空间环境模拟器真空抽气过程的计算研究

空间环境模拟器真空抽气过程的计算研究人类对太空探索的步伐加快,对航天技术提出了更高的要求,空间环境模拟器是保障航天器在发射、运行、返回过程中安全工作的主要设备,其中真空环境是空间环境模拟器在地面模拟的一个重要环节。针对某型号空间环境模拟器在实际抽气过程中出现的一些问题,为了对真空环境的获得有更深入的了解,使抽气过程更加高效,并为此提供理论依据,本文就相关空间环境模拟器的真空抽气过程进行了研究。

某型号空间环境模拟器在预真空阶段实际抽气过程中发现模拟室内压强在

l00Pa～lOPa这个阶段用时较长,严重影响了预真空阶段的抽气效率。为探究其原因,并寻求对策,模拟计算得到空间环境模拟器内的理论压降曲线和罗茨-螺杆真空泵机组的理论抽速曲线,通过与实际测得的压降曲线和抽速曲线进行对比,分析得到真正影响预真空阶段抽气效率的因素是罐内放气所致,进而提出了相应的解决方案。

论文还论证了利用ANSYS CFX软件的简化模型模拟预真空阶段抽气过程的可行性。ZJL-600型气冷罗茨泵是某型号空间模拟器真空系统中主要用泵之一,在1atm～40kPa的压力范围内独立工作,在40kPa～lOkPa时,作为主泵与前级滑阀泵配合抽气,之后作为机械增压泵和其他罗茨泵共同完成抽气。

为了更好对抽气过程进行研究,以双叶气冷罗茨泵为研究对象,对其内部气体的输运过程进行热力学研究。将被抽气体在泵内经历的过程分解为吸气、注气、压缩、排气四个阶段,讨论各个过程的特点和机理,应用热力学知识,对每个过程进行定量的分析,得到气体体积、质量、压力、温度、内能、焓、熵等热力学参数随时间变化的公式,并带入ZJL-600型气冷罗茨泵参数计算说明。

热力过程的计算研究对双叶气冷罗茨泵的设计和使用有指导性意义。空间环境模拟器模拟实现冷黑环境,要求热沉为整个空间模拟器提供热封闭,但是热沉的热密闭性与分子流下抽气过程所需的透气性,又有着相互矛盾的关系。

研究计算分子流态下的空间环境模拟器抽气过程,首先就要计算分子流态下热沉的传输几率。利用试验粒子蒙特卡洛方法(TPMC),应用MolFlow+软件计算了圆异型结构热沉的传输几率。

讨论了关键结构参数对热沉传输几率的影响,证明了以简化的“非完全透射平面”代替热沉的实际结构进行抽气过程模拟的可行性,为后续空间环境模拟器抽气过程的研究提供基础依据。高真空阶段的真空等效性问题,首先研究了空间环境模拟器不同位置处进入高真空状态的压力条件,并对模拟器内气体的输运过程进行简化,依据稳态假设和均匀假设。

从简化模型出发,分别对星体表面、热沉内表面、热沉外表面、罐体内表面进行理论分析模拟。由理论分析结果和各表面流量耦合关系,计算各表面的气体压力关系,被测星体表面处的真空度可以通过空间环境模拟器实测真空度推算出,从理论上为高真空等效性提供支持。