陈 涛，王正义，许忠旭

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2. 中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

带有密封舱段的航天器在进行真空热试验时，为了避免舱内气体对流换热对热试验的影响，需要通过压控系统对密封舱内压力进行调节控制。压控系统的主要功能是：对密封舱内的压力进行调控，维持舱内压力在一目标值；按照一定的速率要求实现密封舱内压力的泄压或复压过程。压控系统研制的难点是对密封舱内压力变化速率的控制：在一定的泄压或复压时间内，不同阶段的变化速率要求有所不同，同时还要解决低温环境下的真空密封、管路绝热等问题。近年来，北京卫星环境工程研究所自主研制的压控系统已多次成功应用于带有密封舱段的真空热试验中，系统的性能随着试验的要求不断地改进和完善，其自动化程度也不断提升。本文以某型号热试验时密封舱压力控制要求为背景，详细介绍了压控系统的设计与实现过程。

1 压控系统技术要求

压控系统主要技术指标如下：

1）压控系统可以控制密封舱内压力在 30 33 kPa之间；

2）能够将密封舱内空气压力在 30 min内从30 kPa泄压至10 kPa，或从10 kPa复压至30 kPa。

2 压控系统设计方案

2.1 总体方案

根据技术指标的要求，压控系统的主要功能是：对密封舱内的压力进行调控；完成密封舱的泄复压过程。整套压控系统由真空系统、充气系统、真空测量系统、测控系统等4部分组成，结构原理如图1所示。

图1 压控系统结构原理图Fig. 1 Configuration of the pressure control system

真空系统和充气系统是整套压控系统的核心部分：前者完成对密封舱的抽气过程和密封舱内压力在30 min内从30 kPa泄压至10 kPa的任务，后者可以向密封舱内补充洁净、干燥的空气，能够在30 min内将密封舱内压力从10 kPa复压至30 kPa，两者共同完成密封舱内的压力控制。泄压过程中气体经过冷阱；复压过程中气体经过复压管路进入密封舱，而不经过冷阱。

真空测量系统用于对密封舱内压力快速地测量，为测控系统提供准确的测控数据。测控系统能够进行本地和远程的操作控制与参数监视，方便试验操作人员的使用。

2.2 真空系统设计

2.2.1 真空机组抽速计算

试验过程中压控系统工作的压力范围为101～10 kPa，所需要的真空系统的有效抽速可按公式(1)[1]进行计算。

式中：t为抽气时间，s；V为密封舱容积，m3；Se为真空泵的有效抽速，m3/s；P0为密封舱内初始压力，Pa；P为密封舱内目标压力，Pa；kq为系数。计算得真空有效抽速为Se＝30.5 L/s。

在实际使用过程中，真空泵的有效抽速受管道长度、管道内径、阀门、冷阱等因素的影响，会有不同程度的下降。之前进行过的两次压控试验过程的抽气数据如表 1所示。从表中可以看出，8 L/s抽速的机械泵只有理论抽速的一半左右。在此定义有效抽速和名义抽速的比值为抽速影响系数b，它是表示以上诸因素对真空泵抽速影响程度大小的因子，其数值越小，表示对真空泵抽速的影响越大。

表1 某两次试验时从30 kPa泄压至10 kPa的相关数据Table 1 Depressurization data in the range from 30 kPa through 10 kPa

根据表1，可知抽速影响系数为0.6左右。在本项设计中，取抽速影响系数 b＝0.66。因此所要配置的真空系统的名义抽速为

2.2.2 压控（真空）管道设计

压控管道可分为容器内压控管道和容器外压控管道。考虑到试验对传导热阻的要求，容器外压控管道采用不锈钢管道，容器内压控管道采用不锈钢真空波纹管[2]。容器内压控管道两端带接口法兰，一端和密封舱连接，一端和环境模拟器壁上的法兰连接。

压控管道法兰和密封舱接口法兰的连接为双密封结构，采用氟橡胶圈密封。两法兰的连接螺栓装有隔热垫，满足隔热和密封要求。

压控管道外表包覆多层隔热组件，阻止热沉对压控管道的辐射换热，同时对管道内气体有保温作用。在压控管道的法兰颈上布置两个铂电阻，用于管道壁温监测。

2.2.3 冷阱设计

液氮冷阱安装在压控系统的抽气管路上，可以吸附来自密封舱内的水蒸气，同时保证密封舱内部不会受到来自外部压控系统的气体污染。

冷阱的类型为中心带人字形障板的冷阱[2]，对可凝挥发物具有良好的捕集效果。冷阱底部带放水口，便于将冷阱吸附的水放出。冷阱结构形式如图2所示。这种结构的冷阱流导大，结构简单，操作方便，是一种性能优良的冷阱。

图2 冷阱结构Fig. 2 Structure of LN2 trap

2.2.4 气体采集及充气容器设计

气体采集及充气容器为一圆柱形不锈钢真空室，两端为球面封头，容器上设计有KF40、KF25和KF16接口以及一个观察窗。

该容器在本压控系统中主要作用为：

1）提供为密封舱进行充气的接口；

2）在其上安装四极质谱仪，可对密封舱内的气体成分进行分析；

3）可在其上安装真空规管，作为密封舱内真空测量规管的备件；

4）可连接分子泵机组。

2.3 充气系统设计

充气系统包括充气阀门、过滤器和充气管路等，安装在气体采集及充气容器上，用于完成密封舱的复压任务[3-5]。

密封舱内压力在30 min内从10 kPa复压至30 kPa时所需阀孔尺寸的计算公式为

式中：d为放气阀孔直径，m；V为真空容器体积，m3；R为摩尔气体常数，R= 8.3145J/(mol·k)；M为气体的摩尔质量，kg/mol；T为气体的温度，K；K为系数；

2.4 真空测量系统设计

压控系统需要对密封舱内的气体压力进行快速精确地测量，以满足试验过程的需要。密封舱内的压力在101～1kPa之间变化，因此我们选用在此压力区间内具有较高测量精度（达到读数的0.12%）和稳定性的薄膜规进行压力测量。我们使用两只薄膜规互为备份，以防单点失效。

薄膜真空计为两通道输入，可接2只薄膜规。压力数据通过RS-232C接口送入监测计算机。

气体采集及充气容器上装有1只压阻规和1只电离规，用于压控系统的真空辅助测量。

另外，气体采集及充气容器上还装有一台四极质谱仪，它在微量调节阀和分子泵的配合下，可以对密封舱内的气体成分进行分析。

2.5 测控系统设计

测控系统用于对压控系统的参数监测和运行控制，它由现场测控单元和远程监控计算机组成。现场测控单元为包括PLC和工控机，远程监控程序采用iFIX4.0开发。监控程序具有设备控制、参数显示、曲线绘制、数据查询、超限报警等功能，能够满足系统操作需要。

3 系统验证与结果分析

压控系统研制完成后，在密封舱中进行了性能指标的测试验证，如图 3所示。系统在 30 10 kPa的工作压力范围内，泄压过程用时26 min，复压过程用时5 min，均满足试验时密封舱的泄复压要求；系统能够根据需要调节密封舱内压力维持在 101～10 kPa范围内某一压力值，本次测试在10 kPa的保压结果表明，系统也能够满足试验时密封舱内压力在30～33 kPa范围内的稳压要求。整个测试结果表明系统性能满足设计指标要求。

图3 压控系统指标测试结果Fig. 3 Test curve of the pressure control system

4 结束语

根据计算结果选用的干泵机组作为泄压设备，能够将密封舱的压力在30 min内从30 kPa泄压至10 kPa。充气系统可以在30 min内将密封舱的压力从10 kPa复压至30 kPa，并且可以维持密封舱内的压力在30～33 kPa。压控系统管路与密封舱通过非金属材料连接，满足传导热阻要求。该系统已成功应用于某型号真空热试验中，达到了密封舱内的压力控制目的。

随着空间探测活动的深入开展，对密封舱压力控制的要求会越来越高。后续压控系统的研制将着眼于压力调控范围更宽、控制精度更高、响应更迅速的要求，同时还要满足网络化数据管理、远程集中监控的需要。

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[1] 达道安. 真空设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006

[2] 徐成海. 真空低温技术与设备[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2007

[3] 王欲知. 真空技术[M]. 北京航空航天大学出版社, 2007

[4] 许忠旭. 电子仪器泄复压试验与设备研制[J]. 航天器环境工程, 2007, 24(4): 225

[5] 陈金明, 阳高峰, 龚洁, 等. KM6水平舱综合复压系统设计与仿真分析[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(6): 54