紅外探測器壽命試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)研制

曹 嵐，張海燕，龔海梅

(1．上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海200090;2．中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

1 引言

對(duì)于空間應(yīng)用的紅外探測器組件，定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)是一種很重要的可靠性試驗(yàn)方法［1－4］，而真空環(huán)境是定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)重要的試驗(yàn)環(huán)境之一，其為組件模擬空間工作環(huán)境。然而目前用于紅外探測器組件定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的真空系統(tǒng)都存在一些問題［5－7］，其主要表現(xiàn)在:①定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的組件數(shù)目眾多、空間分布范圍大，探測器的響應(yīng)率、噪聲、探測率等參數(shù)采集困難;②真空系統(tǒng)的真空度較差，很難滿足空間真空環(huán)境模擬的需求。

由于現(xiàn)有的真空獲取系統(tǒng)均不能滿足航天紅外組件定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的要求，因此本文進(jìn)行了專用于紅外探測定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括:①最大可容納60個(gè)組件同時(shí)進(jìn)行定數(shù)截尾壽命試驗(yàn);②為滿足壽命試驗(yàn)的模擬空間真空環(huán)境的要求，其等工位真空度優(yōu)于3×10－4Pa;③探測器的響應(yīng)率、噪聲、探測率測試簡單。

2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)航天紅外探測器定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)設(shè)備對(duì)真空系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了一種包含20工位的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該真空系統(tǒng)由主腔體密封閥門、分子泵插板閥、分子泵、前級(jí)閥、旁抽閥、機(jī)械泵等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。每個(gè)工位可預(yù)置一個(gè)杜瓦，一個(gè)杜瓦可裝載3個(gè)組件，該真空系統(tǒng)最大能實(shí)現(xiàn)60個(gè)組件進(jìn)行真空排氣。另外，在杜瓦和主腔體之間設(shè)計(jì)腔體密封閥，可方便將杜瓦拆離試驗(yàn)臺(tái)，以進(jìn)行組件的響應(yīng)率、噪聲、探測率測試。

圖1 壽命試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematics of vacuum system for the life test equipment

2．1 公共真空室設(shè)計(jì)

考慮到各個(gè)工位抽氣的均勻性，真空室的殼體選擇圓筒形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造容易且強(qiáng)度好，圓筒筒體的直徑取決于工位數(shù)目、杜瓦的大小和安裝難易程度，本系統(tǒng)的圓筒體的內(nèi)徑為594 mm、圓筒體的高度為40 mm。

圓筒殼體只承受外壓時(shí)，按穩(wěn)定條件計(jì)算，圓筒的壁厚S0為:

其中，S0為圓筒計(jì)算壁厚;DB為圓筒直徑，mm;P為外壓設(shè)計(jì)壓力，MPa;L為圓筒計(jì)算長度，mm;Et為材料溫度為t時(shí)的彈性模量，MPa。

取20℃時(shí)不銹鋼材料Et=2．08×105MPa，設(shè)計(jì)壓力P=1．01×10－1MPa，代入結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可以求得計(jì)算壁厚為2．2 mm。

另外，考慮到結(jié)構(gòu)的各方面的因素，還需增加一些壁厚附加量，其公式表示如下:

其中，C1為鋼板的最大負(fù)公差附加量，mm，跟鋼板厚度有關(guān)，如表1所示;C2為腐蝕裕度，mm，當(dāng)介質(zhì)對(duì)容器的腐蝕速度≤0．05 mm/年(包括大氣腐蝕)時(shí)，單面腐蝕取C2=1 mm;C3一般取計(jì)算壁厚的10%，且不大于4 mm。

表1 鋼板最大負(fù)公差C1與板厚關(guān)系Tab．1 Relationship between the largest negative tolerance of plate and its thickness

因?yàn)橛?jì)算壁厚＜2．5 mm，所以可取C1=0．2 mm，代入計(jì)算得壁厚附加量C=1．32 mm，所以實(shí)際壁厚不得低于3．52 mm，為保證設(shè)計(jì)的安全性，實(shí)際加工時(shí)取壁厚為8 mm。

2．2 泵組真空計(jì)算及選型

對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，若系統(tǒng)要求的工作壓強(qiáng)為P，則其泵組需達(dá)到的有效抽速Se為［8］:

式中，Qload為系統(tǒng)的氣體負(fù)載，對(duì)于壽命試驗(yàn)設(shè)備的真空系統(tǒng)，總氣體負(fù)載包括杜瓦負(fù)載、主腔體負(fù)載、管道負(fù)載以及紅外組件的負(fù)載，其氣體負(fù)載為:

其中，qi為第i種材料的出氣率;Aα為材料的表面積;β為表面粗糙度系數(shù)。

在本系統(tǒng)中，材料表面光滑，故取表面粗糙系數(shù)β=1。由于管道及紅外組件表面積小，其氣體負(fù)載可忽略不計(jì)，因此整個(gè)真空系統(tǒng)的氣體負(fù)載Qload主要為主腔體負(fù)載。

本系統(tǒng)的公共真空室圓筒體的內(nèi)徑D為594 mm、圓筒體的高度H為40 mm，由公式(4)可得主腔體的總氣體負(fù)載為:

考慮到公共主腔體內(nèi)的壓強(qiáng)與組件工作壓強(qiáng)差和杜瓦的影響，本文取公共主腔體內(nèi)的壓強(qiáng)Pg=1×10－6Pa，因此主泵在公共主腔體處的有效抽速Se為:

可求得主泵的有效抽速為Se=220 L/s。同時(shí)考慮到主泵口的管道和閥門的流導(dǎo)造成有效抽速的損失，主泵的抽速應(yīng)放大1．25倍，從而壽命試驗(yàn)設(shè)備選擇主抽分子泵的抽速需大于275 L/s。因此，本真空系統(tǒng)采用一種渦輪分子泵，此泵在大于10－3mbar(即10－1Pa)范圍內(nèi)的平均抽速為400～550 L/s，可滿足系統(tǒng)要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文使用SolidWorks軟件對(duì)主腔體、分子泵、閥門等按照1∶1的比例進(jìn)行3D建模，生成對(duì)應(yīng)的零件。最后生成的總裝配圖如圖2(a)所示。按照上述對(duì)各個(gè)部件的選型及設(shè)計(jì)，將設(shè)備的真空系統(tǒng)投入加工，加工后設(shè)備的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2(b)所示。

對(duì)該真空系統(tǒng)進(jìn)行空載排氣實(shí)驗(yàn)，觀察待排器件等工位處的真空度，測得等工位處的真空度隨時(shí)間的變化圖如圖3所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)空載時(shí)等工位處的真空可達(dá)到2．42×10－5Pa。

圖2 設(shè)備的真空系統(tǒng)Fig．2 Vacuum system of the equipment

圖3 空載等工位真空度隨時(shí)間變化圖Fig．3 The graph of the vacuum for the system with no－load

上述實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)空載的等工位真空可達(dá)到2．42×10－5Pa，滿足定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的要求。

4 結(jié)論

根據(jù)紅外探測器的定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)要求，本文設(shè)計(jì)了一種20工位真空系統(tǒng)。在對(duì)該真空系統(tǒng)的進(jìn)行真空計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，完成了加工和排氣驗(yàn)證。排氣試驗(yàn)的結(jié)果表明，該真空系統(tǒng)的各個(gè)功能都運(yùn)行良好，系統(tǒng)空載真空可達(dá)到2．42×10－5Pa，滿足等工位真空度優(yōu)于3×10－4Pa的系統(tǒng)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)的要求。

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