火星探测小型电容薄膜真空计的性能研究

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　　目前在用电容薄膜真空计存在体积大、重量重等问题，无法满足深空探测中真空测量需求，因此设计了一种具有外形尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等特点的小型电容薄膜真空计。在已经建立的金属膨胀式真空标准装置上对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等各项性能进行了反复的实验研究。实验结果表明，小型电容薄膜真空计具有良好的线性，重复性和稳定性的计算结果均能满足火星探测要求。
! w/ Z* _+ N+ ~. I( @( e0 f  0、引言
  　　开展深空探测活动，是航天技术发展的必然选择，也是人类进一步了解宇宙、认识太阳系、探索地球与生命的起源和演化、获取更多科学认识的必须手段。对我国来说，月球探测是深空探测的第一步，而火星探测是行星际探测的开端，有着承上启下的重要作用。
  　　为确保火星在轨探测器的安全运行，必须对火星空间大气阻力进行充分的研究，从而更准确地做出轨道衰减率和探测器寿命预测，其关键就在于对火星空间环境真空度的准确测量，一般采用探测器携带真空计的方式进行直接测量。在火星探测活动中，探测器携带了大量的载荷仪器，要完成多项科研探测任务，必须考虑探测器及其搭载的载荷仪器的小型化。但是，目前使用的真空计存在体积大、重量重等问题，无法满足火星探测活动中的真空测量需求。
  J( |1 n5 u1 E9 c* p! y  　　电容薄膜真空计的小型化会使仪器本身的线性、重复性和稳定性等受到影响，保证测量准确度与深空探测要求的载荷小型化之间存在矛盾。为了解决这个问题，在理论计算、模拟仿真等研究的基础上，研制出了小型电容薄膜真空计。它具有外形尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等特点，可以覆盖火星低轨道大气压力的测量范围，能够满足火星探测对载荷的基本要求。
7 f1 x* J4 L6 m. I) y4 P( @4 v. A  　　为了保证小型电容薄膜真空计测量结果的可靠性，对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等计量性能进行了实验研究，给出了实验结果。
( A1 O. ^& x/ |  1、小型电容薄膜真空计
, R& t$ Q5 k3 w( m7 M6 R$ N  　　小型电容薄膜真空计规管由进气管及其入口挡片、检测膜片基底、检测膜片、固定极板、参考气室机架、引出电极、抽气口等部分组成，如图1所示。
  
  图1 小型电容薄膜真空计结构示意图
  1.引出电极；2.防热变形结构；3.抽气口；4.封接材料；5.固定极板；6.检测膜片；7.检测膜片基底；8.进气管
( ~% N+ h  T* L. E; _+ ]+ q7 M  　　小型电容薄膜真空计的工作原理是:气体通过进气管引入到测量室中，由于气体压力作用使检测膜片发生形变，改变了检测膜片与固定极板上感应电极之间的距离，引起二者之间电容量的改变。利用电学方法测出电容量，通过校准得到电容量与气体压力之间的关系，获得气体压力大小。
  　　经过初步测试，小型电容薄膜真空规外形尺寸为椎60mm×100mm，重量为150g，工作温度范围为-20~+50℃，测量范围为1.0×10-2~1.3×102Pa，可以满足火星低轨道大气压力的探测要求。
, P* V: e8 o# f) |  2、实验装置
6 A) U" h6 D0 F( G: Z  　　采用金属膨胀式真空标准装置作为实验装置，装置由压力产生系统、气体压力衰减系统和抽气系统三部分组成，如图2所示。该装置可通过石英规直接比对法、一级静态膨胀法、二级静态膨胀法和三级静态膨胀法，产生10-4~105Pa的气体压力，装置的不确定度为0.01%~1%，能够满足实验要求。实验前，将小型电容薄膜真空计规管通过转接接头连接到金属膨胀式真空标准装置校准室VR上。打开抽气系统，对校准室、一级膨胀室、二级膨胀室、石英规参考端以及管道等抽真空。观察连接在校准室VR上的电离真空计的示值读数，当电离真空计的示值小于1×10-4 Pa时，关闭抽气阀门。
  
  图2 金属膨胀式真空标准装置原理示意图
7 w5 y7 x4 l: B# a  1.供气稳压瓶；2.可变体积；3.测试口稳压瓶；4.石英规；5.机械泵1；6.校准室VL；7.一级膨胀室V1b；8.级膨胀室V1s；9.二级膨胀室V2b；10.二级膨胀室V2s；11.校准室VR；12.电离真空计；13.小型电容薄膜真空计；14.分子泵2；15.分子泵1；16.机械泵2
9 k* Z- v6 I: m& }  　　实验过程中，可以根据不同的实验要求和目的，将104Pa量级的前级气体压力，通过不同的衰减路径引入到校准室内，形成标准压力，对小型电容薄膜真空计的性能进行研究。
% @& f- l" U8 u+ q* h2 j  4、结论
  　　为了确保小型电容薄膜真空计测量结果的可靠性及其在火星探测中的应用，对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等各项性能进行了反复的大量的实验研究。实验结果表明，研制的小型电容薄膜真空计具有较好的线性、重复性和稳定性，能够满足火星探测的要求。