大型臨近空間等離子體真空環境模擬技術研究

(1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094； 2.航天恒星科技有限公司，北京 100095)

0 引言

傳統的空間等離子體研究方法是通過發射深空火箭或人造衛星從而獲取空間等離子體的數據參數，但由于空間試驗儀器耗資巨大且不可重復利用，導致對許多微觀物理過程難以進行精確研究。而試驗室等離子體具有易于重復、診斷精確、耗費較小等的特點，利用試驗室等離子來模擬空間物理過程對特定的空間觀測現象進行研究，是一種新的試驗手段和發展趨勢[1]。大型臨近空間等離子體真空環境模擬系統屬于國家重大科技基礎設施“空間環境地面模擬裝置(SESRI)”中的重要組成部分，是空間等離子體環境模擬與研究系統的主體部分。

本文介紹了一種大型臨近空間等離子體真空環境模擬技術，用于為空間等離子體環境模擬與研究裝置提供試驗所需要的真空工作環境，同時為天線組、目標模擬組件、磁體線圈、等離子體源等關鍵部件提供試驗所需環境，并為相關的其他單元提供安裝基礎和接口等。該系統既是大型真空系統，同時又是復雜的機電一體化系統。系統的真空技術指標、結構穩定性和高可靠性是其最基本的要求。該系統主要由負壓容器系統、真空獲得系統和控制系統三部分組成，主要功能指標[2]包括：

1)真空罐體有效空間：直徑Φ5 000 mm；柱段長度6 000 mm；

2)極限真空度：≤10 Pa(從大氣壓開始抽氣后，6小時內達到)；

3)工作真空度：罐體抽真空達到極限真空度后，充入工作氣體氬氣，能夠實現真空度連續可調，當進氣量為20～60 SLM任意給定值時，工作壓力可達到100～1 000 Pa范圍內任意設定值，控制精度應優于±5%；

4)真空系統總漏率：各漏點漏率之和≤1×10-5Pa·L/S。

1 負壓容器系統

1.1 主體結構

臨近空間等離子體環境真空罐罐體為臥式圓柱結構，罐體一端是大門，采用電動方式進行開關控制。罐體按照壓力容器標準進行設計，材料選用優質304不銹鋼，內表面拋光后粗糙度不大于1.6。直筒段設計長度為6 000 mm，內徑為Φ5 000 mm，罐體總長約為8 454 mm，罐體結構如圖1所示。

1.2 容器系統結構有限元分析

容器系統結構有限元分析旨在對真空容器在各種工況載荷狀況條件下進行強度校核和結構穩定性的計算分析[3]。在此基礎上對計算結果的精度進行分析，驗證計算結果的收斂性。根據計算結果，從結構強度、剛度和結構穩定性3個方面進行分析，為真空容器結構的改進以及優化等給出建議。

對真空容器的三維模型進行幾何清理，根據壓力容器的實體結構直接按照區域進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 臨近空間容器網格圖

對實體結構采用實體單元進行劃分，根據要求附加材料屬性，其中觀察窗為石英玻璃，其余結構均為不銹鋼材料。

設置模型的邊界條件。約束模型一個鞍座的6個自由度，另一個鞍座豎直方向約束。對模型提交分析，并在后續處理中分別提取容器整體，并觀察窗開孔處、結構突變處等局部應力/位移或分布應力/位移較大區域應力/位移分析圖及最大應力/位移值[4]。

1.2.1 有限元計算結果

真空容器的整體應力分布與最大應力位置，如圖3所示。其最大應力為113.2 MPa，應力較高的區域主要集中在真空罐體平面端蓋組件的轉接法蘭處。

圖3 真空容器的整體應力分布與最大應力位置

真空容器的整體位移分布與最大位移位置，如圖4所示。其中最大變形位移為2.85 mm，出現在平面端蓋組件的中間部位。

圖5 容器直筒段的位移分布云圖

圖4 真空容器的整體位移分布與最大位移位置

提取直筒段的局部變形，容器直筒段局部變形位移量如圖5所示，可以看出，結構變形較大的區域主要位于法蘭開口的容器壁一側，該段區域最大結構變形位移量為0.59 mm。

1.2.2 結果分析

1)真空容器的整體應力水平較低，其最大應力為113.2 MPa，小于不銹鋼材料的許用應力，容器的結構強度滿足要求；

2)容器直筒段局部變形圖顯示，最大結構變形位移量為0.59 mm。因此，臨近空間容器由真空變形所導致的天線位置的偏移不會超過0.59 mm<2.5 mm(與抽真空前的校準位置相比較)，滿足任務的要求。

3)由有限元計算結果可以看出，容器系統的強度和形變均滿足要求，容器不會發生失穩的情況。

2 真空獲得系統

2.1 功能與組成

臨近空間等離子體環境真空獲得、測量及控制系統主要用于提供滿足裝置潔凈真空品質要求和裝置運行需求的真空獲得能力。該系統由泵組、真空抽氣管道、各類真空隔斷閥門、復壓閥門、波紋管、真空獲得控制系統。系統原理如圖6所示。

圖6 真空系統組成原理圖

2.2 真空系統設計計算

2.2.1 極限真空度所需抽速計算

真空系統為達到所需極限或工作真空度所需要的抽速[5]，由下式決定：

(1)

式中，Pj為艙體所能達到的極限真空(Pa)；P0為真空泵的極限真空(Pa)；Q0為空載時，經過一定時間抽氣后真空室的氣體負荷(包括漏氣QL、材料表面出氣Qe)(Pa·L/S);Q1為真空室的工藝氣體負荷；Seff為真空室抽氣口附近泵的有效抽速(L/S)。

上式中，真空罐體的極限真空通?？偸堑陀谡婵粘闅鈾C組的極限真空，即P0<

根據真空罐體尺寸以及其它分系統有關數據，計算出真空罐體內表面釋放的總放氣負載，具體數據如表1所示。

表1 真空罐體內部出氣的計算值

表2 真空罐體內部出氣的計算值

對于真空罐體漏氣量，為使漏氣不影響空載的極限真空度應限制漏氣率，一般設備漏氣率應比出氣率低10倍[6]，由于容器最后安裝的法蘭及接插件處易產生泄漏，故這些部件的漏率應占允許漏率的大部分，而容器的焊縫以后不會拆開，根據技術要求，確定真空系統總漏率≤1×10-5Pa·L/S。

經過上述計算，真空罐體空載時(內部無器件)內部氣體負荷確定為5.0 Pa·L/S，裝配微波暗室及全部運動、支撐部件后真空罐體內放氣量約為8×104Pa·L/S，將放氣量與所需極限真空度代入公式(1)進行計算，可知真空獲得系統所需抽速需不小于8 000 L/S (約為28 800 m3/h)。

要求工作真空度：罐體抽真空達到極限真空度后，充入工作氣體氬氣，能夠實現真空度連續可調，當進氣量為20～60 SLM任意給定值時，工作壓力可達到100～1 000 Pa范圍內任意設定值。按照最大進氣量60 SLM和100 Pa的最低工作壓力代入公式(1)進行計算，可知真空獲得系統維持工作真空度所需抽速需不小于8 000 L/S(3 600 m3/h)。

2.2.2 抽氣時間所需抽速計算

真空獲得系統還要求可將真空罐體從大氣壓開始抽氣后，4小時內達到≤10 Pa；要滿足真空儲備艙抽氣時間要求。可根據下式計算抽速：

(2)

式中，t為抽氣時間(h)；Se為干泵的有效抽速(m3/h)；V為容器的容積(m3)；P1為開始抽氣時的壓力(Pa)；P2為t時間后所達壓力；K為修正系數。

綜合以上計算，為滿足臨近空間等離子體環境模擬分系統真空罐所需要的真空指標，真空系統所需要的最低抽速需不小于8 000 L/S(約為28 800 m3/h)。

2.2.3 真空獲得系統復核復算

根據粗抽機組初步布局位置可以假定估計粗抽主管道長度約10 m以內[7]。粗抽管道的流導可以由以下粘滯流長圓管道流導公式[8]進行計算：

(3)

對選型后的真空機組能力進行復核復算[9-10]，根據公式(1)可知，粗抽機組可將真空罐體抽至≤10 Pa，滿足極限真空度的要求。根據公式(2)進行抽氣時間復算，真空獲得系統可在1.5 h內將容器抽至所需壓力，滿足抽氣時間要求。

3 壓力控制系統

真空系統需能實現罐體不同高度下壓力的恒定維持與調節，在艙體上配置真空規，真空泵組與艙段之間配備可調閥門。真空規負責測量容器內的當前真空度并反饋到控制系統，壓力控制系統根據反饋結果來控制調節閥門的開度，通過抽氣與進氣的平衡從而實現指定壓力值或者指定上升速率的調節與保持。

4 真空負壓系統

真空罐體配有潔凈的復壓系統，試驗完成后使用潔凈空氣復壓至大氣壓階段，考慮到過濾器、消音器、擋板閥開度和轉角、管道等因素對于充氣速率的影響，復壓口徑采用DN63 mm口徑?？紤]到復壓系統的可靠性、復壓速率可調性，復壓閥門采用氣動擋板閥和手動閥并聯的結構形式，當氣動閥門故障時也能通過手動閥門復壓，確保能夠復壓開門[11]。為了獲得凈化的空氣及減少復壓時的噪音，在進氣口上安裝空氣過濾器和吸收性消音器，過濾器可濾除以3 μ以上的固態顆粒[11-13]，吸收性消音器可以降低高頻率噪音20 dB。

5 控制系統

5.1 系統結構

臨近空間等離子體環境控制系統采用本地和遠程兩種總控制模式，主要實現對真空機獲得系統及附屬設備的控制和監測，結構如圖7所示。

圖7 測控系統結構圖

該控制系統本地控制選用以S7-300為核心的集散式控制架構，集成于本地控制柜中。通過組態軟件實現所有可控設備的本地控制和可測參數的監視。

本地控制主要包括系統內的執行設備、傳感器、控制柜。試驗現場控制采用模塊化設計，系統可獨立完成真空系統本地手動控制。在本地控制模式中，通過本地觸摸平板電腦進行手動操作控制，來實現對設備的控制，此時，計算機僅用于監視所有參數和設備運行狀態。若計算機遠程控制出現故障，可以隨時切換到本地控制模式，通過控制柜直接對設備進行控制。

遠程控制中采用基于現場工業控制通用組態軟件的方案與基于通用編程語言自主開發的方案相融合的方式。遠程控制以計算機為控制核心，遠程計算機與控制柜通過TCP/IP連接。在遠程控制模式包括遠程自動控制和遠程手動控制，通過點擊計算機組態畫面中的按鈕進行控制切換，來實現對設備的遠程控制，計算機組態畫面中不僅要實現對流程所有參數和設備運行狀態的監控，還要實現對要求的試驗數據的顯示和存儲。

5.2 系統軟件

測控軟件設計包括PLC底層程序的設計和組態軟件的設計，軟件結構總圖如圖8所示。

圖8 軟件結構總圖

PLC底層程序采用STEP7進行開發，具備如下功能：

1)實現真空子系統所有可控設備的本地控制和數據采集，具體包括：實現泵組的遠程手/自動啟?？刂乒δ埽⒕哂斜媒M的啟停、運行狀態及故障報警等狀態監測功能；可實現調節閥門的開度狀態、故障等參數監測功能，并具有閥門的開度控制功能；能實現開關閥門的開關狀態、故障等參數監測功能，并具有閥門的開關控制功能；能實現系統內的各種壓力、溫度、液位、流量等參數監測功能。

2)自動流程軟件。按照真空系統工藝流程，完成從粗真空→高真空→系統復壓的抽氣流程自動控制；設備在自動功能運行前，具備有自診斷功能，對設備狀態進行檢測并給出結果；設備在自動功能運行時，應具有運行中的狀態顯示；設備退出自動功能運行時，應保持當前狀態不變。

3)聯動互鎖保護軟件。根據真空系統的工藝流程，設置設備之間的連鎖保護功能；真空安全巡檢采用獨立的程序模塊，掃描周期10 ms；在異常情況下，連鎖保護功包括禁止泵組啟動、禁止閥門打開、啟動連鎖停機等；連鎖保護功能具有啟動或取消的設置選項；連鎖保護具有觸發后記錄功能。

組態軟件在Windows 7操作系統上運行，選用與集中控制相同的軟件平臺，通過PC機的以太網接口與PLC設備進行數據通信，控制軟件需具備多級用戶管理機制，通過組態軟件可實現所有設備的控制和試驗數據的瀏覽、監視、記錄、導出、打印。

組態軟件可實現以下人機交互界面:

1)工藝流程畫面：根據真空系統工藝流程設計，建立對應的工藝流程畫面，可在畫面中對每一設備的運行狀態和實時數據進行查看。監視系統中各設備的運行狀態和試驗進程。此外，對于開放了控制權限的設備，可通過畫面上的按鈕進行控制。

工藝流程畫面功能包括：以圖像化形式向試驗人員展示完整的工藝流程：在工藝流程相應位置以數字的方式顯示工藝流程中的傳感器數據；在畫面中點擊可控設備的圖元，可對相應設備進行控制，如泵的啟動停止、閥門的開啟關閉等；對于控制類的操作(如開關閥門、泵啟停、修改控制參數等)有彈出確認窗口，點擊確認后控制命令下發；在工藝流程相應位置以不同顏色圖元顯示設備、傳感器的狀態；對于傳感器狀態，綠色表示正常，紅色表示數據超限報警，報警限值可在畫面中設置；對于設備狀態，綠色表示運行中，紅色表示停止中，灰色表示狀態不可知或未上電，黃閃表示設備故障；在畫面中進行報警提示，當發生報警事件時，通知試驗人員進行應對處理；

2)曲線顯示畫面：對所有采集的實時數據以曲線的形式顯示，支持多條曲線的同時或單獨顯示，并支持歷史數據曲線得出查詢。

曲線顯示畫面功能包括：以曲線形式向試驗人員展示某一段時間內的某項數據的趨勢曲線；曲線水平坐標顯示時間點，垂直坐標顯示數據量程與數值；曲線顯示界面可以顯示所有測量參數的歷史及實時曲線，x、y軸范圍可調；通過實時數據/歷史數據，選擇要查看的曲線類型；通過曲線選擇下拉菜單選擇要查看的曲線數據源；在實時曲線顯示中，顯示時間為當前時間至之前兩個小時； 在歷史曲線顯示中，顯示起始時間、終止時間可通過時間選擇插件設置； 通過按住鼠標左鍵并在曲線畫面中拖拽，可放大顯示拖拽過程中選中的局部曲線；通過坐標軸快速設置按鈕，進行坐標軸平移、時間快捷設置等操作。

3)數據查詢畫面：建立獨立數據詢畫面，可查詢系統的歷史運行狀態和歷史數據，包括查看操作日志，關鍵歷史數據。

4)報警信息畫面：在報警信息畫面中，顯示當前系統產生的報警信息，包括實時報警和歷史報警。并可對當前的實時報警進行人工處理。

6 結束語

本文介紹了一種大型臨近空間等離子體真空環境模擬技術，該技術克服了傳統的空間等離子體研究方法耗資巨大、不可重復利用，且對許多微觀物理過程難以進行精確研究的缺點[14]。文中通過分析計算，提供了一種研究試驗所需要的真空工作環境設計方案，并詳細介紹了模擬系統中的負壓容器系統、真空獲得系統、壓力控制系統、真空負壓系統以及控制子系統的功能與組成，同時，對容器機械結構和系統真空獲得能力進行了有限元分析和數值計算，進一步驗證了本文真空工作環境設計的可行性。試驗結果顯示，該系統各項指標優良，可以有效減小壁效應在空間等離子體研究過程中的影響[15]。