环境管理_空间真空环境及试验技术讲义

第二章空间真空环境及试验技术 2 1空间真空环境 是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态 也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气压的分子密度 气压和分子密度同步变化 标准状态 0 C 101325Pa 下 气体的分子密度为2 6870 1025 m3 真空度为1 33 10 4Pa时 气体分子密度为3 24 1016 m3 完全没有气体的空间状态称为绝对真空 绝对真空实际上是不存在的 真空区域划分 根据国军标GB3163 82 真空区划分为如下区段 低真空 105 102Pa 0 50Km 中真空 102 10 1Pa 50 90Km 高真空 10 1 10 5Pa 90 330Km 超高真空 10 5Pa 330Km以上 空间真空度随高度变化情况海平面 101308Pa100km 2 64 10 2Pa 500km 9 52 10 8Pa200km 7 50 10 5Pa 600km 4 12 10 8Pa300km 5 96 10 6Pa 700km 1 85 10 8Pa400km 8 69 10 7Pa 800km 1 03 10 8Pa 1200km处 大气压力10 9Pa 10000km处 大气压力为10 10Pa 月球表面大气压力为10 10Pa 10 12Pa 大约相当于有100个氢分子 cm3 银河系星际大气压力为10 13Pa 10 18Pa 真空测量单位真空度通常可以用压强表示 压强为气体分子作用在单位面积上的力的法向分量 1 国际单位通常用压力单位Pa 帕 表示 1Pa为1m2面积上作用1N的力 即 1Pa 1N m2 2 高斯单位通常用压力单位Tor 托 表示 1Tor 133Pa 1 压力差效应压力差效应在105Pa 102Pa的真空范围内发生 压力差效应会使密封舱变形或损坏 因此增大了贮罐中液体或气体的泄漏 缩短了使用时间 真空环境下的泄漏故障约 的重大故障与真空环境泄漏有关 年 月 日苏联 联盟 号飞船的 名航天员返回地面时 因返回舱真空室漏气均窒息死亡 2 2真空环境效应 据统计 因真空环境下泄漏 全世界至少有 枚火箭发生爆炸 其中 有造成火箭发动机试验时提前关机或未能二次点火 有火箭升空后未达到预定推力 卫星偏离轨道不能入轨 有火箭升空后引起爆炸 星箭自毁等 据统计 全世界至少有 颗卫星因泄漏而发射失败 多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使用功能 我国也有 颗卫星因泄漏而产生故障 2 真空放电效应真空放电效应发生在103Pa 10 1Pa低真空范围 当电极之间发生自激放电时称为电击穿 对于航天器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器 应防止任何放电的可能 短路故障 当真空度达到10 2Pa或更高时 在真空中分开一定距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞时 会从金属表面激发出更多的次级电子 形成微放电 电弧放电故障 金属由于发射次级电子而受到侵蚀 电子碰撞会引起温度升高 而使附近气体压力升高 甚至会造成严重的电晕放电 射频空腔波导管等装置有可能由于微放电而使其性能下降 甚至产生永久性失效 电子元器件故障或失效 3 真空出气效应当真空度高于10 2Pa时 气体会不断地从材料表面释放出来 这些气体的来源是 原先在材料表面吸附的气体 在真空状态下从表面脱附 原先溶解于材料内部的气体 在真空状态下从材料内部向真空边界扩散 最后在界面上释放 脱离材料 渗透气体通过固体材料释放出来分子污染航天器材料在空间真空环境下出气 通过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上造成的污染 称为分子污染 严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度 改变热控涂层的性能 减少太阳能电池的光吸收率 增加电器元件的接触电阻等 4 材料蒸发升华和分解效应材料在空间真空环境下的蒸发 升华和分解都会造成材料组分的变化 引起材料质量损失 简称质损 造成有机物的膨胀 改变材料原有性能如热物理性能和介电性能等 一般质损1 2 时 材料的宏观性质无重大变化 但质损达 时 材料性质出现明显的变化 因此 一般把每年质损小于 作为航天器材料的标准 航天器表面材料不均匀的升华 引起表面粗糙 使航天器表面光学性能变差 在高真空下材料的内 外分界面可能变动 引起材料机械性能的变化 由于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜 因而可能改变材料表面的适应系数及表面辐射率 显著改变材料的机械性能 蠕变强度和疲劳应力等 5 粘着和冷焊效应粘着和冷焊效应一般发生在10 Pa以上的超高真空环境下 发生机理 在真空中固体表面的吸附气膜 污染膜以致氧化膜被部分或全部清除 从而形成清洁的材料表面 使表面之间出现不同程度的粘合现象 称为粘着 如果除去氧化膜 使表面达到原子洁净程度 在一定压力负荷和温度下 可进一步整体粘着 即引起冷焊 冷焊发生三要素 高真空 相同金属材料 压力 危害 活动部件 支承 传动 触点部位都可能出现故障 冷焊将加速轴承的磨损 减少其工作寿命 使电机滑环 电涮 继电器和开关触点接触不良 天线或重力梯度杆展不开 太阳电池阵板 散热百叶窗打不开等 防止冷焊的措施 选择不易发生冷焊的配偶材料 在接触表面涂覆固体润滑剂或设法补充液体润滑剂 涂覆不易发生冷焊的材料膜层 碳化钨涂层 6 真空环境下的热辐射效应在空间真空环境下 航天器与外界的传热主要通过辐射形式 因此 航天器表面的辐射特性对航天器的温度控制起着重要作用 为了使航天器保持在允许的热平衡温度下 航天器的热设计必须考虑空间真空环境下传热以辐射与接触传热为主导的效应 2 3 1分类 物理模拟是指模拟空间的实际真空环境 效应模拟是指空间真空环境模拟试验与空间真空环境试验的一致性 数值模拟是用数学模型代替实际系统的模拟试验 2 3真空环境模拟技术 2 3 2真空容器 1 结构形式 圆柱 箱形 球 圆锥圆柱 强度 材料消耗 空间利用率 制造性等综合性能好 小型罐 0 2m直径中型罐 2 6m直径大型罐 6m以上直径2 材料 不锈钢1Cr18Ni9 KM6空间模拟器 真空容器由三个容器组成 主容器 立式 直径12m 高22 4m辅容器 卧式 直径7 5m 长15m载人试验舱 直径5m 长15m总容积 3200m3总质量 420t 3 尺寸 DM 模拟器有效直径 DV 航天器特征尺寸 1 试验误差 设定3 1 热沉发射率 取0 9热沉 对光 热 气体分子有强吸收能力的能够模拟空间冷黑环境的结构 用铜 铝 不锈钢制造 表面黑色 模拟器与航天器特征尺寸比的确定采用太阳模拟方法 3采用红外模拟方法 1 5采用接触式电加热法 2 3KM6模拟器 飞船3空间站2 3美国 1 5 2 5约翰逊试验中心 A容器1 9 2 6B容器1 6 2 2 2 3 3真空抽气系统 要求 空间环境模拟室具有体积大 环境清洁 放气量大 真空度高 抽气速度要求快等特点 因此对配置和选择真空泵的方法 真空系统的设计程序和结构设计 真空材料的选择 都有所不同 对系统的设计提出更高的要求真空抽气系统的选择 1 小型热真空罐 真空度优于10 4Pa 前级用机械泵 低温泵 分子泵或油扩散泵 2 大型环境模拟器 真空度优于10 4Pa 前级用机械泵 用低温泵 避免油污染 真空抽气系统的选择 3 冷焊 干摩擦试验设备 真空度优于10 7Pa 用低温泵 分子泵 无油抽气 4 发动机羽流污染试验设备 真空度优于10 5Pa 要求大抽速 用低温泵 油扩散泵 5 火箭发动机点火试验设备 真空度优于10 4Pa 用空气引射泵 扩压器 油扩散泵 低温泵 试验真空下点火 燃烧 再启动性能 6 航天员训练舱 真空度优于10 2Pa 用水环泵 罗茨泵 机械泵 机械泵 有叶片式 螺杆式 柱塞式等 价格低 油扩散泵 利用低压 高速油蒸汽射流原理的真空泵 抽速大 德国机械泵 油扩散泵 分子泵 利用高速旋转的转子把动量传给气体分子 使分子获得速度后排出 无污染 低温泵 利用低温表面冷凝气体而获得真空的原理 无污染 真空度大 罗茨泵 旋转式变容积真空泵 罗茨风机 电离真空计 热偶真空计 压阻真空计 B A真空规 石英真空计 全量程真空规真空计的选择 1 105 102Pa压阻真空计 静态变形式真空计 2 102 10 1Pa热偶真空计 3 10 1 10 4Pa电离真空计 4 10 4 10 8PaB A真空规 5 105 10 7Pa全量程真空规 2 4真空度测量技术 热偶真空计气体分子热传导与压力有关 在一玻璃管壳中支撑一根热丝 热丝通以电流加热 使其温度高于周围气体和管壳的温度 于是在热丝和管壳之间产生热传导 当达到热平衡时 热丝的温度决定于气体热传导 因而也就决定于气体压力 电离真空计利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离 产生的离子流随电力变化的原理 如 热阴极电离真空计 冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等 电离真空规 BA真空规 热偶真空规 压力测量的特殊性1 定向压力效应分子沉 太空的分子密度十分稀薄 从航天器飞出的分子无碰撞地沉没于无限宇宙空间之中不再返回 所以广阔的太空是个具有无限抽气速率的 分子沉 在空间模拟室内 真空规面向试件所测得的分子流压力值比面向真空容器壁板所测得的分子流压力值高1 2个数量级 这就是分子沉效应 因此试验中应考虑真空规管安装的位置 方向 形式 以真实反映真空度 2 快速真空度测量在发动机高空点火模拟试验中 要求测出2次点火之间短时压力的快速变化 在火箭发射阶段的模拟中 快速测量压力变化 其反应时间约为几百微秒量级 因此要求高精度 宽量程 高可靠性 3 超音速气流真空度测量在低密度级风洞 压力大于10 2Pa 将会遇到马赫数为1 10的超音速气流 在太阳风的模拟中 将会遇到300km s 500km s的超音速等离子体 质子加电子 密度约10个 cm3 航天器中的天线运转 太阳电池阵的展开和百叶窗的开闭等都有转动机构 姿控系统中的红外地平仪 动量轮 空间探测仪器 其对接与分离机构中有滚动轴承 滑动轴承 齿轮等活动部件 这些部件在空间真空环境下要考虑摩擦 磨损 润滑问题 除了选择合适的配偶材料 对润滑剂的选用应考虑在真空下不易挥发 不变质 不污染航天器等 2 5空间真空环境润滑技术 2 5 1空间真空环境下的液体润滑技术在空间真空环境中用的液体润滑剂应选用饱和蒸气压较低的润滑油 应将其封闭在一个小空间内 以防止蒸气直接向空间蒸发 2 5 2空间真空环境下的固体润滑技术固体润滑是利用有润滑性的固体 采用一定的结构形式 达到润滑的目的 为了保护相对运动中的表面不受损伤 并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉状固体物质 固体润滑剂按种类划分有 层状晶体结构物质 非层状无机物 金属薄膜 塑料 合成膜 化合膜等 2 5 3自润滑材料石墨 陶瓷 复合材料等 1 氦质谱检漏法检漏原理 氦气分子量小 质量轻 操作安全 洁净 适合作为检漏气体 质谱仪的核心部分是电离室 氦气经灯丝加热后进入电离室 将氦气电离成正离子 通过加速使离子进入磁场 磁力作用下形成圆弧轨道 氦离子质量小 轨道半径就小 在接收极可被检出 R 144 B 2 6空间真空检漏技术 1 氦质谱检漏法氦质谱检漏法有如下几种 喷吹法 氦罩法 检漏盒法喷吹法 在被检件外壁可疑漏气部位用氦气喷枪吹氦气氦罩法 将被检件外壁用塑料罩住 抽走罩内空气 充入氦气 2 静态法将被检容器抽真空后 用阀门将泵隔离 测量其内部压力的上升情况 或将干燥气体充入被检容器 当充到一定压力后 隔断气源 测量被检容器内压力随时间的下降情况 计算其漏率 3 Kr85法将含有Kr85的氮气加压送到被检容器中 而被检容器置于收集器内 若被检容器有漏气存在 泄漏出来的Kr85气体在风机的作用下流经探头 紫色 通过检测Kr85的浓度检漏 4 真空规法将真空规与被检容器相连 用示漏气体喷射可疑之处 如有泄露 则示漏气体进入真空规 真空规显示出气体浓度 从而将泄露检出 常用气体 丁烷 乙醚 氢气 乙醇 丙酮等 5 气泡法被检件内充以干燥的高压气体 浸泡在水等液体中 如果有漏孔 将会产生一个个气泡 通过观察气泡出现的位置 大小和速率即可确定漏孔的位置和漏率的大小 6 在轨航天器的真空检漏在轨航天器的真空检漏一般采用方向规 在不同的位置 不同的方向测量其压力差 可判断其泄漏的位置及大小 思考题 1 简述