穩壓CO2氣體氛圍火星環境模擬試驗系統設計

陳安然，張立海，臧建伯，馬楷鑌，任 崢，李芳勇

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

火星表面大氣成分為CO2（體積分數95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）和其他痕量氣體，表面平均氣壓在500～700 Pa之間[1]?；鹦潜砻娴臏囟确秶鸀?133～27 ℃，平均約-63 ℃。冬季時，極區進入永夜，低溫使大氣中多達25%的CO2在極冠沉淀成干冰，到了夏季則再度升華至大氣中，使得在1個火星周年內火星大氣中CO2的體積分數變化幅度最高達26%[2-3]。火星探測器在嚴酷的低氣壓、低溫綜合環境中工作，對可靠性要求極高，因此有必要在地面對其開展火星環境模擬試驗驗證[4-6]。

開展火星環境模擬試驗的主要技術難題在于如何在模擬火星大氣氛圍和高低溫交變的試驗條件下實現穩定的壓力控制。目前，傳統的環境模擬設備一般針對熱真空試驗，模擬產品在真空環境下、處于不同溫度時的工作特性，以液氮或混合制冷劑作為熱沉工質，可實現較低的環境溫度模擬，但熱沉溫度不可控[7-8]；低壓條件下過低的環境溫度可能使CO2凝華，無法維持氣態。以硅油或氣氮為熱沉工質時，熱沉溫度可控，但硅油調溫熱沉低溫極限僅能到達-70 ℃[9]，不能滿足試驗溫度要求。此外，在低溫工況下，真空容器外表面易結露，會使法蘭電連接器的絕緣電阻下降，影響試驗的安全性。

鑒于以上限制，傳統熱真空環境模擬試驗設備難以滿足火星型號任務的試驗需求。因此，本文擬采用氣氮調溫間接控制試驗溫度，研制能夠滿足火星表面大氣環境條件、氣態CO2氛圍、溫度/壓力可控的環境模擬系統，為火星探測器部件產品的地面模擬試驗提供保障。

1 火星環境模擬系統設計要求

火星環境模擬系統的設計應能模擬火星探測器在火星表面著陸、探測過程中產品所處的環境，故根據火星表面的實際環境，確定火星環境模擬系統的設計要求：

1）溫度控制范圍為-120～100 ℃，溫度均勻性優于±5 ℃；

2）壓力控制范圍為 150～1400 Pa，控制精度優于5%；

3）CO2體積分數不低于95%；

4）具有防結露設計，以保證系統工作的安全性。

2 火星環境模擬系統設計方案

以氣氮調溫（溫度控制范圍-150～200 ℃[10]）為主要溫度控制手段，設計CO2氣體氛圍的火星環境模擬系統方案如圖1所示，由溫度控制系統、移動壓力控制系統和充/放氣系統3部分組成。試件置于真空罐（φ600 mm×800 mm 臥式，容積 200 L）內，罐內充入CO2氣體。真空罐置于常壓溫度循環箱內，箱外壁隔熱，箱內充入氮氣，在真空罐壁充分換熱和內部試件本身不發熱的條件下，通過調節氮氣溫度的方式間接控制真空罐內CO2氣體氛圍的溫度。由真空罐向常壓溫度循環箱外引出抽氣和充氣管路，分別通過抽氣和充氣接口與移動壓力控制系統相聯。充/放氣系統通過移動壓力控制系統向真空罐內充入或抽出一定量的CO2氣體，以維持真空罐內的氣壓穩定。

圖1 CO2 氣體氛圍火星環境模擬系統Fig.1 The Mars environmental simulation system with CO2 atmosphere

2.1 溫度控制系統

溫度控制系統主要滿足火星環境的溫度模擬要求，由常壓溫度循環箱實現。常壓溫度循環箱是一套常壓條件下的溫度模擬設備，箱內充入氮氣，通過調溫程序由工控機實現不同試驗溫度的設定。氣氮溫度在-150～200 ℃內連續可調，可滿足-120～150 ℃的溫控設計要求；氮氣中不含水蒸氣，可防止真空罐外壁結露。在真空罐中心截面罐體內壁的上下左右布置4個鉑電阻溫度傳感器（量程-150～150 ℃，精度±0.5 ℃，位置參見圖1），用以監測真空罐內試驗環境的溫度。試驗過程中氮氣氛圍通過傳導的方式向真空罐及罐內CO2氣體傳熱，當真空罐內溫度測點的溫度變化率低于1.0 ℃/h時，認為罐內溫度已穩定。

2.2 移動壓力控制系統

火星環境模擬需在交變溫度條件下進行，而高低溫交變會使真空罐內的壓力產生波動，因此需要壓力控制系統的調節，以實現溫度交變過程的穩壓控制。

移動壓力控制系統是一套控制機柜可移動的壓力控制系統（參見圖1），包含抽氣管路與充氣管路。抽氣管路由抽氣接口、真空閥和蝶閥組成；充氣管路由充氣接口、充氣閥和流量控制器組成。移動壓力控制系統的主要作用是調節向真空罐內的充/放氣量，實現罐內壓力控制。試驗時，首先開啟抽氣管路，將真空罐內壓力抽至 6.65×10-3Pa；之后關閉抽氣管路，開啟充氣管路，向真空罐內充入CO2氣體，以維持特定壓力的CO2氣體氛圍；試驗結束后，首先調節常壓溫度循環箱內的溫度至常溫，待真空罐內溫度穩定至常溫后，斷開移動壓力控制系統與充/放氣系統間的充氣接口，向真空罐內充入空氣至常壓后，打開常壓溫度循環箱與真空罐，取出試件。真空罐內安裝有規管（量程100～101 325 Pa，精度 3%S.P.，位置參見圖1），用于監測罐內壓力。

傳統真空環境試驗的抽氣不考慮抽氣速率，先啟動干泵粗抽至一定壓力（一般為3 Pa）后再啟動精密分子泵繼續抽氣，直至真空罐內滿足試驗要求的真空度。抽氣過程中，需要人為調節干泵出口放空閥的開度來控制抽氣流量，維持抽速穩定，具有一定的滯后性，壓力波動范圍大，且容易超調，對人員操作精度要求高，有時還需要組織預試驗，影響試驗進度?；鹦翘綔y任務型號的環境試驗往往持續5～7天，且對壓力控制精度要求較高，傳統熱真空試驗的抽氣方式難以滿足試驗的壓力控制要求。另外，由于火星環境下氣體壓力低、熱容小，密閉空間內環境溫度的變化可能會使氣體壓力產生波動，需要實時進行必要的充/放氣量調節控制，維持氣體氛圍的壓力穩定。

為了滿足對抽氣速率的控制，在抽氣支路上增加可程序控制開度的蝶閥（VAT-DN25），其位置控制能力為20 000步，開度設置為0～100%，分子流態下流導范圍為 0.01～2.4 L/s，調節頻率為 50 Hz。在充氣支路上增加流量控制器（JCHBL4832），其額定流量0.05 L/s，可根據充氣要求控制充入氣體的體積流量。

假設要求將真空罐內壓力控制為P，當罐內壓力降低至P1時（P1與P相差不超過4%），則需要向罐內充氣，忽略充氣過程中的溫度變化，將充氣過程視為等溫變化過程，則需充入的氣體體積為

式中V為真空罐容積。設定充氣時間為t1，則流量控制器需將充氣流量設定為

當真空罐內壓力增加至P2時，則需要從真空罐內向外抽氣，設定抽氣時間為t2，且假設勻速降壓，則tx時刻真空罐內的壓力應滿足

若tx時刻的罐內壓力高于Px，則增大蝶閥開度；若低于Px，則減小蝶閥開度，直至罐內壓力降至P。

移動壓力控制系統通過工控機內的PID控制程序實現自動控制。由于常壓溫度循環箱無法移動，所以將壓力控制系統設計成可移動的控制機柜，以方便針對不同設備進行改造試驗。

2.3 充/放氣系統

充/放氣系統主要用于真空罐的充/放氣，充氣支路由氣瓶、減壓器組成，氣瓶內儲存高壓CO2；抽氣支路包括真空手閥和真空泵，真空泵（萊寶SC30D）額定抽速7.3 L/s。抽氣支路通過抽氣接口與移動壓力控制系統的抽氣管路相聯，試驗開始時，打開真空手閥；當真空罐需要抽氣時，由工控機發出程序指令啟動真空泵，否則真空泵不工作；試驗結束后，關閉真空手閥。充氣支路通過充氣接口與移動壓力控制系統的充氣管路相聯，試驗開始時，打開高壓氣瓶的排氣閥門，調節減壓器的排氣壓力，使其能夠向外穩定排氣；試驗結束后，關閉高壓氣瓶的排氣閥門。

3 系統運行過程

試驗時，首先將真空罐內壓力抽至6.65×10-3Pa后，向真空罐內充入滿足試驗壓力要求的CO2氣體，然后將常壓溫度循環箱的模擬溫度設定為試驗要求值，使真空罐溫度達到試驗要求的溫度，并保持試驗要求的持續時間；之后再將常壓溫度循環箱的模擬溫度設定為下一個循環溫度，使真空罐溫度達到試驗要求并維持試驗要求的持續時間。如此循環，直至試驗結束。其間，由壓力控制系統調節真空罐內壓力始終在滿足試驗要求的范圍內。

4 系統運行效果

按前述設計，組裝、調試完成CO2氣體氛圍火星環境模擬系統，并在北京衛星環境工程研究所進行了若干項火星探測任務相關的部組件級可靠性試驗。下面以氣凝膠在火星環境下溫度交變試驗為例，介紹系統運行效果。

氣凝膠具有低導熱性、阻燃的優點，使用壽命長，是一種廣泛應用于航空航天等領域的隔熱材料。NASA于2013年已確定將采用氣凝膠材料制造火星探險的宇航服[11]。為了保證氣凝膠材料在火星環境下工作的可靠性，需要模擬具有溫度交變特性的火星環境，測量氣凝膠在經歷溫度交變后的導熱特性和質量變化等。試驗過程中不允許在氣凝膠表面粘貼溫度測點，且氣凝膠材料本身不發熱，因此以環境溫度作為試件溫度。試驗中將氣凝膠置于真空罐內，罐內4個溫度測點的測量溫度相差不超過0.5 ℃，取它們的算術平均值作為試件溫度。試驗要求：高溫極限 77 ℃，容差 0～3 ℃；低溫極限-105 ℃，容差 0～-3 ℃；壓力維持在 (750±30) Pa之間。試驗過程的試件溫度曲線如圖2所示：試件溫度在試驗過程中維持在-107.8～78.3 ℃之間，高溫穩定在77～78.3 ℃之間，低溫穩定在-107.8～-105 ℃之間，滿足要求。

圖2 試件溫度曲線Fig.2 Cycled high and low temperature of the sample

圖3所示為試驗過程的真空罐內壓力變化曲線：從初始真空環境下充入CO2氣體，直至壓力維持在試驗要求壓力附近，試驗過程中實際壓力控制在 725～775 Pa之間，滿足要求。

圖3 試驗壓力曲線Fig.3 Test pressure against time

5 結束語

針對火星環境特點，設計研制了一套溫度/壓力可控、CO2氣體氛圍、可滿足火星表面大氣環境模擬要求的試驗系統。該系統解決了罐體結露、CO2壓力隨溫度振蕩的問題，實現了在較大溫度交變試驗條件下，CO2氣壓的穩定控制和氣體狀態維持，滿足了火星探測任務型號的試驗要求。試驗系統已進行了多個火星探測任務型號部件產品的環境試驗，為火星探測任務的順利開展提供了支持。