用于结构与机构去污染的真空烘烤设备

李 威，孙 凯

（1.上海宇航系统工程研究所，上海 201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201108； 3.上海曙光机械制造厂有限公司，上海 200127）

0 引言

污染对航天器的影响不可忽略。美国在20世纪70—80年代就有24 颗卫星因污染影响而性能下降或失效。可见，污染已经成为影响航天器寿命和可靠性的重要因素之一，必须采取相应的控制和防护措施[1-2]。

材料的真空放气产物是航天器污染的主要来源之一。对于某些放气率比较高、而在航天器上又不得不使用的材料，须在使用前通过真空烘烤提前将材料中的挥发性物质释放出来，以减轻航天器入轨后因材料的放气率而引起的污染[3]。

真空烘烤是当前航天器研制中普遍采用的技 术措施。美国NASA 戈达德空间飞行中心（GSFC）建立了一批专用的烘烤设备，并制定烘烤技术流程，对哈勃望远镜等诸多光学系统和污染敏感部件成功进行了污染控制。欧空局的ESTEC 也有相应的真空烘烤设备[4]。

本文针对某些卫星的结构与机构产品的污染控制，专门研制了真空烘烤设备，并对该设备的主要性能指标、系统组成及使用功能做了详细的介绍。

1 真空烘烤设备的主要设计指标及系统构成

1.1 主要设计指标

试验有效空间为直径630 mm、长1000 mm 的圆柱形区域。

空载极限真空度：当热沉温度≤100 K 时，≤1.0×10-4Pa。

烘烤试验真空度：当烘烤温度为+80 ℃，且热沉 温度≤100 K 时，≤5.0×10-4Pa。

1.2 设备组成

用于结构与机构污染物清除的真空烘烤设备由真空容器、热沉系统、真空抽气系统、氮系统、去污染系统及电气控制系统等组成，见图1。

2 真空烘烤设备的各系统及功能

2.1 真空容器和热沉

2.1.1 真空容器

真空容器为卧式圆柱体，两端为椭圆封头，前开门机构为铰链结构。根据试验有效空间要求，真空容器尺寸为：外径1300 mm，长1500 mm（不含两封头），壁厚8 mm。真空容器本体的材料为0Cr18Ni9 不锈钢，底脚为Q235-A 号碳素钢。焊接采用内环缝氩弧焊，焊后真空容器内壁要求抛光，表面粗糙度达▽0.8。使用氦质谱检漏仪检漏，要求总漏率≤5×10-9Pa·m3/s。真空容器大门封头上和右侧分别设有一个φ150 mm 的观察窗，内部设置照明灯。

2.1.2 热沉系统

热沉系统由3 部分组成，即主热沉、大门热沉和底部热沉（兼具防污染板功能）。这3 部分热沉构成一个φ950 mm×1500 mm 的有效空间。

1）主热沉

主热沉结构为肋骨式，为了使液氮充满整个热沉，其管路安排采用“下进上出”的方式，进液（气）汇总管位于下部，出液（气）汇总管位于上部，如图2所示。

热沉长期在液氮温度下工作，其材料性能可靠至关重要。在低温下许多金属和合金韧性降低，当温度低至材料本身的韧性与脆性转变温度时，材料就会失去韧性而变成脆性。材料变脆可能诱发裂纹 的产生甚至导致应力脆断。因此，热沉总管与支管均选用0Cr18Ni9 不锈钢，其使用温度可达-200 ℃以下[5]。翅片选用紫铜材料。

图2 主热沉管路结构 Fig.2 The structure of main heat sink

主热沉外侧有一个刚性的框架用于固定主热沉，框架下部的左右、前后4 个位置对称装有安装脚。主热沉可沿着真空容器壁上的导轨滑动推入真空容器内，并用螺栓固定在导轨上。热沉进、出口汇总管与真空容器的连接采用可拆卸的不锈钢波纹管法兰，便于安装维修。

2）大门热沉

大门热沉正面为一块2 mm 厚的紫铜板，在紫铜板背面用一根φ14 mm×1.5 mm 的紫铜管按U 字形来回盘绕形成热沉管路，与支架组件用U 形卡箍连接，支架组件外面为0.5 mm 厚的不锈钢镜面反射屏蔽板。

3）底部热沉

底部热沉兼具防污染板的功能，主要用于在设备回温阶段保持低温以增加抽气速率，同时吸附试件释放出的挥发物，防止其凝结在烘烤筒体的内壁上。底部热沉为翅片盘管式结构，由一根φ14 mm× 1.5 mm 的紫铜管按U 字形来回盘绕而成，铜管上焊有厚度为1.5 mm 的紫铜翅片，结构形式如图3所示。

图3 底部热沉结构 Fig.3 The structure of bottom heat sink

4）热沉的工艺要求

热沉管路在焊接前均须进行真空检漏，焊后整体进行冷热冲击试验及检漏，整体漏率应≤5× 10-9Pa·m3/s。

热沉内表面涂无光专用黑漆，并保证漆层表面太阳吸收率≥0.93、发射率≥0.9。

5）热沉热负荷估算

热沉热负荷主要由3 部分组成，估算如下[6]：工作时的最大热负荷Q1=4 952.5 W；热沉与屏蔽板的热交换Q2=15.2 W；屏蔽板与容器壁的热交换Q3=114.7 W。

热沉总负荷Q=Q1+Q2+Q3=5 082.4 W；单位面积热负荷为863 W/m2；单位时间液氮最大消耗量为108.1 kg/h，24 h 最大消耗量为2 594.4 kg。

2.2 真空抽气系统

2.2.1 系统组成

真空抽气系统由粗真空泵、高真空泵和相应的真空阀门、管路等组成（见图4）。粗真空泵包括1台抽速为150 L/s 的罗茨泵和2 台抽速为15 L/s 的旋片泵。高真空泵包括1 台抽速为10 000 L/s 的低温泵和1 台抽速为1600 L/s 的分子泵。

图4 真空系统组成原理图 Fig.4 The principle diagram of vacuum pumping system

粗真空泵机组同时兼做分子泵的前级泵。2 台旋片泵既作为罗茨泵的前级泵，又作为低温泵的再生抽气泵使用。采用分子泵的目的有2 个：一是低温泵的正常工作温度为15 K，从开机至泵温达到15 K 需要2.5 h，在这一时间段先用分子泵抽气，热沉通液氮后容器内可以达到10-3Pa 的真空度，低温泵在高真空和低温状态下工作，可以很快到达极限真空；二是低温泵在高真空状态下工作，其气体负荷小，可以拉长低温泵再生周期。

2.2.2 抽气流程

各机组分段抽气：1）由大气压力至10 Pa 时用粗真空泵机组抽气；2）10～5×10-3Pa 时用分子泵抽气；3）5×10-3～1×10-4Pa 时启动低温泵。

2.2.3 各泵抽气能力计算

真空系统主泵抽气能力计算如下[7]：

1）主泵抽气口的流导

短管（φ50 cm×15 cm）流导为C1=Cmα=17 142 L/s。其中，Cm=100 835 L/s；辛克劳系数α=0.17。

插板阀流导为C2= 51 000 L/s。

总流导为C=1/(1/C1+1/C2)=12 830 L/s。

2）低温泵抽速

低温泵对容器的有效抽速为Se=SpC/(Sp+C)=5620 L/s。

低温泵的最大抽气能力为q：真空度P=5× 10-4Pa 时，q=PSe=2.81 Pa·L/s；P=1×10-4Pa 时，q= 0.56 Pa·L/s。

3）常温空载极限真空度Pi=P0+(q0/Se)，其中泵的极限压力P0=5×10-8Pa。根据设备实际情况估算，常温下真空容器放气率q1=8.36×10-3Pa·L/s；热沉放气率q2=1.38× 10-1Pa·L/s；容器总放气率q1+q2=8.36×10-3+ 1.38 × 10-1= 1.46×10-1(Pa·L/s)。

漏气率q3=5×10-2Pa·L/s。

总漏放率q0=q1+q2+q3=1.96×10-1Pa·L/s。

则常温时，Pi=3.5×10-5Pa。

2.3 氮系统

1）液氮系统

此设备采用开式沸腾流程，在室外设置一定容积的自增压液氮储槽。液氮通过主管（杜瓦管）输送到分配管路，由分配管路将液氮输送到各部分热 沉和冷板。通过对液氮管路的流量控制，使热沉温度保持稳定。液氮在热沉内汽化后通过位于热沉顶部的总排气管道排出室外。3 部分热沉的排气主管道在真空容器外部汇集为一根总排气管道。

2）气氮系统

试验结束后，停止向热沉供给液氮。另外，同时将液氮通入汽化器，通过电加热器对进入汽化器的液氮进行加热，使之汽化。气氮分成2 路：一路为供热沉快速复温的热氮气，一路为供真空容器复压的常温氮气。

热沉复温：将热氮气通入热沉，同时用加热笼对热沉进行烘烤，通过贴在热沉上的铂电阻温度传感器（测量点/控制点）传回反馈量，将热沉温度烘烤到高于25 ℃，实现热沉的复温。

真空容器复压：将常温氮气通入真空容器，并通过调节阀控制进气流量，将复压时间控制在5～30 min 范围内。

2.4 去污染系统

去污染系统主要结构为烘烤筒，是由屏蔽保温罩与加热笼组合而成的圆筒状结构，其两端开口，安装在液氮热沉内部，且与真空容器同轴。烘烤筒主体为加热笼，加装可拆卸的双层反射屏蔽保温罩。加热笼由镍铬加热带纵向绕圆周分组布置，用聚四氟乙烯固定在龙骨上。加热笼分3 组加热，每组安装一个铂电阻测温元件独立加热控温，工作温度50～120 ℃，组与组之间控制精度±2 ℃。加热笼的工作电压150 V，总功率3.6 kW。屏蔽保温罩由双层镜面不锈钢制成，内外层对加热笼热量进行2次隔离，能起到更好的保温作用。

在整个烘烤期间须维持烘烤筒内部温度高于试件温度，以防止试件释放出来的污染物凝结在烘烤筒的内壁上。污染物被真空系统抽出，或者凝结在由液氮制冷的热沉壁上。在进行烘烤试验之后，烘烤筒的温度缓慢下降，以防试件仍在放气的挥发物凝结在烘烤筒的内壁。

该烘烤筒内部装有导轨供工件小车进出，工件须定位于烘烤筒的中心；烘烤筒外部配有轮子，以便于进出真空容器。烘烤筒安装和拆卸方便，便于在试验前进行清洁。

在容器后封头部位安装有液氮去污盘管和污染吸附片。整个试验过程中去污盘管和污染吸附片持续通液氮，以吸附试件释放出的挥发物。系统配备石英晶体微量天平对试验过程中的污染量进行全过程测量。

2.5 电气控制系统

用工控机和可编程序控制器实现真空系统程序控制和手动控制，这2 种控制方式均在人机界面上操作，且可以切换。控制系统具备：互锁、提示、故障报警，压力超限报警，温度超限报警；自动控制石英晶体微量天平温度；自动控制热笼烘烤筒温度；实时动态曲线显示压力、温度等测量参数及输出打印等功能。

系统面板图可以用动作、颜色显示系统的工作状态，以及容器内的压力。

3 试验测试

将结构与机构产品模拟试件放入容器进行+120 ℃抽真空能力测试。在通入液氮，有载状态，且热沉温度≤100 K 时，测量容器真空度优于1.5×10-4Pa。

将200M 腈纶丝套管放入容器进行+80 ℃烘烤测试，并用石英晶体微量天平进行污染物挥发量监测。开机后，石英晶体微量天平测量的初始值为4.554 3×10-7g/cm2；45min 后为4.556 7×10-7g/cm2，变化量为2.4×10-10g/cm2；又经65 min 后为4.553 7× 10-7g/cm2，变化量为-6×10-11g/cm2，并趋于稳定，单位时间内挥发量已经变得很小。由此可见，该套设备具备有效的烘烤去污染能力。

该套设备可以进行±100 ℃范围内的热真空试验，试验过程中真空度优于1.0×10-3Pa，控温精度优于±0.5 ℃。此外，该套设备烘烤筒上的屏蔽保温罩拆卸方便，拆下后，加热笼可以独立工作。

4 结束语

用于结构与机构污染物去除的真空烘烤设备同时具备真空烘烤和热真空试验的功能，适用于各类单机产品。自投入使用以来，设备运行状况良好，利用率较高，已成功完成了多次结构与机构产品的去污染真空烘烤试验和热真空试验。今后还需对污染物去除的真空烘烤工艺流程进行优化研究，以更好地服务于航天器研制过程中的污染控制。

（References）

[1] 周传良.航天器研制全过程污染控制工程[J].航天器环境工程,2005,22(6): 335-341 Zhou Chuanliang.Contamination control through entire process of spacecraft development[J].Spacecraft Environment Engineering,2005,22(6): 335-341

[2] Lillis M C,Youngstron E E,Marx L M,et al.Space flight ecperiments to measure polymer erosion and contamination on spacecraft,NASA TM-2002-211553[R]

[3] 黄本诚,马有礼.航天器空间环境试验技术[M].北京: 国防工业出版社,2002: 220-222

[4] 周传良.高度污染敏感有效载荷的真空烘烤技术[J].航天器环境工程,2006,23(6): 340-343 Zhou Chuanliang.Vacuum bakeout technology for spacecraft payload with high sensitive contamination[J].Spacecraft Environment Engineering,2006,23(6): 340-343

[5] 张立伟,张文杰,魏仁海,等.不锈钢管铜翅片热沉制造关键技术[J].航天器环境工程,2008,25(6): 587-590 Zhang Liwei,Zhang Wenjie,Wei Renhai,et al.The manufacturing technique of stainless steel pipe and copperplate structure in heat sink[J].Spacecraft Environment Engineering,2008,25(6): 587-590

[6] 邹定忠,刘敏,刘国青.热沉设计技术[J].中国空间科学技术,2002,22(3): 21-25 Zou Dingzhong,Liu Min,Liu Guoqing.Design of a thermal shroud attached to KM6 space simulator[J].Chinese Space Science and Technology,2002,22(3): 21-25

[7] 达道安,邱家稳,肖祥正.真空设计手册[M].3版.北京: 国防工业出版社,2006: 769-789