光学载荷定标试验设备真空抽气系统设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学 作者:彭光东

  光学载荷定标试验设备主要用于为航天器光学载荷定标试验提供真空、冷黑及太阳辐射的空间环境。设备主要包括:真空容器、真空抽气系统、氮系统、中央测控系统、20 K 深冷系统、太阳模拟器系统等。本文概要介绍了光学载荷定标试验设备真空抽气系统的主要性能指标、系统组成以及设计计算。

  为满足新型航天器光学载荷定标试验要求,我国新建了一套Φ5 m×6.5 m 的空间环模试验设备,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该套设备可以满足光学载荷红外定标试验和小型航天器热平衡试验的要求。光学载荷定标试验设备主要由6 个分系统组成,分别为真空容器、真空抽气系统、氮系统、中央测控系统、20 K深冷系统、太阳模拟器系统。

1、系统设计概述

  光学载荷定标试验设备的空载真空度要求为2×10-5 Pa,由于光学载荷对可凝污染物比较敏感,要求油密封真空泵的工作时间控制在1.5 h内,同时要配备挡油液氮冷阱。综合技术指标要求,采用大口径低温泵作为主抽气泵,罗茨泵和滑阀机械泵串联作为粗抽真空泵组,并配备分子泵机组进一步辅助抽气。系统原理图见图1,粗抽机组主要包括四台H150 滑阀泵和两台ZJB1200罗茨泵及配套的阀门与液氮冷阱,辅助抽气系统配置了两台2000 L/s 的磁悬浮分子泵与一台650 L/s的螺杆干泵, 高真空泵抽气系统配备了3 台Coolvac60000BL-V 型低温泵,单台低温泵的名义抽速可达60000 L/s,低温泵的再生泵与分子泵机组前级泵共用一台螺杆干泵。根据系统流程分为如下几个阶段:

  (1)粗真空抽气阶段,此阶段的抽气机组为滑阀机械泵- 罗茨泵机组;

  (2)过渡真空抽气阶段,此阶段的抽气机组是涡轮分子泵机组;

  (3)高真空抽气阶段,此阶段的抽气泵为低温泵。

  上述抽气设备中滑阀-罗茨泵机组负责迅速将容器从大气压抽到5 Pa 左右;涡轮分子泵机组则主要负责将容器真空度进一步提高,为低温泵的启动提供过渡,同时在此阶段可对整个定标设备进行检漏,涡轮分子泵具有启动快、抽速稳定等优点;低温泵是整个真空抽气系统的主抽泵,它具有抽速大、无污染、真空度高、可长时间工作等优点,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为非常适合超大体积超高真空的抽气系统。近年来,国内外新建的大型空间环境模拟器均采用大型低温泵来抽气。

真空系统原理图

图1 真空系统原理图

2、真空系统设计计算

2.1、粗抽分系统参数计算

  粗抽系统抽气时间的计算可根据式(1):

粗抽系统抽气时间的计算公式

  式中:Se———粗抽泵对真空容器出口所造成的有效抽速[L/s];t———抽到预备真空度所需要的时间[s];V———真空容器的体积[L];P1———抽气开始时容器内的压强[Pa];P2———所达到的预备真空度[Pa];K———修正系数,1~4。

  本系统的容器体积约为162 m3,首先启动四台H150 滑阀机械泵将容器抽到1000 Pa,然后启动两台ZJB1200 罗茨泵,将真空容器的真空度抽到5 Pa。

  粗抽管道长6 m,直径400 mm,管道中平均压强P=(P 容+P 泵口)/2≈2.5Pa。PD=1Pa·m>0.67 Pa·m,所以粗抽管路中气体的流态,一直为粘滞流。根据气流的状态,选择流导公式(2)进行计算:

流导公式

  代入数据,U 管道为14300 L/s。

  把110 mm 厚的阀门和200 mm 长的短管看成约310 mm 的短管。根据公式(3)计算得阀门流导约为U 阀门=276600 L/s,DN400 的液氮冷阱的流导为6200 L/S。

  根据管道串联的流导计算公式:

管道串联的流导计算公式

  式中:U———粗抽系统总流导[L/s];U 管道———管道流导[L/s];U 冷阱———冷阱流导[L/s];U 阀门———阀门流导[L/s]。

  计算得粗抽系统除真空抽气泵外的总流导约为4260 L/s。根据公式(4)计算的粗抽系统中滑阀机械泵作为主抽泵时的有效抽速为525 L/s,罗茨泵作为主抽泵时的有效抽速为1535 L/s。

罗茨泵作为主抽泵时的有效抽速

  式中:Se———系统有效抽速[L/s];Sp———真空泵额定名义抽速[L/s];U———系统总流导[L/s]。

  根据公式(1)计算,滑阀机械泵可在30 min内将真空容器抽到1000 Pa,罗茨泵可在32 min 左右将容器真空度抽到5 Pa,整个粗抽机组约需1 h将真空容器从一个大气压抽到5 Pa 的真空度。

2.2、分子泵抽气机组参数计算

  真空抽气系统配备分子泵机组主要有两个功能:一是将真空容器的真空度由粗抽机组抽到5 Pa 进一步降低到5×10-2 Pa 以下真空度,因为这是低温泵的最低启动真空度要求;二是整个试验设备研制期间需要对容器、液氮热沉、真空阀门、管路等部件进行多次氦质谱检漏,配备一套分子泵机组可以方便的进行氦质谱检漏工作。

  分子泵机组管道长500 mm(包含120 mm 的阀门厚度),直径250 mm,根据计算,分子泵抽气阶段管道内为分子流状态,根据圆短管流导公式(5)计算,管道流导为2 276 L/s。

圆短管流导公式

  式中:D———管道直径[cm];L———管道长度[cm];A———管道截面积[cm2];U 管道———管道流导[L/s]。

  根据公式(4)可计算得单台分子泵的有效抽速为1 064 L/s,两台分子泵总有效抽速为2128 L/s。

  气量计算:定标设备真空容器内表面积为158 m2,加上内部的导轨、支架等不锈钢工件的表面放气,整个真空容器内部不锈钢材质的放气面约为160 m2,热沉的表面积为124 m2,热沉外表面为普通铜结构,内表面喷涂有航天专用黑漆。在刚刚开始抽气的几小时内,材料的出气率是动态变化的,不锈钢抽气5 h 后的放气率为2.26×10-6 Pa·L/S·cm2,铜抽气5 h 后的放气率为3.1×10-6 Pa·L/S·cm2,黑漆抽气4 h 后的放气率为2×10-4 Pa·L/S·cm2,根据计算,总的气量负载为71 Pa·L。根据公式(6)计算,通过分子泵连续抽气5 h,真空容器的真空度可以达到3.3×10-2 Pa。

真空容器的真空度

2.3、高真空抽气系统参数设计

  整个真空容器能达到的极限真空,由公式(7)决定:

真空容器的真空度

  式中:Pj———真空室所能达到的极限真空[Pa];P0———真空泵的极限真空[Pa];Q0———试验设备本身的气体负载[Pa·L/S];Q1———试验过程中试件的气体负载[Pa·L/S];Sp———真空室抽气口附近泵的有效抽速[L/S]。

  真空容器的极限真空度通常远低于真空抽气泵的极限真空度,两者之差取决于Q0/Sp,在抽气泵有效抽速一定的条件下,真空容器的极限真空与气体负载成正比。

  光学载荷定标试验设备真空抽气系统选取了三台抽速约为60000 L/s 的低温泵作为高真空主抽泵。低温泵通过管道和相应的阀门与容器相连接的。低温泵工作在分子流范围内,可用分子流状态下短管流导公式(5)计算阀门和法兰接管流导,经计算短管的流导U=113388 L/s。再根据公式(4)可计算出单台低温泵有效抽速为39237 L/s,三台低温泵的有效抽速总和为117711 L/s。

  在真空容器内安装有一块1×1.2 m 的蜂窝冷屏,该冷屏主要用于光学载荷辐射制冷,该冷屏安装有9 台GM 制冷机,工作时冷屏温度小于20 K,对空气的主要成分氮氧也具有抽气功能,冷屏的抽速可通过公式(8)计算得出:

冷屏的抽速

  式中:S0———有效抽速,L/s·cm2;G———捕集系数;Tg———气体温度,K;M———分子量。

  计算1.2 m2 的20K 冷板对氮气的抽速值约为Se=24000 L/s。

  低温泵和20 K 冷屏总抽速为S=141711 L/s。根据有关参考文献和经验,真空容器在连续经过12 h 的抽气后,不锈钢容器抽放气率约为3×10-7 Pa·L/s·cm2,热沉铜翅片放气率为4.1×10-7 Pa·L/s·cm2,黑漆在热沉通入液氮后的放气率比常温环境下下降1~2 数量级,约为2×10-6 Pa·L/s·cm2,据此,整个容器内部气体总负载约为1.62 P·L,根据公式(7)可计算出整个光学载荷定标试验设备所能达到的极限真空度约为1.14×10-5 Pa。

容器真空度变化曲线图

图2 容器真空度变化曲线图

  整个试验设备安装调试完毕后,已成功完成多次光学载荷定标试验,在三台低温泵都开启抽气、热沉通入90 K 液氮、蜂窝冷屏降到20 K 时,系统极限真空度可达到9×10-6 Pa,抽气过程中,容器真空度变化可参考图2。

3、结束语

  光学载荷定标试验设备已于2013 年建成并投入使用,目前设备运转正常,真空抽气系统的实际性能参数优于设计指标,满足相关定标试验的要求,为我国光学载荷研制技术的发展提供了基础设施保障。

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