研制的潔凈真空系統(tǒng)可用于真空羽流試驗(yàn)及熱真空試驗(yàn)研究。詳細(xì)介紹了真空系統(tǒng)的組成、方案設(shè)計(jì)及工作模式；計(jì)算了不同工作模式下的真空抽氣時(shí)間；分別對羅茨泵機(jī)組、分子泵及低溫泵進(jìn)行了容器極限抽速測試，測試結(jié)果表明，滿足技術(shù)指標(biāo)；最后對真空容器壓力維持能力進(jìn)行了測試，測得容器平均壓升率為0.111Pa/h，對應(yīng)的平均漏氣率為7.24Pa·L/s，真空容器達(dá)到了較高的工藝水平.真空系統(tǒng)有多種工作模式供選擇，可根據(jù)試驗(yàn)需求及故障模式選取，增加了“真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”運(yùn)行的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

　　北京航空航天大學(xué)研制的“真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”是多用途試驗(yàn)裝置，主要用于航天姿軌控發(fā)動機(jī)真空羽流試驗(yàn)研究，同時(shí)兼顧衛(wèi)星等熱真空試驗(yàn)。

　　該多用途試驗(yàn)裝置中的主體試驗(yàn)艙為臥式圓筒形，內(nèi)徑為5.2m，長為12.6m，真空系統(tǒng)是其重要分系統(tǒng)，可為其提供各種真空試驗(yàn)環(huán)境。所設(shè)計(jì)的清潔真空系統(tǒng)主要包括粗真空系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)、真空測量系統(tǒng)、殘余氣體分析系統(tǒng)、艙體復(fù)壓系統(tǒng)及液氮供應(yīng)系統(tǒng).其中，粗真空系統(tǒng)以羅茨泵機(jī)組為主，高真空系統(tǒng)以低溫泵為主，并配有輔助渦輪分子泵，超高真空系統(tǒng)以液氮熱沉、液氦熱沉等內(nèi)置式深冷泵為主。

　　此外，低溫泵還配有預(yù)抽系統(tǒng)及再生系統(tǒng)，采用分子泵對低溫泵腔體預(yù)抽及再生。預(yù)抽系統(tǒng)可將低溫泵腔體抽至帕級以下，防止低溫泵過早飽和；再生系統(tǒng)可抽除低溫泵飽和后表面吸附的冷凝氣體，使低溫泵及時(shí)恢復(fù)原來的抽氣能力。

1、真空系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　所設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)如圖1所示，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

圖1　真空系統(tǒng)示意圖

　　1)粗真空系統(tǒng)2h內(nèi)將容器真空抽至5Pa；僅低溫泵抽氣時(shí)，容器極限真空優(yōu)于1.3×10^-4Pa；低溫泵、液氮熱沉同時(shí)工作時(shí)，容器極限真空優(yōu)于5×10^-5Pa；低溫泵、液氮熱沉及液氦熱沉同時(shí)工作時(shí)，容器極限真空優(yōu)于5×10^-7Pa。

　　2)發(fā)動機(jī)真空羽流試驗(yàn)時(shí)，以氮?dú)鉃樵囼?yàn)工質(zhì)，當(dāng)質(zhì)量流量為2～10g/s、試驗(yàn)氣體總溫為300～1000K時(shí)，容器動態(tài)真空優(yōu)于10^-2Pa。

　　3)衛(wèi)星等熱真空試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)放氣量為50Pa·L/s時(shí)，容器動態(tài)真空優(yōu)于5×10^-4Pa。

　　4)潔凈復(fù)壓系統(tǒng)先用氮?dú)鈱⑷萜鲝?fù)壓至1000Pa，再用潔凈空氣2.5h內(nèi)將容器復(fù)壓至常壓。

　　5)真空測量系統(tǒng)的測壓范圍為10^-8～10⁵Pa。

2、真空系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　“真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”具有體積大(235m³)、環(huán)境清潔(無油)、抽速大(最高可達(dá)1×10⁷L/s)、真空度高(靜態(tài)極限真空為5×10^-7Pa)等特點(diǎn).粗真空系統(tǒng)主要由兩套羅茨泵機(jī)組構(gòu)成，每套羅茨泵機(jī)組均由WSU2001FC變頻羅茨泵和SP630螺桿泵組成，同時(shí)羅茨泵還配有旁路管道，能夠在螺桿泵單獨(dú)工作時(shí)使氣體不流經(jīng)羅茨泵，增加管路流導(dǎo).高真空系統(tǒng)主要由兩臺Coolvac 60000BL-V LN2低溫泵、兩臺TW1600分子泵、一臺SL300分子泵、一臺SV40BI旋片泵組成，主要靠低溫泵獲取高真空；TW1600分子泵用于輔助抽氣，僅在系統(tǒng)有特殊需求時(shí)使用，主要用于抽除氫、氦等惰性氣體；SL300分子泵既可以作為TW1600分子泵前級使用，又可以用于低溫泵的預(yù)抽及再生；SV40BI旋片泵既可以作為SL300分子泵的前級，又可以用于低溫泵的預(yù)抽及再生。SL300 分子泵配有旁路管道，能夠在SV40BI旋片泵單獨(dú)工作時(shí)使氣體不流經(jīng)SL300分子泵，增加管路流導(dǎo)。

　　防污染設(shè)計(jì)：由兩套液氮冷阱系統(tǒng)組成，一套安裝在粗真空系統(tǒng)主抽氣管路上，一套安裝在高真空系統(tǒng)SV40BI旋片泵進(jìn)氣管路上，用于吸附機(jī)械泵工作時(shí)產(chǎn)生的油蒸氣，防止系統(tǒng)返油至真空容器，保證容器內(nèi)環(huán)境清潔.復(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)：真空容器上開有CF40法蘭孔，通過管道連接有高效C級空氣過濾器，先啟動電磁閥7充氮?dú)鈴?fù)壓至1000Pa，后啟動電磁閥4，5，6充空氣復(fù)壓至常壓(見圖1)。真空測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)：真空系統(tǒng)配有TTR91熱電阻真空計(jì)、ITR90熱陰極電離規(guī)、PTR90冷陰極電離規(guī)，以實(shí)現(xiàn)10^-8～10⁵Pa的全量程測量.低溫泵及冷阱液氮供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：如圖2所示，主要用于向低溫泵冷屏及液氮冷阱輸送液氮，其中低溫泵液氮入口處配有氣液分離器，并通過低溫電磁閥、電子液位計(jì)組成閉合回路，保證液氮的自動調(diào)節(jié)及供應(yīng)。

圖2　低溫泵及冷阱液氮供應(yīng)系統(tǒng)

3、真空系統(tǒng)工作模式分析及計(jì)算

　　本文設(shè)計(jì)的潔凈真空系統(tǒng)滿足發(fā)動機(jī)真空羽流試驗(yàn)及衛(wèi)星等熱真空試驗(yàn)需求，實(shí)測結(jié)果顯示，羅茨泵機(jī)組120min內(nèi)可將容器真空由常壓抽至5×10^-1Pa，分子泵30min內(nèi)可將容器真空由5×10^-1Pa抽至5×10^-3Pa，低溫泵60min內(nèi)可將容器真空由5×10^-3Pa抽至5×10^-5Pa，均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)；同時(shí)測得的容器平均壓升率僅為0.111Pa/h，對應(yīng)的平均漏氣率為7.24Pa·L/s，真空容器達(dá)到了較高的工藝水平.真空系統(tǒng)有多種工作模式供選擇，操作人員可根據(jù)試驗(yàn)需求通過測控系統(tǒng)進(jìn)行選取，增加了北京航空航天大學(xué)“真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”運(yùn)行的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。