空間站有效載荷真空支持系統方案評述

卜珺珺，曹 軍，楊曉林

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

空間站或空間實驗室為開展空間實驗提供了平臺，不僅實現了微重力實驗條件，而且為各種有效載荷實驗提供了控制與數據處理、熱控、二次電源、氣體供應、真空、視頻等支持[1]。其中，真空支持系統為有效載荷實驗提供廢氣排放及真空度維持。部分有效載荷實驗在供應氣體前先要對其工作區預抽真空，實驗完畢后須將產生的廢氣排放到太空，所需的真空排放系統稱為有效載荷廢氣排放子系統；另外部分實驗在進行過程中必須對工作區保持一定的真空度，所需的真空抽氣系統稱為有效載荷真空資源子系統。廢氣排放子系統與真空資源子系統兩者合稱有效載荷真空支持系統。

國際空間站有效載荷廢氣排放子系統與真空資源子系統是平行的兩條氣路。我國空間站規模小，有效載荷機柜數量較少，對真空支持系統的使用頻率較低。如果使用一路氣路實現廢氣排放及真空度維持雙重功能，則可節省大量建設成本。本文研究了目前國際空間站有效載荷真空支持系統的組成、控制及性能，并結合初步的地面試驗探索，給出我國空間站有效載荷真空支持系統的初步方案設想。

1 國外研究和應用情況

國際空間站是人類迄今為止在太空建造的規模最大、建設周期最長的空間實驗基地，它吸收了以往各空間實驗室、空間站的成功經驗，并運用了新的設計方法和理念，其組合體管理模式及實驗系統支持方案對我國空間站的建設具有重要的借鑒作用。

國際空間站的真空支持系統分為兩個層次：實驗艙級的真空支持系統和有效載荷機柜級的真空支持系統。對于大多數有效載荷來說，實驗艙級的真空支持系統足以滿足實驗所需的真空環境；但在個別有效載荷機柜內，需要更高的真空度，此時僅靠實驗艙級的真空支持系統無法滿足實驗條件，必須在有效載荷機柜內專門設計一套真空支持系統，即機柜級的真空支持系統。

實驗艙級的真空支持系統分布在國際空間站的3個實驗艙內：美國“命運號”實驗艙（USL），歐空局哥倫布軌道艙（APM）和日本實驗艙（JEM）。機柜級的真空支持系統則主要分布在美國實驗艙的一號微重力材料科學機柜（MSRR-1）及微重力燃燒科學機柜（CIR）內。

1.1 實驗艙級真空支持系統

1.1.1 美國“命運號”實驗艙（USL）

該艙級的真空支持系統包括快速斷接器、機柜隔離閥、壓力傳感器、非推進排氣閥、帶加熱器的

圖1 國際空間站美國實驗艙廢氣排放/真空資源子系統結構圖Fig.1 Structure of the US lab waste gas/vacuum resource subsystem onboard ISS

在近機柜端，廢氣排放管路通過快速斷接器連接到機柜界面板；快速斷接器可實現快速插拔，將系統與機柜機械斷開?？焖贁嘟悠鞯南掠螢闄C柜隔離閥，靠步進電機驅動，為彈性載荷密封閥，閥體上有手動旋鈕、開關位置顯示及位置開關。常規操作方式為電動方式，一旦電控失效，可手動操作。機柜隔離閥的正常位置為關閉。排氣時，一次只能打開一個閥，有效防止不同氣體進入系統可能發生的危險。真空管路通過合理布局經穿艙通向艙外太空，穿艙部位一般設在艙段側后舷。在穿艙處設排氣閥，該閥為組合式結構，是系統的核心部件，系統依靠此閥將有效載荷工作室與太空隔離，以提高系統可靠性及整艙的密封可靠性，見圖 2。為防止排氣口處結霜，閥上設計了加熱器，見圖 3。排氣閥亦為步進電機驅動的電動閥，附近配備有工具箱，以備電動控制失靈時的手動操作及維修。系統中設置壓力傳感器，測量范圍為1.33×10-4～1.1×105Pa，布局在各支路及主干管路中，通過測量壓力可反映系統的工作狀況。廢氣排放子系統與真空資源子系統由共同的控制儀表——專用冗余電子單元進行控制，一旦系統出現異常，可自動關閉氣動元件。

圖2 帶加熱器的組合電動閥外形圖Fig.2 The motor-driven multiplex valve with heaters

圖3 帶加熱器的組合電動閥原理圖Fig.3 Principle of the multiplex motor-driven valve with heaters

在該實驗艙內，真空資源子系統與13個有效載荷機柜中的9個相連，最多能同時支持其中的6個機柜維持真空[3]，可以為有效載荷提供10-1Pa的壓力，為每個機柜以3×10-5L/s的抽速維持真空度。廢氣排放子系統為全部的 13個標準載荷機柜提供廢氣排放，也可提供10-1Pa的壓力，它具備在不到2 h的時間內將體積為100 L的有效載荷工作區從一個標準大氣壓降到10-1Pa的能力，但一次只能為一個載荷進行排放，每次排放量不能超過500 L[4]。廢氣排放子系統所接受的氣體成分、溫度及壓力都有要求，如溫度不能高于45 °C也不能低于水蒸氣的露點值（16 °C）、氧氣的體積分數不得高于28%、工作起始氣壓不得高于275.8 kPa等[5]。

1.1.2 歐空局哥倫布軌道艙（APM）

該艙級的真空支持系統與美國實驗艙類似，不同點在于：1）系統中設計了手動復壓閥（見圖4）；2）配置了兩種量程的壓力傳感器，即低壓測量傳感器（量程 0.1～100 Pa）和高壓測量傳感器（量程 0.1～120 kPa）；3）真空資源子系統為 10個有效載荷機柜中的8個提供服務，廢氣排放子系統則為全部10個有效載荷機柜提供真空服務[6]。

圖 4 歐空局哥倫布軌道艙廢氣排放/真空資源子系統結構圖Fig.4 Structure of the ESA Columbus lab waste outgassing& vacuum resource subsystem onboard ISS

在該實驗艙內，真空資源子系統可為有效載荷機柜界面提供0.16 Pa的真空度。廢氣排放子系統則具備在2 h內將體積為100 L、溫度為21 ℃的一個標準大氣壓的真空室抽至0.13 Pa的能力，并可將真空度維持在 0.13 Pa。復壓由專門的手動閥進行，真空資源及廢氣排放子系統管路中各使用一個加壓閥進行獨立復壓。

1.1.3 日本實驗艙（JEM）

該艙內有11個有效載荷機柜，其真空支持系統與歐空局實驗艙內的設計一致，為每一個左右舷有效載荷機柜提供獨立的廢氣排放及真空維持。

1.2 有效載荷機柜級真空支持系統

1.2.1 美國實驗艙一號微重力材料科學機柜（MSRR-1）

一號微重力材料科學機柜的真空系統除了實驗艙級的真空資源子系統和廢氣排放子系統之外，還設計了專用真空支持系統，由真空獲得模塊（VAS）、真空/氣體分配模塊（VGS）等組成。真空獲得模塊由4個真空閥門、2個壓力傳感器、5個加壓氣室和連接管路組成，位于載荷機柜內的一個抽屜內。該模塊通過界面連接板將真空/氣體分配模塊與空間站的兩個真空支持子系統相連接，同時為材料科學試驗模塊（MSL）和空間產品開發試驗模塊（SPD）提供真空通道。真空獲得模塊受機柜主控制器控制。

真空/氣體分配模塊包括兩臺渦輪分子泵、一臺質譜儀、若干閥門、傳感器及連接到空間站廢氣排放子系統的抽氣管道。真空/氣體分配系統可以通過壓力升降技術為試驗載荷核心設備提供自檢能力，根據試驗需求，材料科學機柜的試驗過程會用到樣品安瓿插件組元（sample ampoule cartrige assembly），有可能帶來氪泄漏，需用質譜儀進行檢漏。渦輪分子泵的作用是把檢漏環境壓力從10-1Pa（真空獲得模塊與空間站廢氣排放子系統相連得到）抽到10-3Pa，以滿足質譜儀工作要求[7-8]。

在該機柜內，設計了專用真空控制單元——加強版主控制器單元檢測器，對真空獲得模塊及真空/氣體分配模塊組成的真空系統進行控制。工作時，位于真空閥上的壓力傳感器將模擬壓力信號傳送給主控制器，主控制器通過求解工作區及真空管路氣壓變化的模擬方程計算出適當的壓力變化，指示真空獲得模塊中的真空閥做出反應，從而達到調節壓力的目的。輸出壓力信號在傳感器顯示屏上的讀數每秒鐘更新一次。

1.2.2 微重力燃燒科學機柜（CIR）

與一號微重力材料科學機柜類似，在微重力燃燒科學綜合機柜中，也設計了專用的真空支持系統，包括排氣通風子系統和氣相色譜子系統。該系統在微重力燃燒科學綜合機柜中扮演著十分重要的角色，是機柜光學安裝板上的一個綜合系統，負責燃燒試驗所需氣體的檢測、供應及對廢氣排放的控制。圖5為CIR界面及真空支持系統實物。

圖5 CIR的實物照片及真空支持系統（圖中頂部1/3）Fig.5 The photo of CIR and the vacuum support system(the top 1/3)

排氣通風系統由一個排氣通風包（exhaust/vent package, EVP）、兩臺磁偶極循環泵、一臺鼓風機、若干傳感器和閥門、一條排氣管道及一條再循環回路組成。排氣通風包中布置有吸附劑化學層及粒子網孔過濾器。燃燒實驗過程中產生的廢氣以及實驗結束后留在燃燒室的廢氣需要經過處理達到空間站的廢氣排放標準才能排放到廢氣排放子系統中。工作時，鼓風機吹動燃燒廢氣向排氣通風包方向流動，廢氣通過排氣通風包凈化及吸附后，再經過氣相色譜進行檢測。當廢氣成分達到空間站廢氣排放標準時，打開排氣管道將其排放到空間站廢氣排放子系統中；當燃燒廢氣達不到排放標準時，啟用兩臺磁偶極循環泵將廢氣抽回到燃燒室，進行下一次凈化吸附，如此循環，直至達到排放標準[9-10]。在此過程中，為了增強過濾效果，可增加排氣通風包的數量。該過程的流程如圖6所示。

圖6 排氣通風系統工作流程Fig.6 Working flowchart of the EVS

氣相色譜系統主要負責檢測氣體組分，判斷燃燒室內燃料是否已燃燒及燃燒廢氣是否達到排放標準。燃燒試驗是多種多樣的，產生的廢氣種類也很多，包括甲烷、乙烯、丙醛、正丁醛、癸烷、庚烯、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、水蒸氣等，還包含固體顆粒及其他成分。因此，排氣通風包中的吸附劑化學層及粒子網孔過濾器相應地準備了不同的類型及大小，吸附劑材料包括固體氫氧化鋰、活性炭、硅膠及分子篩等，并使用不同的凈化法，如分子篩選法、接觸氧化法等。排氣通風包設計為與機柜安裝板活動連接，以便應對不同廢氣吸附及凈化時的更換及升級。

2 我國空間站有效載荷真空支持系統的初步方案設想

2.1 實驗艙級真空支持系統

我國的空間站建設尚處于起步階段，實驗艙級真空支持系統也仍在方案論證當中，擬采用與國際空間站類似的方案，區別在于我國空間站將真空維持與廢氣排放合二為一，采用一路真空管路實現真空支持。

與國際空間站相比，我國空間站實驗艙內有效載荷機柜的數量不及一半，對真空支持系統的使用頻率相對較低。按序合理安排各種實驗，可避開不同實驗載荷對真空資源/廢氣排放的需求沖突，達到一路兩用的目的，從而節約資源、節省成本。方案構成原理見圖7。

圖7 我國空間站實驗艙級真空支持系統構成原理Fig.7 Principle of vacuum support system of experiment module class onboard China′s space station

實驗艙級真空支持系統擬設計為 8個機柜中的有效載荷工作室提供0.1 Pa的真空度，為全部標準載荷機柜提供廢氣排放服務。系統與外太空相連，配置電動閥、手動復壓閥與溫度、壓力傳感器及控制器等裝置，并設計必要的安全報警措施。系統常規操作方式為自動方式，手動操作作為備份。當電網不能正常供電或其他原因致使自動方式失效時，在站人員可臨時進行手動操作。

2.2 有效載荷機柜級真空支持系統

由于管路及氣動元件的流阻，通過連接艙外太空的方式設計的真空支持系統僅可為有效載荷實驗提供粗真空，而高真空獲得有賴于專門設備，必須配置有效載荷機柜級的真空支持系統。

高真空獲得設備的核心部件為一臺渦輪分子泵，可根據需要將工作室的真空度抽到10-3Pa或者更高。真空泵與工作室之間采用金屬波紋管連接，采用電磁閥進行隔離，管路中設置壓力傳感器。通過合理布局將機組置于系統機柜的抽屜內。系統通過機柜操作面板上的控制儀表進行操作。

使用質譜儀對排放氣體進行成分分析，對有害氣體進行檢測并配置有害氣體吸附包。吸附包采用物理及化學兩種方法進行氣體過濾，并定期更換。到期的吸附包將被裝入垃圾收集子系統，帶回地面進行處理。

3 結束語

真空支持系統是空間有效載荷支持系統的重要組成部分，為有效載荷實驗提供必不可少的真空服務。本文從空間實驗艙級和有效載荷機柜級兩個層面入手，概括了國際空間站的真空支持系統，并提出我國空間站真空支持系統的初步方案設想。

我國空間站的建設工作剛啟動不久，有效載荷真空支持系統仍處于方案地面試驗階段。深入研究各系統組成及設計、完成多方案地面試驗是下一步的重點工作?？蓞⒖紘H空間站有效載荷真空支持系統的設計，汲取其成功經驗，在初步地面試驗的基礎上進行系統開發和研制，必要時進行飛行器搭載試驗，為我國空間站的系統建設奠定基礎。

（References）

[1]Hardcastle C L.International Space Station’s United States Laboratory system architecture[C].Huntsville：Boeing Defense & Space Group, 1996

[2]Wieland P O.Living together in space： the design and operation of the life support systems on the International Space Station[J].Marshall Space Flight Center Report.1998(1)： 183-186

[3]Onofrio M D, Soutullo M A, Geiger W, et al.International Space Station pressurized payloads hardware interface control document template[M].Houston, Texas： NASA,2000

[4]Uri J J, Sotomayor J L.International Space Station as a research laboratory： a view to 2010 and beyond[G].Houston, Texas： NASA, 2007

[5]Zurawski R.The ISS fluids and combustion facility：microgravity combustion science and fluid physics research capability[G].Houston, Texas： NASA, 2001

[6]Schmi G, Brandt G, Patti B, et al.Columbus payload accommodation handbook： Attached Pressurized Module(APM)[M].Bremen： Astrium GmbH, 2001

[7]Rice A, Parris F, Nerren P.The life cycle application of intelligent software modeling for the first materials science research rack[C]// Denver： Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 2000

[8]Schaefer D, King R, Cobb S.First materials science research facility rack capabilities and design features[G].Alabama： NASA Marshall Space Flight Center, 2001

[9]Corban D R.The ISS fluids and combustion facility：experiment accommodations summary[G].Cleveland,Ohio： Glenn Research Center, 2001

[10]Francisco D R.Fluids and combustion facility-combustion integrated rack[C]// Nevada： 36th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 1998