空间真空测量技术研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:王晓霞

1、引言

  空间真空测量技术是与人类探索和开发宇宙空间的进程紧密相连的。人类从地面出发,向深度宇空进军,要经历宽广的气体压力变化,空间科学研究的对象正是处在这样的环境之中。因此,对宇空真空环境的度量和探测,也就成为空间科学中的研究内容。

  在宇宙空间,从航天器飞出的分子无碰撞地沉没在无限空间之中再不返回,所以宇宙空间是具有无限抽速的“ 分子沉”环境。在分子沉效应的空间真空环境中,分子运动有非常强的方向性,呈各向异性分布,分子密度也是非均匀分布,建立在气体分子运动论基础上的一些平衡态下的定律和公式已不适用,要运用非平衡态分子流理论进行研究。

  非平衡态分子流的研究,具有一定的普遍性,又有很强的目的性。国外在这方面开展了一些理论探讨和实验研究工作。因为被研究对象的特殊性,所以至今尚未建立普遍适用的理论体系和实验方法,大多数是结合具体研究对象开展理论与实验方面的研究。

  美国NASA研究了用球形校准容器作为大型空间模拟容器的原位置校准的有关理论问题;英国爱德华公司实测了球形校准容器中分子流场分布;德国PTB 实测了校准容器中内切球赤道上的分子流场分布;德国宇航院( DFVLD)研究了大型空间模拟器中的分子流场分布,并实测了航天飞机上空间实验室附近的分子流场分布;原苏联结合实际的受控核聚变反应装置研究了“ 复杂系统中的分子流场”;我国兰州物理研究所对球形校准容器中分子流场分布和一些真空部件( 孔和管道)出口分子流花样分布进行了实测,都获得了一些针对性强、有实用价值的研究结果。

  方向性真空规是研究非平衡态分子流的有力工具。随着对非平衡态分子流研究的深入和发展,尤其是空间科学的进展,大大地开阔了非平衡态分子流的研究领域,相继出现了很多类型的方向性真空规。空间比较常用的2 种方向性真空规是转换器方向性真空规和束检测器方向性真空规。

  美国、俄罗斯(原苏联)、欧共体等在空间真空测量方面已作了大量的研究工作,先后研制出一系列方向性真空规用于探测大气层密度和压力分布。

  美国、俄罗斯等国家已研制出专用的方向性真空规,正在进行金星、火星的大气环境的探测;用于水星、木星大气环境探测的方向性真空规正在研制之中。

  在国内,中国科学院空间科学与应用研究中心与兰州物理研究所在从事空间真空测量方面的研究工作。我国在这一领域虽然起步较晚,但成绩显著。

  中国科学院空间科学与应用研究中心已将研制出的空间真空规用于“ 神舟”号飞船上,对飞船运行轨道高度上空间真空度的变化进行了探测。

  兰州物理研究所已研制出了2种空间真空规样机,即转换器方向性真空规和双圆锥束检测器方向性真空规。这2 种空间真空规通过对其性能进行不断完善,可用于低地球轨道空间环境的真空度( 大气密度)的探测。作者将简要介绍所研制的这2种空间真空规。

2、球锥型转换器方向性真空规

  转换器方向性真空规把非平衡态分子流变成平衡态分子流,经理论运算反推回到非平衡态,从而得到非平衡态分子流信息。

  基于空间非平衡态分子流的理论研究,作者研制了球锥型转换器方向性真空规。球锥型平衡室在平衡室和测量室之间设计一个锥形障板,使得入射的气体分子在平衡室经过多次碰撞后,从锥底与球面之间的环形区域内进入到测量室,从而获得良好的平衡效果,如图1所示。

  球锥型平衡室的材料全部采用1Cr18Ni9Ti。挡板和平衡室主体用3个螺栓连接,使得挡板的相对位置可以调节。

  传感器是测量室中将进入的气体电离的机构,通常使用裸B-A规或者冷阴极规,两者各有优缺点。

  B-A规结构简单,无磁场等特殊要求,质量轻,测量方便,其规管性能研究比较成熟。对于地面实验时,一般的裸B-A 就能够满足实验要求,但在空间测量时,由于空间原子氧容易和热阴极复合,使得B-A规对原子氧有很大的抽速,导致规中气体密度和成分发生变化,影响测量结果。

  冷阴极电离规受化学活性气体影响小,在空间使用时,减少了原子氧的影响,但由于其有磁铁,增大了规的体积和功率。

  作者选用复合B-A规作为转换器方向性真空规的传感器。

  当转换器方向性真空规用于空间测量时,其与地面测量有很大的不同,主要是空间原子氧的复合和空间正离子对测量的影响。

  由于锥形挡板的存在,通过模拟计算可知,空间气体粒子( 包括中性分子、原子氧和正离子等)进入平衡室后,至少和平衡室碰撞一次后飞入测量室,并且大部分粒子都是经过多次碰撞后才被电离机构电离,这就使得其中的原子氧在碰撞过程中在内壁上复合,减少了原子氧对灯丝的毒化。

  同样,锥形挡板的存在免于空间正离子直接飞入测量室。为了更好的减小正离子的影响,可以采用图2所示的设计方法。

  在图2中,给锥形挡板接+20 V 电压,空间正离子会被锥形挡板形成的电场排斥,不能或者很少能飞入平衡室,这时挡板采用陶瓷材料与平衡室主体连接,并用陶瓷芯柱将导线引出,避免整个规体带电而对电离机构的电离测量带来影响。

  转换器方向性真空规的主要技术指标:测量范围为(10-7~10-2) Pa;测量不确定度为33%;方向性角为15o;测量室压力平衡时间为5 ms;质量为1.8 kg;尺寸为φ 69 mm×197 mm。

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