真空系统在模拟火星表面低气压环境的应用.pdf

真空系统在模拟火星表面低气压环境的应用刘中博（沈阳金凯瑞科技有限公司，辽宁沈阳110031）摘要：火星一直被认为是太阳系中除地球外生命最有可能繁盛过并生存至今的地方，故而对其表面环境的模拟，对火星探索起着重要的作用。本文依托于 XX 大学空间模拟装置火星尘舱系统项目的需求，设计了一套火星表面低气压环境模拟系统，采用真空泵组降低火星尘舱内的气压，采用气动调节型阀门进行高精度动态压力调节，维持舱内压力稳定，详细介绍了系统设计技术参数、组成、工况及抽速计算流程。关 键 词：火星；表面环境模拟；低气压环境；真空；调节阀中图分类号：TB79文献标识码：B文章编号：1002-0322（2024）01-0064-04doi：10.13385/ki.vacuum.2024.01.10Application of Vacuum System in Simulating Low-pressure Area Environment onMartian SurfaceLIU Zhong-bo（Shenyang KingCareer Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110031,China）Abstract：Mars has always been considered the most likely place in the solar system where life outside of Earth has flourished andsurvived to this day.Therefore,the simulation of its surface environment plays an important role in the study of Mars.Based on therequirements of the Mars dust chamber system project of XX universitys space simulation device,a system is designed to simulatethe low-pressure environment on the surface of Mars.A vacuum pump group is used to reduce the pressure inside the Mars dustchamber,and a pneumatic regulating valve is used for high-precision dynamic pressure regulation to maintain stable pressure insidethe Mars dust chamber.The system design technical parameters,system composition,working conditions and pumping speedcalculation process are introduced in detail.Key words：Mars;surface environment simulation;low-pressure environment;vacuum;regulating valve收稿日期：2023-08-25作者简介：刘中博（1985-），男，辽宁省沈阳市人，本科，工程师。人类对宇宙的探索无穷无尽，其中火星被认为是太阳系中除地球外生命最有可能繁盛过并生存至今的星球1-5。火星是太阳系八大行星之一，是距离太阳第四近的行星，火星距离地球最近为 5400 万千米（最远达 4 亿千米，探测器需飞行约 7 个月抵达火星）。火星基本为沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水体，火星上以二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，常有尘暴发生6-7。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠，极冠会随着季节消长。人类在实际探索中发现，火星探索具有以下意义：1）火星是太阳系中人类可以探索的最近行星；2）约 40 亿年以前,火星与地球气候相似，也有河流、湖泊甚至还有海洋,未知原因使得火星变成今天这个模样，探索火星气候变化的原因，对保护地球的气候条件具有重大意义8；3）火星存在一个巨大的臭氧洞,太阳紫外线无遮拦地照射到火星上，对其进行研究有助于了解地球臭氧层一旦消失可能产生的极端后果。基于以上原因，火星探测变得尤为重要9，要想探测成功，模拟火星表面低气压环境则成为不可缺少的条件之一。本文依托于 XX 大学空间模拟装置火星尘舱系统项目的需求，设计了一套模拟火星表面低气真空VACUUM第 61 卷第1 期2024年1月Vol.61，No.1Jan.2024第 1 期刘中博：真空系统在模拟火星表面低气压环境的应用压环境的系统10-11，与风速模拟及砂尘系统联合协调工作。采用真空泵组将火星尘舱内气体排出，降低舱内气压；采用气动调节型阀门进行高精度的动态压力调节，保持火星尘舱内压力稳定12-13。1系统设计技术指标火星表面低气压环境模拟系统的各技术指标如下：（1）舱内气体成分：空气或 CO2，工作条件下浓度不低于 97%。（2）在 CO2条件下，舱体内气压 1001 500 Pa连 续 可 调。在 7001 500 Pa 区 间 内，控 压 精 度为 100 Pa；在 100700 Pa 区 间 内，控 压 精 度为50 Pa。（3）真空抽吸气体速率不低于 3 m3/s（CO2或空气）；保压 1h，压升不超过压力值的 5%。（4）采用数显压力计显示压力测点的测量值；真空泵组管道部位也均应设置压力测点。（5）真空泵选型考虑管道压降，保证在极限环境模拟条件下可长期运行；优先选用风冷式真空泵，真空泵入口端配置进气过滤器，保证真空泵的使用寿命；每套设备噪声不高于 70 dB（A）。（6）真空管路材料为 304 不锈钢，能承受真空负压；管路除尘器主要技术指标为处理气量不低于 3 m3/s，过滤尺度不高于 0.2 m，过滤精度不低于 99.9%。2真空系统总体设计方案火星尘舱的真空系统由真空泵组、过滤器、真空管道、阀门、控制系统等组成。系统的核心设备是一套真空泵组，真空泵组由 3 套干式螺杆泵、3 套罗茨泵和 4 套二级罗茨泵组成。如图 1 所示，气流通过真空总抽气管道（如图风洞抽气预留接口）经过过滤器、压力及温度变送器等进入真空泵组。主管道设置 1 个气动蝶阀，主要起开关作用。在主管道的旁路上设置两根精调管道。每根管道设置调节阀，用来进行高精度压力调节14-15，最终抽出的气体经真空泵组的出口连接到总排气管道排到室外。3系统工况分析真空系统工作时有 4 种工况：（1）试验准备阶段：主要进行火星尘舱系统内CO2环境模拟，使火星尘舱内CO2满足技术指标；1.真空泵组；2,8,11.压力变送器；3,14.温度变送器；4.气动调节蝶阀；5.气动套筒调节阀；6,13.流量计；7,12.电动球阀；9.缓冲罐；10.过滤器；15.手动球阀。图 1真空系统原理图Fig.1Schematic diagram of the vacuum system（2）气压下降阶段：在火星尘舱内模拟火星气压环境，达到试验的预期气压；（3）试验阶段：真空系统、风速模拟系统及砂尘系统联合协调工作，并使气压保持在设定目标；（4）气压恢复阶段：试验完成后，火星尘舱恢复到标准大气压。4 种工况的预计工作时间如表 1 所示。表1真空系统工况表Table 1Operating conditions of vacuum system序号1234试验工况试验准备阶段（模拟火星环境，二氧化碳）气压下降阶段试验阶段气压恢复阶段抽真空至100 Pa抽真空，气压由101 325 Pa下降至1 500 Pa抽真空，气压由1 500 Pa下降至1 000 Pa抽真空，气压由1 000 Pa下降至700 Pa抽真空，气压由700 Pa下降至100 Pa火星砂尘喷射量3 m/s喷射二氧化碳复压真空复压管路复压预计时间/min22.4约14约4.8约1.84约1.76104真空系统设计计算4.1系统设计计算条件火星表面低气压环境模拟系统设计计算条接室外大气123456FCSFCSDN500FCS控制系统GXSGXSGXSZRSZRSZRSZRSFCSDN500DN200HC-101DN50GL-10178915土建高压供气101101101102TEPTMTCVMTCVM103PT102FT1021413冷却水回水软化水火星舱体12冷却水进水软化水10SD-101SD-10211101101TEITI102103PTICS 65真空VACUUM第 61 卷件如下：（1）模拟舱体内气压 1001 500 Pa 可调；（2）容器容积为 35 m；（3）砂尘喷射最大气体体积流量为 0.5 m/s；（4）砂尘粒径为 1100 m；（5）选择合适的真空设备类型，考虑管道压降，保证在极限环境模拟条件下可长期运行；（6）真空设备选择考虑舱体和管道的泄露因素；（7）系统设计保证真空设备在保压阶段可稳定运行；（8）目前，真空系统软件模拟可实现 24 min内达到 100 Pa（无泄漏），同时可在 1 min 内恢复常压；（9）真空系统噪声不高于 85 dB（A）；（10）真空系统可 24 h 持续工作；（11）真空系统抽气气流温度为 020。4.2真空系统有效抽速需求分析计算一般真空系统容器有效抽速需求按如下公式计算：Q=Qs+Ql+Qd+Qp+Qb+Qr（1）式中：Q为风洞有效抽速需求；Qs为抽气速率气体流量；Ql为容器漏气量；Qd为容器内表面吸附气体的脱附量；Qp为容器内部扩散或渗透的放气量；Qb为泵向真空容器的返流气量；Qr为真空容器内装配的机构的放气量。其中，Qs=VdP0/dt=2.3V/tlg()P0/P1（2）式中：V为容器容积；P0为容器内初始压强；P1为容器内目标压强；t为抽气时间。Qd，Qp及Qb均在高真空（大气压力低于 10-1Pa时）才考虑，由于本系统的极限真空压力为100 Pa，属于低真空，因此本系统仅考虑Qs、Ql及Qr即可。Qs主要由目标压力和抽速决定。已知：V=35 m，P0=101 325 Pa，P1=100 Pa（极限真空），初步取 t=22.4 min，则 计 算 得：Qs=2.335/22.4lg（101 325/100）=10.8 m/min=648.1 m/h。Ql为容器的漏气量，由于漏气量极低，此处忽略不计。Qr气量主要由引射系统喷入气体及砂尘喷射气体组成。本 项 目 有 4 种 典 型 工 况，分 别 为 100 Pa，700 Pa，1 000 Pa 及 1 500 Pa 的气压条件。考虑到喷射的气体温度不同，吸入到真空泵组的体积也是不同的，因此对气体温度分别为 0 及 20 两种极端工况进行计算，具体数值如表 2 和表 3所示。另外，真空泵组总抽气能力预留 30%的余量。表24种典型试验工况在0 时的泵组抽气量Table 2Pumping capacity of the pump set under fourtypical test conditions at 0 舱内压力/Pa1007001 0001 500温度/0000引射器体积流量/（m/h）6 9346 9346 9346 303.6砂尘体积流量/（m/h）1 8001 8001 8001 800总体积流量Qr/（m/h）8 7348 7348 7348 106总体积流量预留30%，Qr/（m/h）11 354.211 354.211 354.210 537.8表34种典型试验工况在20 时的泵组抽气量Table 3Pumping capacity of the pump set under fourtypical test conditions at 20 舱内压力/Pa1007001 0001 500温度/20202020引射器体积流量/（m/h）7 1837 1837 1836 530砂尘体积流量/（m/h）1 9321 9321 9321 932总体积流量Qr/（m/h）9 1159 1159 1158 462总体积流量预留30%，Qr/（m/h）11 849.511 849.511 849.511 000.65结语真空系统运用在模拟火星表面低气压环境中，需克服不同因素对气体压力的影响16-17。本文以 XX 大学空间模拟装置火星尘舱系统项目为工程案例，通过理论计算与实际工程经验相结合的方式设计了此项目中的火星表面低气压环境模拟系统，并且在实际应用中取得了良好的试验效果，本文对空间模拟装置中火星表面低气压环境模拟系统的设计具有一定的工程参考价值。参考文献1王中旭,鲁亚楠,周燕,等.月基装备自主路径规划研究与展望J/OL.中国空间科学技术:1-12(2023-08-10).http:/ 66第 1 期刘中博：真空系统在模拟火星表面低气压环境的应用声 学 风 洞 吸 声 材 料 的 选 用 J.航 天 器 环 境 工 程,2023,40(3):283-288.5LORENZ C,BIANCHI E,POGGIALI G,et al.Survivabilityof the lichen xanthoria parietina in simulated martianenvironmental conditionsJ.Scientific Reports,2023,13(1):4893.6WANG H,SAIDEL M,RICHARDSON M I,et al.Martiandust storm distribution and annual cycle from Mars dailyglobal map observationsJ.Icarus,2023,394:115416.7GEBHARDT C,GUHA B K,YOUNG R M B,et al.Afrontal dust storm in the northern hemisphere at solarlongitude 97:an unusual observation by 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