基于真空羽流试验的洁净真空系统设计

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　　研制的洁净真空系统可用于真空羽流试验及热真空试验研究。详细介绍了真空系统的组成、方案设计及工作模式；计算了不同工作模式下的真空抽气时间；分别对罗茨泵机组、分子泵及低温泵进行了容器极限抽速测试，测试结果表明，满足技术指标；最后对真空容器压力维持能力进行了测试，测得容器平均压升率为0.111Pa/h，对应的平均漏气率为7.24Pa·L/s，真空容器达到了较高的工艺水平.真空系统有多种工作模式供选择，可根据试验需求及故障模式选取，增加了“真空羽流效应实验系统”运行的实用性和经济性。

　　北京航空航天大学研制的“真空羽流效应实验系统”是多用途试验装置，主要用于航天姿轨控发动机真空羽流试验研究，同时兼顾卫星等热真空试验。
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　　该多用途试验装置中的主体试验舱为卧式圆筒形，内径为5.2m，长为12.6m，真空系统是其重要分系统，可为其提供各种真空试验环境。所设计的清洁真空系统主要包括粗真空系统、高真空系统、超高真空系统、真空测量系统、残余气体分析系统、舱体复压系统及液氮供应系统.其中，粗真空系统以罗茨泵机组为主，高真空系统以低温泵为主，并配有辅助涡轮分子泵，超高真空系统以液氮热沉、液氦热沉等内置式深冷泵为主。
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8 m# ]$ d7 s" D: v. ^9 K　　此外，低温泵还配有预抽系统及再生系统，采用分子泵对低温泵腔体预抽及再生。预抽系统可将低温泵腔体抽至帕级以下，防止低温泵过早饱和；再生系统可抽除低温泵饱和后表面吸附的冷凝气体，使低温泵及时恢复原来的抽气能力。
, y. j2 A( ^; B$ d/ S4 `( W! _/ y1、真空系统主要设计指标
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　　所设计的真空系统如图1所示，其主要设计指标如下：

  
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图1　真空系统示意图
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! d: N* N; h" j% j　　1）粗真空系统2h内将容器真空抽至5Pa；仅低温泵抽气时，容器极限真空优于1.3×10-4Pa；低温泵、液氮热沉同时工作时，容器极限真空优于5×10-5Pa；低温泵、液氮热沉及液氦热沉同时工作时，容器极限真空优于5×10-7Pa。
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# j( a) e* Y2 F5 P  k( B- F　　2）发动机真空羽流试验时，以氮气为试验工质，当质量流量为2～10g/s、试验气体总温为300～1000K时，容器动态真空优于10-2Pa。
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8 \4 G! Q- e) R7 S　　3）卫星等热真空试验时，当放气量为50Pa·L/s时，容器动态真空优于5×10-4Pa。

0 D3 ]) O* N) U5 B- \( ?$ ?　　4）洁净复压系统先用氮气将容器复压至1000Pa，再用洁净空气2.5h内将容器复压至常压。

　　5）真空测量系统的测压范围为10-8～105Pa。
  i# }# o. S; i6 U$ i8 |8 c2、真空系统方案设计

, ]( k; C" ^$ m　　“真空羽流效应实验系统”具有体积大（235m3）、环境清洁（无油）、抽速大（最高可达1×107L/s）、真空度高（静态极限真空为5×10-7Pa）等特点.粗真空系统主要由两套罗茨泵机组构成，每套罗茨泵机组均由WSU2001FC变频罗茨泵和SP630螺杆泵组成，同时罗茨泵还配有旁路管道，能够在螺杆泵单独工作时使气体不流经罗茨泵，增加管路流导.高真空系统主要由两台Coolvac 60000BL-V LN2低温泵、两台TW1600分子泵、一台SL300分子泵、一台SV40BI旋片泵组成，主要靠低温泵获取高真空；TW1600分子泵用于辅助抽气，仅在系统有特殊需求时使用，主要用于抽除氢、氦等惰性气体；SL300分子泵既可以作为TW1600分子泵前级使用，又可以用于低温泵的预抽及再生；SV40BI旋片泵既可以作为SL300分子泵的前级，又可以用于低温泵的预抽及再生。SL300 分子泵配有旁路管道，能够在SV40BI旋片泵单独工作时使气体不流经SL300分子泵，增加管路流导。

　　防污染设计：由两套液氮冷阱系统组成，一套安装在粗真空系统主抽气管路上，一套安装在高真空系统SV40BI旋片泵进气管路上，用于吸附机械泵工作时产生的油蒸气，防止系统返油至真空容器，保证容器内环境清洁.复压系统设计：真空容器上开有CF40法兰孔，通过管道连接有高效C级空气过滤器，先启动电磁阀7充氮气复压至1000Pa，后启动电磁阀4，5，6充空气复压至常压（见图1）。真空测量系统设计：真空系统配有TTR91热电阻真空计、ITR90热阴极电离规、PTR90冷阴极电离规，以实现10-8～105Pa的全量程测量.低温泵及冷阱液氮供应系统设计：如图2所示，主要用于向低温泵冷屏及液氮冷阱输送液氮，其中低温泵液氮入口处配有气液分离器，并通过低温电磁阀、电子液位计组成闭合回路，保证液氮的自动调节及供应。
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图2　低温泵及冷阱液氮供应系统
0 g! r) r  i9 |5 o- _* D+ ]3、真空系统工作模式分析及计算
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4 N7 q9 X' j! i8 H6 o1 `. Z' w　　本文设计的洁净真空系统满足发动机真空羽流试验及卫星等热真空试验需求，实测结果显示，罗茨泵机组120min内可将容器真空由常压抽至5×10-1Pa，分子泵30min内可将容器真空由5×10-1Pa抽至5×10-3Pa，低温泵60min内可将容器真空由5×10-3Pa抽至5×10-5Pa，均优于设计指标；同时测得的容器平均压升率仅为0.111Pa/h，对应的平均漏气率为7.24Pa·L/s，真空容器达到了较高的工艺水平.真空系统有多种工作模式供选择，操作人员可根据试验需求通过测控系统进行选取，增加了北京航空航天大学“真空羽流效应实验系统”运行的实用性和经济性。