第十一章空間真空環(huán)境及其效應(yīng)1

1、第二章 空間真空環(huán)境及試驗技術(shù)空間真空環(huán)境及試驗技術(shù) 2.1 空間真空環(huán)境 v是指在給定空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)， 也就是該空間內(nèi)氣體分子密度低于該地區(qū)一個大氣 壓的分子密度。 v氣壓和分子密度同步變化，標準狀態(tài)（氣壓和分子密度同步變化，標準狀態(tài)（0 C，101325Pa） 下，氣體的分子密度為下，氣體的分子密度為2.6870 1025/m3； ；真空度為 真空度為1.33 10- 4Pa時，氣體分子密度為 時，氣體分子密度為3.24 1016/m3。 v完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空，絕對真空實際上是完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空，絕對真空實際上是 不存在的。不存在的。 v真

2、空區(qū)域劃分：真空區(qū)域劃分： v 根據(jù)國軍標根據(jù)國軍標GB3163-82，真空區(qū)劃分為如下區(qū)段：，真空區(qū)劃分為如下區(qū)段： v低真空：低真空：105102Pa （050Km) v中真空：中真空： 10210-1Pa （5090Km) v高真空：高真空： 10-110-5Pa （90330Km) v超高真空：超高真空： 10-5Pa （330Km以上以上) v空間真空度隨高度變化情況 v海平面： 101308Pa v100km, 2.6410-2Pa; 500km, 9.5210-8Pa v200km, 7.5010-5Pa; 600km, 4.1210-8Pa v300km, 5.9610-6 P

3、a;700km, 1.8510-8Pa v400km, 8.6910-7 Pa; 800km,1.0310-8Pa v1 200km處處,大氣壓力大氣壓力10-9Pa； v10 000km處處,大氣壓力為大氣壓力為10-10Pa； v月球表面大氣壓力為月球表面大氣壓力為10-10 Pa10-12Pa，大，大 約相當于有約相當于有100個氫分子個氫分子/cm3; v銀河系星際大氣壓力為銀河系星際大氣壓力為10-13 Pa10-18Pa。 v真空測量單位真空測量單位 v 真空度通?？梢杂脡簭姳硎?，壓強為氣體分子作真空度通?？梢杂脡簭姳硎荆瑝簭姙闅怏w分子作 用在單位面積上的力的法向分量。用在單位面積

4、上的力的法向分量。 v（1）國際單位）國際單位 v 通常用壓力單位通常用壓力單位Pa（帕）表示，（帕）表示，1Pa 為為1m2面積面積 上作用上作用1N的力，即：的力，即： 1Pa= 1N/ m2 v（2）高斯單位）高斯單位 v 通常用壓力單位通常用壓力單位Tor（托）表示，（托）表示，1 Tor=133Pa v1、壓力差效應(yīng) v壓力差效應(yīng)在105Pa102Pa的真空范圍內(nèi)發(fā)生。壓 力差效應(yīng)會使密封艙變形或損壞，因此增大了貯罐 中液體或氣體的泄漏，縮短了使用時間。 v真空環(huán)境下的泄漏故障 v約的重大故障與真空環(huán)境泄漏有關(guān)。 v年月日蘇聯(lián)“聯(lián)盟”號飛船的 名航天員返回地面時，因返回艙真空室漏氣均

5、窒 息死亡。 2.2 真空環(huán)境效應(yīng) v據(jù)統(tǒng)計，因真空環(huán)境下泄漏，全世界至少有枚 火箭發(fā)生爆炸。其中：有造成火箭發(fā)動機試驗時提 前關(guān)機或未能二次點火；有火箭升空后未達到預(yù)定 推力，衛(wèi)星偏離軌道不能入軌；有火箭升空后引起 爆炸，星箭自毀等。 v據(jù)統(tǒng)計，全世界至少有顆衛(wèi)星因泄漏而發(fā)射失敗， 多顆衛(wèi)星產(chǎn)生重大故障而縮短壽命或未達到使 用功能。 v我國也有顆衛(wèi)星因泄漏而產(chǎn)生故障。 v2、真空放電效應(yīng) v真空放電效應(yīng)發(fā)生在103Pa10-1Pa低真空范圍。 當電極之間發(fā)生自激放電時稱為電擊穿。對于航天 器發(fā)射上升階段必須工作或通電的電子儀器，應(yīng)防 止任何放電的可能。 （短路故障） v當真空度達到10-2P

6、a或更高時，在真空中分開一定 距離的兩塊金屬表面受到具有一定能量的電子碰撞 時，會從金屬表面激發(fā)出更多的次級電子，形成微 放電。 （電弧放電故障） v金屬由于發(fā)射次級電子而受到侵蝕，電子碰撞會引 起溫度升高，而使附近氣體壓力升高，甚至會造成 嚴重的電暈放電。射頻空腔波導管等裝置有可能由 于微放電而使其性能下降，甚至產(chǎn)生永久性失效。 電子元器件故障或失效 v3、真空出氣效應(yīng) v當真空度高于10-2Pa時，氣體會不斷地從材料表面 釋放出來。這些氣體的來源是： v原先在材料表面吸附的氣體，在真空狀態(tài)下從表 面脫附； v原先溶解于材料內(nèi)部的氣體，在真空狀態(tài)下從材 料內(nèi)部向真空邊界擴散，最后在界面上釋放

7、，脫離 材料； v滲透氣體通過固體材料釋放出來 v分子污染 航天器材料在空間真空環(huán)境下出氣，通 過分子流動和物質(zhì)遷移而沉積在航天器其他部位上 造成的污染，稱為分子污染。 v嚴重的分子污染會降低觀察窗和光學鏡頭的透明度， 改變熱控涂層的性能，減少太陽能電池的光吸收率， 增加電器元件的接觸電阻等。 v4、材料蒸發(fā)升華和分解效應(yīng) v材料在空間真空環(huán)境下的蒸發(fā)、升華和分解都會造 成材料組分的變化，引起材料質(zhì)量損失（簡稱質(zhì) 損），造成有機物的膨脹，改變材料原有性能如熱 物理性能和介電性能等。 v一般質(zhì)損1%2%時，材料的宏觀性質(zhì)無重大變化； 但質(zhì)損達時，材料性質(zhì)出現(xiàn)明顯的變化。因 此，一般把每年質(zhì)損小于

8、作為航天器材料的 標準。 v航天器表面材料不均勻的升華，引起表面粗糙，使 航天器表面光學性能變差。在高真空下材料的內(nèi)、 外分界面可能變動，引起材料機械性能的變化。由 于蒸發(fā)缺少氧化膜或其他表面保護膜，因而可能改 變材料表面的適應(yīng)系數(shù)及表面輻射率，顯著改變材 料的機械性能、蠕變強度和疲勞應(yīng)力等。 v5、粘著和冷焊效應(yīng) v粘著和冷焊效應(yīng)一般發(fā)生在10Pa以上的超高真 空環(huán)境下。 v發(fā)生機理：在真空中固體表面的吸附氣膜、污染膜 以致氧化膜被部分或全部清除，從而形成清潔的材 料表面，使表面之間出現(xiàn)不同程度的粘合現(xiàn)象，稱 為粘著。如果除去氧化膜，使表面達到原子潔凈程 度，在一定壓力負荷和溫度下，可進一步

9、整體粘著， 即引起冷焊。 v冷焊發(fā)生三要素：高真空、相同金屬材料、壓力 v危害：活動部件、支承、傳動、觸點部位都可能出 現(xiàn)故障。冷焊將加速軸承的磨損，減少其工作壽命， 使電機滑環(huán)、電涮、繼電器和開關(guān)觸點接觸不良， 天線或重力梯度桿展不開，太陽電池陣板、散熱百 葉窗打不開等。 v防止冷焊的措施：選擇不易發(fā)生冷焊的配偶材料， 在接觸表面涂覆固體潤滑劑或設(shè)法補充液體潤滑劑， 涂覆不易發(fā)生冷焊的材料膜層（碳化鎢涂層）。 v6、真空環(huán)境下的熱輻射效應(yīng) v在空間真空環(huán)境下，航天器與外界的傳熱主要通過 輻射形式，因此，航天器表面的輻射特性對航天器 的溫度控制起著重要作用，為了使航天器保持在允 許的熱平衡溫度

10、下，航天器的熱設(shè)計必須考慮空間 真空環(huán)境下傳熱以輻射與接觸傳熱為主導的效應(yīng)。 2.3.1 分類：分類： v物理模擬是指模擬空間的實際真空環(huán)境。 v效應(yīng)模擬是指空間真空環(huán)境模擬試驗與空間 真空環(huán)境試驗的一致性. v數(shù)值模擬是用數(shù)學模型代替實際系統(tǒng)的模擬 試驗。 2.3 真空環(huán)境模擬技術(shù) 2.3.2 真空容器：真空容器： 1. 結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)形式：圓柱、箱形、球、圓錐圓柱、箱形、球、圓錐 圓柱：強度、材料消耗、空間利用率、制造性等圓柱：強度、材料消耗、空間利用率、制造性等 綜合性能好。綜合性能好。 小型罐：小型罐：02m直徑直徑 中型罐：中型罐：26m直徑直徑 大型罐：大型罐：6m以上直徑以上直徑

11、 2. 材料：材料：不銹鋼不銹鋼 1Cr18Ni9 KM6空間模擬器空間模擬器 真空容器由三個容器組成：真空容器由三個容器組成： 主容器（立式）：直徑主容器（立式）：直徑12m， 高高22.4m 輔容器（臥式）：直徑輔容器（臥式）：直徑7.5m， 長長15m 載人試驗艙：載人試驗艙： 直徑直徑5m， 長長15m 總?cè)莘e：總?cè)莘e： 3200m3 總質(zhì)量：總質(zhì)量： 420t 3. 尺寸：尺寸： DM：模擬器有效直徑，：模擬器有效直徑， DV：航天器特征尺寸：航天器特征尺寸 11 2 1 1 1 )( V M D D 1 1：試驗誤差，設(shè)定：試驗誤差，設(shè)定3% 1：熱沉發(fā)射率，取：熱沉發(fā)射率，取0.

12、9 熱沉：對光、熱、氣體分子有強吸收能力的能夠模熱沉：對光、熱、氣體分子有強吸收能力的能夠模 擬空間冷黑環(huán)境的結(jié)構(gòu)，用銅、鋁、不銹鋼制造，擬空間冷黑環(huán)境的結(jié)構(gòu)，用銅、鋁、不銹鋼制造， 表面黑色。表面黑色。 94. 1)( V M D D v模擬器與航天器特征尺寸比的確定 采用太陽模擬方法： 3 采用紅外模擬方法： 1.5 采用接觸式電加熱法： 23 KM6模擬器： 飛船 3 空間站 2.3 美國： 1.52.5 約翰遜試驗中心： A容器 1.92.6 B容器 1.62.2 2.3.3 真空抽氣系統(tǒng)：真空抽氣系統(tǒng)： 要求：要求：空間環(huán)境模擬室具有體積大、環(huán)境清潔、放氣空間環(huán)境模擬室具有體積大、環(huán)

13、境清潔、放氣 量大、真空度高、抽氣速度要求快等特點，因此對配量大、真空度高、抽氣速度要求快等特點，因此對配 置和選擇置和選擇真空泵真空泵的方法、真空系統(tǒng)的設(shè)計程序和結(jié)構(gòu)的方法、真空系統(tǒng)的設(shè)計程序和結(jié)構(gòu) 設(shè)計、真空材料的選擇，都有所不同，對系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計、真空材料的選擇，都有所不同，對系統(tǒng)的設(shè)計 提出更高的要求提出更高的要求 真空抽氣系統(tǒng)的選擇：真空抽氣系統(tǒng)的選擇： （1）小型熱真空罐：真空度優(yōu)于）小型熱真空罐：真空度優(yōu)于10-4Pa，前級用機械，前級用機械 泵，低溫泵、分子泵或油擴散泵，泵，低溫泵、分子泵或油擴散泵， （2）大型環(huán)境模擬器：真空度優(yōu)于）大型環(huán)境模擬器：真空度優(yōu)于10-4Pa，前

14、級用機，前級用機 械泵，用低溫泵，避免油污染。械泵，用低溫泵，避免油污染。 真空抽氣系統(tǒng)的選擇：真空抽氣系統(tǒng)的選擇： （3）冷焊、干摩擦試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于）冷焊、干摩擦試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于10-7Pa，用，用 低溫泵、分子泵，無油抽氣低溫泵、分子泵，無油抽氣 （4）發(fā)動機羽流污染試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于）發(fā)動機羽流污染試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于10-5Pa， 要求大抽速，用低溫泵、油擴散泵。要求大抽速，用低溫泵、油擴散泵。 （5）火箭發(fā)動機點火試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于）火箭發(fā)動機點火試驗設(shè)備：真空度優(yōu)于10-4Pa， 用空氣引射泵、擴壓器、油擴散泵、低溫泵，試驗真用空氣引射泵、擴壓器、油擴散泵、低溫泵，試

15、驗真 空下點火、燃燒、再啟動性能空下點火、燃燒、再啟動性能 （6）航天員訓練艙：真空度優(yōu)于）航天員訓練艙：真空度優(yōu)于10-2Pa，用水環(huán)泵、，用水環(huán)泵、 羅茨泵、機械泵羅茨泵、機械泵 v機械泵：有葉片式、螺桿式、柱塞式等，價格低機械泵：有葉片式、螺桿式、柱塞式等，價格低 v油擴散泵：利用低壓、高速油蒸汽射流原理的真空油擴散泵：利用低壓、高速油蒸汽射流原理的真空 泵，抽速大泵，抽速大 德國機械泵德國機械泵油擴散泵油擴散泵 v分子泵：利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動量傳給氣體分子， 使分子獲得速度后排出。無污染。 v低溫泵：利用低溫表面冷凝氣體而獲得真空的原理， 無污染、真空度大。 v羅茨泵：旋轉(zhuǎn)式變?nèi)莘e真

16、空泵（羅茨風機）。 v電離真空計、熱偶真空計、壓阻真空計、電離真空計、熱偶真空計、壓阻真空計、 B-A真空規(guī)、石英真空規(guī)、石英 真空計、全量程真空規(guī)真空計、全量程真空規(guī) v真空計的選擇：真空計的選擇： v（1） 105102Pa 壓阻真空計、靜態(tài)變形式真空計壓阻真空計、靜態(tài)變形式真空計 v（2） 10210-1Pa 熱偶真空計熱偶真空計 v（3） 10-110-4Pa 電離真空計電離真空計 v（4） 10-410-8Pa B-A真空規(guī)真空規(guī) v（5） 10510-7Pa 全量程真空規(guī)全量程真空規(guī) 2.4 真空度測量技術(shù) v熱偶真空計熱偶真空計 氣體分子熱傳導與壓力有關(guān)。在一玻璃管殼中支撐一根熱

17、絲，氣體分子熱傳導與壓力有關(guān)。在一玻璃管殼中支撐一根熱絲， 熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周圍氣體和管殼的溫度，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周圍氣體和管殼的溫度， 于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導。當達到熱平衡時，熱絲于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導。當達到熱平衡時，熱絲 的溫度決定于氣體熱傳導，因而也就決定于氣體壓力。的溫度決定于氣體熱傳導，因而也就決定于氣體壓力。 v電離真空計電離真空計 利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨 電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計、冷陰極電離

18、真空 計和放射性電離真空計等。計和放射性電離真空計等。 電離真空規(guī)電離真空規(guī) BA真空規(guī)真空規(guī) 熱偶真空規(guī)熱偶真空規(guī) v壓力測量的特殊性壓力測量的特殊性 v1)定向壓力效應(yīng)定向壓力效應(yīng) v分子沉：分子沉：太空的分子密度十分稀薄，從航天器飛出太空的分子密度十分稀薄，從航天器飛出 的分子無碰撞地沉沒于無限宇宙空間之中不再返回。的分子無碰撞地沉沒于無限宇宙空間之中不再返回。 所以廣闊的太空是個具有無限抽氣速率的所以廣闊的太空是個具有無限抽氣速率的“分子分子 沉沉”。 v在空間模擬室內(nèi)，真空規(guī)面向試件所測得的分子流在空間模擬室內(nèi)，真空規(guī)面向試件所測得的分子流 壓力值比面向真空容器壁板所測得的分子流壓力

19、值壓力值比面向真空容器壁板所測得的分子流壓力值 高高12個數(shù)量級。這就是個數(shù)量級。這就是分子沉效應(yīng)分子沉效應(yīng)，因此試驗中，因此試驗中 應(yīng)考慮真空規(guī)管安裝的位置、方向、形式，以真實應(yīng)考慮真空規(guī)管安裝的位置、方向、形式，以真實 反映真空度。反映真空度。 v2)快速真空度測量快速真空度測量 v在發(fā)動機高空點火模擬試驗中，要求測出在發(fā)動機高空點火模擬試驗中，要求測出2次點火次點火 之間短時壓力的快速變化。在火箭發(fā)射階段的模擬之間短時壓力的快速變化。在火箭發(fā)射階段的模擬 中，快速測量壓力變化，其反應(yīng)時間約為幾百微秒中，快速測量壓力變化，其反應(yīng)時間約為幾百微秒 量級，因此要求高精度、寬量程、高可靠性。量級

20、，因此要求高精度、寬量程、高可靠性。 v3)超音速氣流真空度測量超音速氣流真空度測量 v在低密度級風洞（壓力大于在低密度級風洞（壓力大于10-2 Pa），將會遇到馬），將會遇到馬 赫數(shù)為赫數(shù)為110的超音速氣流。在太陽風的模擬中，的超音速氣流。在太陽風的模擬中， 將會遇到將會遇到300km/s500km/s的超音速等離子體的超音速等離子體 （質(zhì)子加電子），密度約（質(zhì)子加電子），密度約10個個/cm3。 航天器中的天線運轉(zhuǎn)、太陽電池陣的展開和百航天器中的天線運轉(zhuǎn)、太陽電池陣的展開和百 葉窗的開閉等都有轉(zhuǎn)動機構(gòu)，姿控系統(tǒng)中的紅外地葉窗的開閉等都有轉(zhuǎn)動機構(gòu)，姿控系統(tǒng)中的紅外地 平儀、動量輪、空間探測

21、儀器，其對接與分離機構(gòu)平儀、動量輪、空間探測儀器，其對接與分離機構(gòu) 中有滾動軸承、滑動軸承、齒輪等活動部件，這些中有滾動軸承、滑動軸承、齒輪等活動部件，這些 部件在空間真空環(huán)境下要考慮摩擦、磨損、潤滑問部件在空間真空環(huán)境下要考慮摩擦、磨損、潤滑問 題，除了選擇合適的配偶材料，對潤滑劑的選用應(yīng)題，除了選擇合適的配偶材料，對潤滑劑的選用應(yīng) 考慮在真空下不易揮發(fā)、不變質(zhì)、不污染航天器等考慮在真空下不易揮發(fā)、不變質(zhì)、不污染航天器等 2.5 空間真空環(huán)境潤滑技術(shù) v2.5.1 空間真空環(huán)境下的液體潤滑技術(shù) v在空間真空環(huán)境中用的液體潤滑劑應(yīng)選用飽和蒸氣 壓較低的潤滑油，應(yīng)將其封閉在一個小空間內(nèi)，以 防止

22、蒸氣直接向空間蒸發(fā)。 v2.5.2 空間真空環(huán)境下的固體潤滑技術(shù) v固體潤滑是利用有潤滑性的固體，采用一定的結(jié)構(gòu) 形式，達到潤滑的目的。 v為了保護相對運動中的表面不受損傷，并降低摩擦 與磨損而使用的薄膜或粉狀固體物質(zhì)。 v固體潤滑劑按種類劃分有：層狀晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)、非 層狀無機物、金屬薄膜、塑料、合成膜、化合膜等。 v2.5.3 自潤滑材料 v 石墨、陶瓷、復(fù)合材料等 1）氦質(zhì)譜檢漏法 檢漏原理：氦氣分子量小、質(zhì)量輕、操作安全、潔凈， 適合作為檢漏氣體。 質(zhì)譜儀的核心部分是電離室，氦氣經(jīng)燈絲加熱后 進入電離室，將氦氣電離成正離子，通過加速使離子進入 磁場，磁力作用下形成圓弧軌道，氦離子質(zhì)量小，軌道半 徑就小，在接收極可被檢出。 R=144/B 2.6 空間真空檢漏技術(shù) 1）氦質(zhì)譜檢漏法 氦質(zhì)譜檢漏法有如下幾種：噴吹法、氦罩法、檢漏盒法 噴吹法：在被檢件外壁可疑漏氣部位用氦氣噴槍吹氦氣 氦罩法：將被檢件外壁用塑料罩住，