真空/加壓系統(tǒng)為空間實驗室提供一個正壓和負(fù)壓交替變化的實驗環(huán)境。實驗過程有兩種工作狀態(tài)，即負(fù)壓和正壓。真空/加壓系統(tǒng)的優(yōu)點是集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊，真空/加壓系統(tǒng)充分利用了空間真空和微重力環(huán)境，降低了真空/加壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運行成本。

　　引言

　　低成本、短周期、高性能的發(fā)展空間有效載荷為目前航天發(fā)展的主要趨勢。隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，推動了材料工程、生物工程等學(xué)科的長足進步，這些學(xué)科發(fā)展的同時需要大量的儀器、實驗設(shè)備在空間微重力、高真空、高宇宙輻射等特殊環(huán)境中展開一系列的科學(xué)實驗。由于目前航天實驗成本還比較高昂，包括發(fā)射成本、實驗?zāi)茉闯杀�、在軌運行成本等，因此，為了降低研究實驗成本，在實驗設(shè)計和規(guī)劃方面盡可能遵循高集成、高可靠性的原則，一臺實驗設(shè)備盡可能完成多項不同實驗，將專用性實驗設(shè)備向通用性實驗設(shè)備靠攏的設(shè)計指導(dǎo)思想，盡可能將一臺設(shè)備的功能拓展。真空/加壓系統(tǒng)就是一臺集成了高真空系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)的空間實驗系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠完成真空實驗、壓力實驗、微重力實驗或三種實驗狀態(tài)任意組合的空間實驗項目。

1、系統(tǒng)要求

　　真空/加壓系統(tǒng)的目的是通過空間真空環(huán)境、真空泵及高壓氣瓶等條件為空間實驗項目提供相應(yīng)的實驗環(huán)境。為實驗項目提供高真空(10^-2~10^-5 Pa)環(huán)境和壓力環(huán)境(3×10⁵~4×10⁵ Pa)，同時可利用空間微重力環(huán)境。實驗過程有以下兩種工作狀態(tài)：

　　(1)對實驗腔抽真空時：在實驗開始前，首先通過實驗柜提供的空間真空管道或排廢氣接口，對實驗腔進行真空預(yù)抽，待實驗腔氣壓降至0.3 Pa左右，再利用分子泵對實驗腔進行進一步抽真空，直到滿足實驗要求，最高可達到10^-5 Pa；在實驗過程中，需要保持真空環(huán)境，持續(xù)開啟分子泵，維持實驗腔氣壓在實驗項目要求的真空度，為保證分子泵的低能耗，在滿足抽速的條件下盡量選用低功率分子泵。

　　(2)對實驗腔加壓時：在實驗開始前，首先通過實驗柜提供的真空管道或排廢氣接口，對實驗腔進行排氣，在實驗腔內(nèi)的氣體排除干凈之后，打開氣瓶或?qū)嶒灩竦獨饨涌诘拈y門，對實驗腔進行充氣。當(dāng)氣壓達到要求之后，關(guān)閉閥門，停止充氣。根據(jù)以下參數(shù)進行真空/加壓系統(tǒng)的設(shè)計。電源：100 VDC；峰值功耗不大于200 W(持續(xù)時間不大于1 h)；實驗腔容積：6 L(L=350 mm，D=155 mm)；起抽壓力0.3 Pa；極限壓力1× 10^-5 Pa；氣源：N2空間站提供，自帶氣瓶1(Ar)，自帶氣瓶2(O2)；空間站提供初級真空接口：0.3 Pa；空間站提供廢氣接口：0.3 Pa(N2必須導(dǎo)回空間站廢氣系統(tǒng))。

2、系統(tǒng)組成

　　依據(jù)真空/加壓系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)要求，經(jīng)分析設(shè)計如圖1所示的系統(tǒng)組成原理圖，系統(tǒng)主要分為三個子系統(tǒng)：抽真空子系統(tǒng)、氣體加注子系統(tǒng)以及控制采集子系統(tǒng)。

圖1 真空與加壓系統(tǒng)組成原理圖

　　系統(tǒng)主要組成部組件有：真空泵、壓力傳感器、真空電離規(guī)、閥門、管路、氣瓶和控制器。實驗腔的真空環(huán)境通過渦輪分子泵實現(xiàn)，渦輪分子泵是靠高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機械真空泵。工作壓力范圍在1~10^-8 Pa。先進的泵可以獲得10^-9 Pa的極限壓力，分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，但渦輪分子泵不能直接對大氣排氣，需要配置前級泵，并且其主要性能(極限壓力和抽速)都和配置的前級泵的容量、轉(zhuǎn)速，被抽氣體的種類有關(guān)。為了節(jié)省空間資源和降低能耗，系統(tǒng)中可充分利用空間的真空環(huán)境，省去分子泵的前級泵。

　　真空/加壓系統(tǒng)中真空泵的選型是關(guān)鍵，必須根據(jù)使用條件多方面綜合考慮。真空系統(tǒng)選取泵的主要依據(jù)是：

　　(1)空載時實驗腔所需要達到的極限真空度；

　　(2)根據(jù)實驗腔進行實驗時所需要的工作真空度；

　　(3)對真空環(huán)境和空間站廢氣系統(tǒng)環(huán)境無油污污染。

　　實驗腔的真空度一定要保證在分子泵最佳抽速壓力范圍之內(nèi)，所需要的分子泵抽速由實驗腔實驗過程中放出的氣量、系統(tǒng)漏氣量以及所需要的真空度來確定。

3、工作原理及過程

　　3.1、初始狀態(tài)

　　初始狀態(tài)下，閥1~閥6為關(guān)閉狀態(tài)，閥1控制分子泵出氣口的通斷，閥3控制分子泵進氣口的通斷、同時起到加壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護分子泵的作用，閥2控制實驗腔進行高壓放氣和真空保持，閥4、閥5和閥6相應(yīng)控制Ar、O2或N2氣源的供氣通斷，閥3在高壓狀態(tài)(0.4 MPa)下保護真空電離規(guī)、真空狀態(tài)下打開真空測量通路，閥7至閥9對高壓氣源減壓至滿足自鎖閥工作壓力，設(shè)定壓力為實驗項目要求壓力。

　　3.2、加壓狀態(tài)

　　(1)當(dāng)實驗腔進行N2 加注時：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥5，打開閥6進行N2注入，當(dāng)實驗腔壓力達到要求壓力時，壓力傳感器1將實驗腔的壓力反饋至控制單元并關(guān)閉閥6；

　　(2)當(dāng)實驗腔進行Ar加注時：關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4和閥6，打開閥4進行Ar注入，當(dāng)實驗腔壓力達到要求壓力時，壓力傳感器1將實驗腔的壓力發(fā)送至控制單元關(guān)閉閥4，同時氧分壓傳感器檢測氧分壓，并將檢測值反饋至控制單元，控制單元控制閥5將實驗腔內(nèi)氧分壓保持在10^-5~10^-2 Pa之間；

　　(3)壓力傳感器2和壓力傳感器3分別檢測Ar氣瓶和O2氣瓶內(nèi)部壓力，當(dāng)壓力接近減壓閥預(yù)設(shè)壓力后提示更換滿瓶Ar氣瓶或O2氣瓶。

　　3.3、真空狀態(tài)

　　當(dāng)實驗腔需要真空度達到10^-5 Pa時，首先關(guān)閉閥4、閥5、閥6，打開閥2，將實驗腔內(nèi)氣體導(dǎo)回至空間站廢氣系統(tǒng)，實驗腔壓力降至0.3 Pa，然后關(guān)閉閥2，打開閥1、閥3，并啟動分子泵將實驗腔真空度降低并保持在10^-5 Pa，真空電離規(guī)對實驗腔內(nèi)部壓力進行檢測，并將檢測值反饋到控制單元。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)布局圖

　　實驗腔既是真空容器，也為壓力容器，因此真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.mp99x.cn/）認(rèn)為在設(shè)計時需兼顧兩種容器的注意事項。設(shè)計應(yīng)遵循6點：

　　(1)為了減少漏氣量和漏孔，焊縫的總長度盡可能短；

　　(2)避免十字交叉焊縫，焊縫的高度應(yīng)大于殼體厚度的1/3，兩焊縫之間的距離應(yīng)大于100 mm；

　　(3)所有焊縫都不妨礙真空檢漏；

　　(4)殼體上開孔最好不要開在焊縫上；

　　(5)實驗腔加工完成后需進行漏率檢驗和耐壓實驗；實驗腔漏率建議不大于1×10^-7 Pa·m3/s；實驗腔應(yīng)能承受0.6 MPa的壓力；對焊縫進行100%無損探傷；

　　(6)腔體材料盡可能選用出氣量小的材料，如鋼、鈦合金等各種材料，適用實驗腔材料如表1所示。

表1 各種材料適用的實驗腔

4、結(jié)論

　　從以上對真空/加壓系統(tǒng)的應(yīng)用研究得出三個結(jié)論：

　　(1)真空加壓系統(tǒng)的優(yōu)點是集成度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，可為空間實驗項目提供正壓、負(fù)壓、以及正壓負(fù)壓交替的實驗環(huán)境；

　　(2)一個實驗腔體包含真空腔和壓力腔雙重作用，減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量，拓展了功能，使實驗滿足從4×10⁵ Pa～10^-5 Pa超寬壓力范圍的不同需求；

　　(3)充分利用空間環(huán)境，省去了不必要的冗余設(shè)備，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度從而提高其可靠性，節(jié)約了空間資源和在軌運行成本。