分析以及缩比容积方法的试验验证,不仅能达到节约真空设备成本和时间的目的,并且更具有普遍性。

两舱压力平衡过程的分析与模型建立

平衡阀有效面积

  由于阀门内部结构一般较为复杂,设想通过该阀门的实际流量就等于在相同条件下通过一理想节流孔的流量,此理想节流孔的流通面积称为该阀门的有效流通截面积(简称有效面积),用S 表示,使得研究问题的复杂性大为简化。有效面积可通过计算或者容器放气法测定[2]

压力平衡过程中气体流动状态

  航天器密封舱内的气体成分接近空气,空气分子在常温(20℃)条件下的平均自由程可用(1)式简单表示[3]

航天器密封舱内压力平衡时间的计算与验证

  两个密封舱进行压力平衡时均在大气压附近,因此平均自由程的值远小于阀门阀口的孔径,气体分子在阀门附近要产生频繁的碰撞。所以压力平衡过程中气体分子通过阀门流动时由于惯性力的作用,首先是湍流状态,随着压差的减小,惯性力减弱,气体内的摩擦力起主要作用,进入粘滞流状态。

压力平衡时间的计算

  压力平衡过程中,两舱的压力、通过阀门阀口的流量随着时间的变化而变化,实际的流动状态为一维非定常绝热过程。非稳定流动的计算,牵涉到求解复杂的微分方程。但如果这类流动能
满足一定的具体条件,则可利用稳定流动的一些概念及公式,对它们做近似的计算[4] 。近似计算的前提为:虽然密封舱中的压力允许不时地变化,但通过阀门中的气体流动状态及压力分布却很快就已稳定,这种流动状态称为准稳定流动。假定阀门的有效面积为S,两舱的温度相同,密封舱1 内初始压力P1、体积V1;密封舱2 内初始压力P2、体积V2,且P1>P2,密封舱1 向密封舱2 进行压力平衡,平衡后的压力为P0,两舱连接示意图见图1。

航天器密封舱内压力平衡时间的计算与验证

  通过理论分析,给出了两舱压差、平衡压力和时间的关系,同时也表明在有限时间内,两舱的压力不可能达到绝对平衡。此结果可直接应用到计算航天器密封舱之间压力平衡时间的估算,可以节约试验成本和缩短产品的研制周期;由于航天器密封舱内仪器设备布局的因素,与实际压力平衡过程有一定的差别,可通过缩比容积法进行修正,得到更为精确的平衡时间;将复杂结构的阀门流导转化为理想节流孔,利用有效面积进行计算,该计算方法亦具有普遍性。

  [1] 徐成海. 真空工程技术[M]. 北京:化学工业出版社,2006:349.
  [2] 闻邦椿.机械设计手册:第五卷[M].北京:机械工业出版社,1992.
  [3] 达道安. 真空设计手册[M]. 北京:国防工业出版社,1991:35,101.
  [4] 王欲知,陈旭. 真空技术.2 版[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2007:560.

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