用于超大型空间环境模拟器的真空抽气系统及其配置方法

摘要

本发明公开了一种超大型空间环境模拟设备真空系统，包括低温泵系统、分子泵系统、粗抽系统，各分系统通过真空容器预留法兰实现与真空容器的连接，真空容器内部安装有热沉和过渡抽气冷板，真空容器上同时安装有真空测量仪器用于实现真空容器内的压力监测。本发明也公开了一种抽气工艺。本发明采用无油清洁真空泵组，且设置液氮冷阱等辅助工艺设备，可以有效阻隔油蒸汽进入真空容器，同时具有辅助抽气的作用，在超大型空间环境模拟器实现清洁真空、低污染量的指标。

说明书

技术领域

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种适用于超大型空间环境模拟器的真空抽气系统及其配置方法，以用于超大型空间环境模拟设备真空环境的实现与模拟。

背景技术

航天器在发射前，必须在地面模拟的空间环境中进行空间环境模拟试验，以确保其可靠性，验证航天器热设计的正确性及各个飞行阶段热控系统适应各种热环境的能力并确定热控系统的最佳参数。国内外研制的所有航天器都要在空间模拟器中进行热真空、热平衡试验简称真空热试验。因此空间环境模拟设备是航天技术发展所必须的、重要的基础设施。一般而言，空间环境模拟设备包括真空容器系统、真空系统、热沉系统、液氮系统、气氮调温系统、氦系统、太阳模拟器系统、红外模拟器系统、运动模拟器系统、测量控制系统以及数据采集与试验管理系统等。

超大型空间环境模拟设备是主要为空间站、飞船、大型卫星等大型航天器环境试验而建造的大型设备，主要用于整星级或飞船级等各型号的热平衡、热真空试验，以检验飞行器的结构设计、温控设计及整星船功能等是否满足设计要求。超大型空间环境模拟设备真空系统是其重要的分系统之一，其主要功能是通过对各类真空工艺设备的有效配置完成环境模拟真空容器内真空环境的获得与维持，完成测试对象在模拟空间真空环境下的适应性与可靠性试验验证。对于超大型空间环境模拟设备，合理的真空系统配置与抽气工艺流程至关重要。

根据抽气阶段的不同，真空抽气系统一般包括粗抽真空系统、分子泵捡漏抽气系统(可选)、高真空抽气系统等分系统；其中粗抽真空系统一般配置并联或串联组合的机械泵，可将被抽真空容器从大气压抽至几帕以下；分子泵捡漏抽气系统(可选)一般用于系统的捡漏与过渡抽气；高真空抽气系统一般由低温泵、扩散泵等极限真空度高、抽速大的真空泵作为主泵；真空抽气系统一般通过以上各个抽气阶段的真空机组接力抽气实现最终真空度的获得与维持。按照所使用的真空泵组的特点划分，真空系统可分为有油真空系统和清洁无油真空系统。结合以往的真空系统配置技术与应用经验，目前真空抽气系统一般存在以下问题：一是很多真空抽气系统使用含有泵油作为密封、润滑或冷却介质的真空机组，直接参与设备的抽气过程，极易造成返油，即使是采用冷阱、分子筛吸附等措施，也不能完全避免返油污染，而对于空间环境模拟器此类设备对清洁无油的真空要求很高；二是真空抽气系统的配比不合理也是主要存在的问题，如粗抽系统螺杆罗茨泵配比不合理、分子泵及前级干泵配比不合理等，此类问题可能会导致真空抽气时间、极限真空度、泵组能耗等指标受到影响，严重的可能会导致真空泵组过载、过热甚至电机烧毁等严重故障，此类问题对于超大型真空容器所配置的复杂真空抽气系统需要尤为注意。此外，真空抽气系统抽气过程各阶段的有效衔接与过渡也是需要特别注意的问题，需要根据不同真空泵或辅助抽气工艺设备的特点进行合理选择与配置。

发明内容

基于此，本发明的发明目的在于提供一种适用于超大型空间环境模拟器的真空抽气系统。此外，本发明另一目的在于提供一种利用上述抽气系统对超大型空间环境模拟设备进行抽气的工艺，该工艺能够满足其清洁无油、运行可靠等要求。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

本发明的超大型空间环境模拟设备真空系统，包括低温泵系统、分子泵系统、粗抽系统，各分系统通过真空容器预留法兰实现与真空容器的连接，真空容器内部安装有热沉和过渡抽气冷板，真空容器上同时安装有真空测量仪器用于实现真空容器内的压力监测；其中：

低温泵系统按照安装顺序依次由低温泵入口真空插板阀、低温泵全量程真空规、低温泵、低温泵预抽真空阀、低温泵前级管道低真空规、低温泵前级管道放气阀、低温泵前级泵入口阀和低温泵前级干泵组成，以上所有设备部件通过真空管道实现串联连接；

分子泵系统按照安装顺序依次由分子泵入口真空插板阀、分子泵全量程真空规、分子泵、分子泵预抽真空阀、分子泵前级管道低真空规、分子泵前级管道放气阀、分子泵前级泵入口阀和分子泵前级干泵组成，以上所有设备部件通过真空管道实现串联连接；

粗抽系统按照安装顺序依次由粗抽压力平衡阀、粗抽入口真空插板阀、粗抽主管道低真空规、主管道液氮冷阱、主抽管道真空放气阀、罗茨泵入口蝶阀、粗抽支管道低真空规、第一级罗茨泵、第一级罗茨泵旁通蝶阀、第二级罗茨泵、粗抽螺杆干泵和排气消音器组成，以上所有设备部件通过真空管道实现串联连接。

其中，所述真空容器为6000m³超大型立式真空容器，顶部为大门，一层底部为侧门，真空容器(6000m³)内部装有热沉，侧门位置内部装有过渡抽气冷板，真空容器(6000m³)整体按照基建与功能布局分为地下一层、一层、二层、三层和四层位置；

其中，所述过渡抽气冷板位于真空容器侧门内部位置，具体结构为直径￠4500mm的圆饼形结构，内部通过液氮制冷的方式实现100K的低温，其主要是利用冷板抽除水蒸气，来降低真空容器内部气体负荷，辅助实现系统的过渡抽气。

其中，所述真空抽气系统在真空容器上安装有真空测量仪器用于实现真空容器(6000m³)内的压力监测，分别在真空容器一层、二层和三层位置各装有两套真空规，两套分别为高精度薄膜真空规和全量程真空规，监测真空容器各个梯度的位置。

其中，所述低温泵系统包括10套低温泵(60000L/s)与4套低温泵前级干泵(650m³/h)，其中低温泵入口真空插板阀和低温泵(60000L/s)通过真空容器预留法兰安装于真空容器(6000m³)中部二层位置。

进一步地，所述低温泵选用一级液氮辅助制冷与二级机械制冷的大口径低温泵，前级干泵选用清洁无油螺杆干泵，保证低温泵系统清洁无污染。

其中，所述分子泵系统包括8套分子泵(3200L/s)与2套前级干泵(450m³/h)，其中分子泵入口真空插板阀和分子泵(3200L/s)通过真空容器预留法兰安装于真空容器(6000m³)中部二层位置。

进一步地，所述分子泵选用无脂无油的磁悬浮分子泵，前级干泵选用清洁无油螺杆干泵，保证分子泵系统清洁无污染。

其中，所述粗抽真空系统包括8套第一级罗茨泵(7000m³/h)+第二级罗茨泵(2000m³/h)+螺杆干泵(650m³/h)，其中入口真空插板阀通过真空容器预留法兰安装于真空容器(6000m³)下部一层位置，粗抽机组整体位于地下一层。

进一步地，所述系统选用清洁无油罗茨泵和螺杆干泵，保证粗抽系统清洁无污染。

超大型空间环境模拟设备真空系统的抽气工艺，包括以下步骤：

1.粗抽系统抽气阶段：

a.向主管道液氮冷阱通入液氮，使其温度逐渐降至100K以下，主液氮冷阱为真空储液式液氮冷阱；

b.打开主抽管道真空放气阀维持3分钟，将粗抽管道内放至大气状态，然后依次打开粗抽压力平衡阀、粗抽入口真空插板阀、罗茨泵入口蝶阀、第一级罗茨泵旁通蝶阀；

c.依次启动粗抽螺杆干泵和第二级罗茨泵机组，间隔15秒；

d.当真空容器真空度达到1000Pa以下时，关闭第一级罗茨泵旁通蝶阀，依次启动第一级罗茨泵继续将真空容器抽真空至10Pa；

2.分子泵系统过渡抽气阶段：

a.向过渡抽气冷板内部通入液氮，使冷板温度逐渐降低，直至最终降至100K时进行低温维持；

b.依次启动分子泵前级干泵和分子泵前级泵入口阀；

c.当分子泵前级管道低真空规的读数数值优于10Pa后，依次开启分子泵预抽真空阀和分子泵，直至分子泵转速达到额定转速；

d.当分子泵完全启动(分子泵转速达到额定转速)，真空容器上的测量仪器、分子泵全量程真空规的真空度读数均优于1Pa时，依次打开分子泵入口真空插板阀；

3.低温泵系统抽气阶段：

a.依次启动低温泵前级干泵和低温泵前级泵入口阀；

b.当低温泵前级管道低真空规的读数数值优于5Pa后，依次开启低温泵预抽真空阀开始对低温泵进行抽气；

c.将低温泵内部加热至315K，压力预抽至5Pa以下，持续一段时间时间可设置后停止加热，关闭低温泵预抽真空阀，维持1分钟，低温泵真空上涨值应低于1Pa，否则重新进行加热再生；

d.启动外部液氮系统对低温泵内部一级障板通入液氮，使一级障板温度逐渐降至100K；

e.当低温泵一级障板温度低于150K后，启动低温泵压缩机对低温泵二级进行制冷，待二级温度低于17K，低温泵预冷完成，低温泵具备抽气状态；

f.确认真空容器低于0.1Pa，确认低温泵一级温度低于130K，二级温度低于17K，即低温泵预冷完成具备抽气条件；开启低温泵入口真空插板阀根据需要开启，使用低温泵继续对真空容器(6000m³)进行抽气直至所需极限或工作真空度。

其中，启动粗抽螺杆干泵和第二级罗茨泵机组后，如有机组启动故障则关闭对应的罗茨泵入口蝶阀和罗茨泵旁通阀、停止机组选择启动其它组粗抽机组。

本发明具有如下技术特点：

1.本真空抽气系统所有工艺设备采用无油清洁真空泵组，且设置液氮冷阱等辅助工艺设备，可以有效阻隔油蒸汽进入真空容器，同时具有辅助抽气的作用，首次在超大型空间环境模拟器实现清洁真空、低污染量的指标。

2.本真空抽气系统关键工艺设备如低温泵、分子泵、罗茨泵和真空规等采用2套以上独立真空抽气系统配置，可相互备份，避免设备因单点失效造成的系统停运，提高了设备运行的可靠性。

3.本真空抽气系统引入过渡抽气冷板，在粗抽机组达到极限能力且分子泵系统切入抽真空前使用，有效解决粗抽系统与分子泵系统之间的帕级压力抽气能力不足问题，首次实现了超大型真空容器抽气过程的平稳过渡。

4.本真空抽气系统经过计算选型，科学配置，粗抽系统中罗茨泵与螺杆干泵合理配比，首次实现4h内将超大容积(6000m³)抽至帕级真空度；高真空系统首次实现了超大容积(6000m³)超高真空(优于10^-5Pa)的高性能指标。

附图说明：

图1为本发明的超大型空间环境模拟设备真空系统的结构示意图。

其中，1—真空容器(6000m³)；2—热沉；3—低温泵入口真空插板阀；4—低温泵全量程真空规；5—低温泵(60000L/s)；6—低温泵预抽真空阀；7—低温泵前级管道低真空规；8—低温泵前级管道放气阀；9—低温泵前级泵入口阀；10—低温泵前级干泵(650m³/h)；11—分子泵入口真空插板阀；12—分子泵全量程真空规；13—分子泵(3200L/s)；14—分子泵预抽真空阀；15—分子泵前级管道低真空规；16—分子泵前级管道放气阀；17—分子泵前级泵入口阀；18—分子泵前级干泵(450m³/h)；19—粗抽压力平衡阀、20—粗抽入口真空插板阀；21—粗抽主管道低真空规；22—主管道液氮冷阱；23—主抽管道真空放气阀；24—罗茨泵入口蝶阀；25—粗抽支管道低真空规；26—第一级罗茨泵(7000m³/h)；27—第一级罗茨泵旁通蝶阀；28—第二级罗茨泵(2000m³/h)；29—粗抽螺杆干泵(650m³/h)；30—排气消音器；31—过渡抽气冷板；32—真空容器薄膜真空规；33—真空容器全量程规。

具体实施方案：

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参见图1，图1显示了本发明的超大型空间环境模拟设备真空系统的结构示意图。其中，真空容器(6000m³)1为体积为6000m³的超大型立式真空容器，顶部为大门，一层底部为侧门，真空容器内部装有热沉2，侧门位置内部装有过渡抽气冷板31，真空容器(6000m³)1上安装有多套真空测量仪器用于实现真空容器内的压力监测，每套真空测量仪器包括高精度真空容器薄膜真空规32和真空容器全量程规33，可以监测真空容器1各个梯度的位置的压力。真空容器整体按照基建与功能布局分为地下一层、一层、二层、三层和四层位置。

图中低温泵系统具体包括低温泵入口真空插板阀3、低温泵全量程真空规4、低温泵(60000L/s)5、低温泵预抽真空阀6、低温泵前级管道低真空规7、低温泵前级管道放气阀8、低温泵前级泵入口阀9和低温泵前级干泵(650m³/h)10。低温泵(60000L/s)5是低温泵系统的核心，所述低温泵系统包括10套低温泵(60000L/s)5和4套低温泵前级干泵(650m³/h)10，每5套低温泵(60000L/s)5和2套低温泵前级干泵(650m³/h)10为一组，两组分别位于真空容器1中部两侧位置，所有工艺设备通过阀门管道连接在一起，低温泵(60000L/s)5通过螺纹连接方式安装于低温泵入口真空插板阀3上，低温泵入口真空插板阀3通过螺纹连接方式安装于真空容器1上。所述低温泵(60000L/s)5为一级液氮辅助制冷与二级机械制冷的大口径DN1250低温泵，低温泵前级干泵(650m³/h)10选用清洁无油螺杆干泵，保证低温泵系统清洁无污染。

图中分子泵系统具体包括分子泵入口真空插板阀11、分子泵全量程真空规12、分子泵(3200L/s)13、分子泵预抽真空阀14、分子泵前级管道低真空规15、分子泵前级管道放气阀16、分子泵前级泵入口阀17、分子泵前级干泵(450m³/h)18。分子泵(3200L/s)13是分子泵系统的核心，所述分子泵系统包括8套分子泵(3200L/s)13和2套分子泵前级干泵(450m³/h)18，系统位于真空容器1中部后侧位置，所有工艺设备通过阀门管道连接在一起，分子泵(3200L/s)13通过螺纹连接方式安装于分子泵入口真空插板阀11上，分子泵入口真空插板阀11通过螺纹连接方式安装于真空容器(6000m³)1上。所述分子泵(3200L/s)13为无脂无油的磁悬浮分子泵，分子泵前级干泵(450m³/h)18选用清洁无油螺杆干泵，保证分子泵系统清洁无污染。

图中粗抽系统具体包括粗抽压力平衡阀19、粗抽入口真空插板阀20、粗抽主管道低真空规21、主管道液氮冷阱22、主抽管道真空放气阀23、罗茨泵入口蝶阀24、粗抽支管道低真空规25、第一级罗茨泵(7000m³/h)26、第一级罗茨泵旁通蝶阀27、第二级罗茨泵(2000m³/h)28、粗抽螺杆干泵(650m³/h)29、排气消音器30。所述粗抽系统包括8套粗抽机组，每套粗抽机组由1套罗茨泵入口蝶阀24、粗抽支管道低真空规25、第一级罗茨泵(7000m³/h)26、第一级罗茨泵旁通蝶阀27和2套第二级罗茨泵(2000m³/h)28、粗抽螺杆干泵(650m³/h)29、排气消音器30串联组成。8套粗抽机组通过粗抽主管道汇总一起，粗抽主管道上安装有粗抽主管道低真空规21、主管道液氮冷阱22、主抽管道真空放气阀23，粗抽主管道最终通过粗抽入口真空插板阀20与真空容器(6000m)1进行螺纹连接。

所述的真空系统抽气工艺方法具体如下：接到真空抽气指令后向主管道液氮冷阱22通入液氮，使其温度逐渐降至100K以下，打开主抽管道真空放气阀23维持3分钟，将粗抽管道内放至大气状态，然后依次打开粗抽压力平衡阀19、粗抽入口真空插板阀20、罗茨泵入口蝶阀24、第一级罗茨泵旁通蝶阀27；依次启动粗抽螺杆干泵(650m³/h)29和第二级罗茨泵机组(2000m³/h)28间隔15s，如有机组启动故障则关闭对应的罗茨泵入口蝶阀24和罗茨泵旁通蝶阀27、停止机组选择启动其它组粗抽机组；观察真空容器薄膜真空规32和真空容器全量程规33达到1000Pa以下时，关闭第一级罗茨泵旁通蝶阀27，依次启动第一级罗茨泵(7000m³/h)26继续将真空容器(6000m³)1抽真空至10Pa以下；至此完成粗抽系统抽气阶段。向真空容器(6000m³)1内过渡抽气冷板31内部通入液氮，使抽气冷板31温度逐渐降低，直至最终降至100K时进行低温维持；依次启动分子泵前级干泵(450m³/h)18和分子泵前级泵入口阀17；观察分子泵前级管道低真空规15数值，当管道真空度优于10Pa后依次开启分子泵预抽真空阀14和分子泵(3200L/s)13；当真空容器全量程规33、分子泵全量程真空规12的真空度读数均优于1Pa时，依次打开分子泵入口真空插板阀11；使用分子泵(3200L/s)13开始对真空容器(6000m³)1进行抽气，至此完成分子泵系统过渡抽气阶段。依次启动低温泵前级干泵(650m³/h)10和低温泵前级泵入口阀9；观察低温泵前级管道低真空规7数值，当真空度优于5Pa后依次开启低温泵预抽真空阀6开始对低温泵(60000L/s)5进行抽气；将低温泵(60000L/s)5内部加热至315K预抽至5Pa以下，持续一段时间时间可设置后停止加热，关闭低温泵预抽真空阀6，观察1分钟，低温泵(60000L/s)5真空上涨值应低于1Pa，否则重新进行加热再生；启动外部液氮系统对低温泵(60000L/s)5内部一级障板通入液氮，使一级障板温度逐渐降至100K；当低温泵一级障板温度低于150K后，启动低温泵压缩机对低温泵(60000L/s)5二级进行制冷，待二级温度低于17K，低温泵(60000L/s)5预冷完成，低温泵具备抽气状态；确认真空容器全量程规33低于0.1Pa，确认低温泵(60000L/s)5一级温度低于130K，二级温度低于17K，即低温泵预冷完成具备抽气条件；开启低温泵入口真空插板阀3根据需要开启，使用低温泵(60000L/s)5继续对真空容器(6000m³)1进行抽气直至所需真空度，至此完成低温泵抽气阶段，可以进入正式试验阶段。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。