一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统

摘要

本发明提出一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统，该真空系统的粗抽系统负责完成容器粗抽，建立最初的基本真空环境；高真空机组的低温泵主抽系统用于试验压力的建立和维持；分子泵辅抽系统用于低温泵辅助抽气，还作为设备的检漏系统；复压系统用于将真空容器内的真空环境恢复到大气环境，真空阀门系统包括若干阀门用于导通和切断气路，管道系统包括排气管道、水路系统和气路系统。解决了如何设计一套适用于大布尘条件下的防粉尘颗粒飞溅与污染的真空系统的技术问题，本发明为月表综合环境模拟器开展真空、低温、电子辐照、紫外辐照、X射线辐照、微米/亚微米级带电粉尘等月表多因素综合环境效应试验提供真空环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统，属于空间环境模拟技术领域。

背景技术

月球表面没有大气，处于一个高真空状态，而且月球表层有松软的月壤和微纳米尺度的带电月尘，我们在地面模拟月球表面综合环境时，既要模拟月球表面的月壤和月尘环境，也要模拟真空环境，综合形成一个月表多因素环境模拟器。月球环境模拟装置的重点在于需要设计一套可用于大布尘环境(30kg月尘或者500kg月壤)的真空系统，其作用是在月球环境模拟器的真空容器内产生真空环境，而且不破坏容器内月壤和月尘等其他环境因素的模拟。带月壤或月尘的环境模拟器属于布尘环境，当月尘或月壤质量达到千克量级时，即为大布尘环境。大布尘环境下的真空系统设计与实施难点在于如何有效防止抽真空过程中，月壤或月尘颗粒堆积物内部气体快速外泄形成气流，气流带动月壤颗粒或者月尘颗粒飞溅，导致飞溅的月壤或者月尘颗粒污染真空泵组或者真空容器内的其他设备，如热沉、仪器等。针对月球微纳月尘极端环境，急需设计一套适用于大布尘条件下的防粉尘颗粒飞溅与污染的真空系统。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的如何设计一套适用于大布尘条件下的防粉尘颗粒飞溅与污染的真空系统的技术问题，提出一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统。

本发明提出一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统，包括粗抽系统、高真空机组、压力测量系统、复压系统、真空阀门系统和管道系统，

所述粗抽系统包括无油罗茨泵组和螺杆干泵，所述粗抽系统的粗抽管道与月尘舱连接，所述粗抽系统负责完成容器粗抽，建立最初的基本真空环境；

所述高真空机组包括低温泵主抽系统和分子泵辅抽系统，所述低温泵主抽系统用于试验压力的建立和维持；所述分子泵辅抽系统用于低温泵辅助抽气，还作为设备的检漏系统；

所述复压系统用于将真空容器内的真空环境恢复到大气环境，所述真空阀门系统包括若干阀门用于导通和切断气路，所述管道系统包括排气管道、水路系统和气路系统。

优选地，所述粗抽系统能够在10h内将月尘舱容器内的气压抽至≤10Pa。

优选地，所述粗抽系统安装有智能开度调节阀，进行抽速控制分阶段调整扬尘压力变化率。

优选地，所述粗抽系统接口放置在月尘舱舱体顶部，远离粉尘布置区域。

优选地，所述粗抽系统在粗抽管道上设置有真空过滤设备。

优选地，所述低温泵主抽系统、分子泵辅抽系统和粗抽系统与月尘舱之间通过高真空气动闸板阀连接，粗抽系统和复压系统用于调节气流的阀门采用智能开度调节蝶阀，复压系统采用质量流量控制器、气动/手动截止阀，粗抽系统采用气动蝶阀。

优选地，所述排气管道包括粗抽管道、分子泵前级管道和低温泵再生管道，所述粗抽管道、分子泵前级管道和低温泵再生管道分别与月尘舱连接。

优选地，所述气路系统包括氮气系统和压缩空气系统，所述氮气系统用于对复压系统提供氮气供应，所述压缩空气系统用于对真空系统所有气动阀门提供开闭动力和干泵吹扫。

本发明所述的用于模拟月球大布尘环境的真空系统的有益效果为：

1、本发明为月表综合环境模拟器(月尘舱)开展真空、低温、电子辐照、紫外辐照、X射线辐照、微米/亚微米级带电粉尘等月表多因素综合环境效应试验提供真空环境。

2、本发明采用清洁无油的高真空机组(低温泵、分子泵、螺杆干泵均为无油泵)、罗茨泵/螺杆干泵无油粗抽系统组成的无油真空抽气系统，抽气系统通过控制抽速具备防止静态粉尘扬尘的能力，真空环境建立阶段控制粉尘损失不超过总质量的3％；粗抽系统带有吹扫功能，具备抽除气流裹挟粉尘的能力，并且粗抽泵口安装可过滤3μm以上粉尘的真空过滤器；低温泵启动后，在热沉温度≤100K情况下，可实现容器的空载极限压力≤1×10-4Pa；容器内模拟月尘样品≤30kg时，有载极限压力≤5×10-3Pa；容器内模拟月壤样品≤500kg时，有载极限压力≤1×10-1Pa。

3、本发明是国内首个用于月球大布尘环境的真空系统，月表综合环境模拟器的粗抽系统安装智能开度调节阀进行抽速控制分阶段调整扬尘压力变化率，具备防止静态粉尘扬尘的能力，有效避免产生月表综合环境模拟器内扬尘现象，真空环境建立阶段控制粉尘损失不超过总质量的3％。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统的组成示意图；

图2为本发明所述的一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统的安装效果图一；

图3为本发明所述的一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统的安装效果图二；

图4为本发明所述的一种用于模拟月球大布尘环境的真空系统的系统原理图；

图5为本发明所述的抽粗系统原理图；

图6为本发明所述的低温泵主抽系统原理图；

图7为本发明所述的分子泵辅抽系统原理图；

图8为本发明所述的压力测量系统原理图；

图9为本发明所述的复压系统原理图；

图10为本发明所述的真空阀门系统原理图；

图11为本发明所述的排气管道原理图；

图12为本发明所述的水路系统原理图；

图13为本发明所述的氮气系统原理图；

图14为本发明所述的压缩空气系统原理图；

其中，1-月尘舱，2-粗抽管道，3-综合舱，4-粗抽机组，5-分子泵，6-低温泵，7-分子泵前级管道，8-低温泵再生管道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-14说明本实施方式。本实施方式所述的用于模拟月球大布尘环境的真空系统，包括粗抽系统、高真空机组、压力测量系统、复压系统、真空阀门系统和管道系统，

所述粗抽系统包括无油罗茨泵组和螺杆干泵，所述粗抽系统的粗抽管道与月尘舱1连接，所述粗抽系统负责完成容器粗抽，建立最初的基本真空环境；

所述高真空机组包括低温泵主抽系统和分子泵辅抽系统，所述低温泵主抽系统用于试验压力的建立和维持；所述分子泵辅抽系统用于低温泵辅助抽气，还作为设备的检漏系统；

所述复压系统用于将真空容器内的真空环境恢复到大气环境，所述真空阀门系统包括若干阀门用于导通和切断气路，所述管道系统包括排气管道、水路系统和气路系统。

所述的用于模拟月球大布尘环境的真空系统组成如图1所示，安装效果如图2-3所示，其中月尘舱1和综合舱3公用真空系统。

月表综合环境模拟器(月尘舱)真空系统中的粗抽系统、高真空机组、压力测量系统、复压系统、真空阀门系统等为核心功能系统，原理图如图4所示。

(1)月表综合环境模拟器的粗抽系统负责完成容器粗抽，建立最初的基本真空环境，能够在10h内将月尘舱容器内的气压抽至≤10Pa。粗抽系统安装智能开度调节阀进行抽速控制分阶段调整扬尘压力变化率，具备防止静态粉尘扬尘的能力，有效避免产生月尘舱内扬尘现象，真空环境建立阶段控制粉尘损失不超过总质量的3％。粗抽系统接口放置在舱体顶部，远离粉尘布置区域，从而减少扬尘。同时为了避免月表综合环境模拟器内在粗抽阶段的粉尘损坏粗抽机组，在抽气管道上设置2μm真空过滤器等设备，并且粗抽机组选型是具备吹扫耐粉尘功能的产品，具备抽除气流裹挟粉尘的能力。粗抽系统采用清洁无油罗茨泵、螺杆干泵机组的真空抽气系统。粗抽系统原理图如图5所示，粗调系统配置清单如表1所示。

表1粗抽系统配置清单

(2)高真空机组由低温泵主抽系统和分子泵辅抽系统组成，低温泵主抽系统用于试验压力的建立和维持，包括低温泵6；分子泵辅抽系统用于低温泵辅助抽气，还可以作为设备的检漏系统，包括分子泵5。

低温泵主抽系统的工作原理图见图6，系统配置见下表2。

表2低温泵主抽系统配置清单

高真空机组以低温泵做主泵，在低温泵6预冷期间需要分子泵进行辅助抽气，通过气体传输泵排除大量的材料放气，从而获得清洁的高真空环境。另外，低温泵6对氦气的抽速较小，在高真空环境下也不能利用低温泵6进行系统的检漏，分子泵5的工作特点决定了它正好可以解决这两个问题。分子泵辅抽系统的原理见图7，系统配置见下表3。

表3分子泵辅抽系统配置清单

(3)压力测量系统是真空系统的重要组成部分，通过选配合适的真空规管与真空计实现对真空容器、真空管道等关键点的真空度测量。压力测量系统真空规管的布置：月表综合环境模拟器(月尘舱)的上、中、下部DN200压力测量接口上各安装1只热阴极电离规和1只电阻规，测量范围1×10

表4压力测量系统配置清单

(4)复压系统是将真空容器内的真空环境恢复到大气环境的设备，容器的复压过程可以划分为氮气复压和空气复压两个阶段。月表综合环境模拟器要求配有洁净的复压系统，试验完成后第一阶段为充氮气阶段，复压到1000pa。为了氮气复压速率均匀可控选择通过质量流量控制器对复压氮气进行控制，质量流量控制器与容器之间加装1只气动截止阀，为了可靠性并联安装1只手动截止阀。第二阶段是空气复压阶段，考虑到复压系统的可靠性、复压速率可调性，复压阀门采用气动挡板阀串联开度调节蝶阀和手动阀并联的结构形式，当气动阀门故障时也能通过手动阀门复压，确保能够复压开门。为了获得净化的空气及减少复压时的噪音，在进气口上安装空气过滤器和吸收性消音器，过滤器可滤除以2μm以上的固态颗粒，吸收性消音器可以降低高频率噪音30dB。为了降低复压气流对于热沉、罐内设备、试件冲击以及粉尘扬尘，复压系统采用开度可调的智能蝶阀来控制气流的流量，复压时容器内的压力升高速率可调，复压系统的原理如图9所示，配置如表5所示。

表5复压系统配置清单

(5)真空阀门系统包含各种类型和各种规格的阀门，用于导通和切断气路的设备。低温泵、分子泵和粗抽系统与容器之间通过高真空气动闸板阀连接；分子泵及低温泵前级阀、再生阀等阀门选用气动/手动高真空挡板阀若干。粗抽系统和复压系统用于调节气流的阀门采用智能开度调节蝶阀。复压系统采用质量流量控制器、气动/手动截止阀。粗抽系统采用气动蝶阀。真空阀门系统的原理如图10所示，配置如表6所示。

表6真空阀门系统配置清单

(7)排气管道由粗抽管道2、分子泵前级管道7和低温泵再生管道8组成。排气管道均采用不锈钢材质，总漏率均小于1.3×10

表7排气管道配置清单

(8)水路系统是真空系统的保障系统，对6台低温泵压机、2台分子泵、2台干泵进行冷却，确保真空泵正常运行。水路主体结构采用不锈钢外包保温结构，管路上安装温度、流量、压力传感器，供水、回水压差调节阀等结构，供水管道并联安装过滤器可实现在线更换滤芯。水路的原理如图12所示，配置如表8所示。

表8水路系统配置清单

(9)气路系统是真空系统的保障系统，分为氮气系统和压缩空气系统。氮气系统负责对复压系统提供氮气供应，原理如图13所示，配置如表9所示。

表9氮气系统配置清单

压缩空气系统负责对真空系统所有气动阀门提供开闭动力和干泵吹扫，原理如图14所示，配置如表10所示。

表10压缩空气系统配置清单

本发明所述的用于模拟月球大布尘环境的真空系统的工作流程为：

首先粗抽系统开始工作，直至压力降至10pa，低温泵主抽系统和分子泵辅抽系统开始工作直至压力达到指定压力，并进行试验阶段压力的维持，试验结束后，复压系统开始工作直至恢复大气压，第一阶段为充氮气阶段，利用氮气系统将容器复压至1000Pa；第二阶段为充洁净空气复大气压阶段。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。