小型化真空泵在火星和地球上发挥大作用

美国“好奇号”火星探测器于2012年8月在“天空起重机”的协助下，降落在火星的盖尔陨坑。正如它的名字一样，“好奇号”火星探测器登陆火星有许多问题需要解答。但其最重要的任务是找出火星上是否拥有或曾经拥有生命生存必要的条件。“好奇号”火星探测器约为一辆小汽车大小，火星样品分析仪（SAM）是其搭载的最重要的仪器之一，主要用于探测火星表面。SAM包含的质谱仪可使火星岩石和气体电离，再通过测量电离分子的质量来研究气体和岩石的组成结构和微观结构。

就像其它需脱离地球引力场而进入太空的仪器一样，SAM及其各种组件和设备都需要具备小尺寸、坚固耐用等特点。真空泵就是SAM的一部分。质谱仪中的真空泵主要用于抽取仪器内部的空气，提供足够的真空度，以进行分析。Creare公司的总裁鲍勃·克兰-肖德（Bob Kline-Schoder）解释说：“为了达到标准要求的灵敏度，质谱仪的内部气压比地球上的标准大气压105Pa要低10个数量级。质谱仪内真空泵实现的压力并不像太空中那么低，但是非常接近。”

火星任务所使用的真空泵必须具有较小的尺寸，但仅体积小还不够。NASA戈达德空间飞行中心的高级工程师罗杰·法利（Rodger Farley）负责SAM的研发工作。他说：“这种真空泵必须具有质轻、高效等特点。此外，其还必须能够经受行星保护规则所要求的热杀菌处理，即：在115℃下暴露60h。世界上现有的真空泵不能满足这些严苛的要求，因此，NASA发起了专为火星任务研发真空泵的项目。”

原位探测及样品回收中心原主任，现任喷气推进实验室（JPL）首席技术专家的帕特丽夏·比彻姆（Patricia Beauchamp）说：“为了帮助工业界理解NASA的需求，JPL在20世纪90年代后期举办了一系列研讨会。这些研讨会汇集了NASA的工程师和工业界的代表。Creare公司是少有的几家能够实现太空质谱仪小型化的公司之一。我们试图扩大范围，希望更多的公司参与进来，因为这是一件非常重要的事情。”她称赞Creare公司是一家有远见的企业，该公司通过一系列小企业创新研究（SBIR）计划项目开发真空泵产品，获得了成功。

该真空泵开发项目由JPL和戈达德空间飞行中心共同管理，从开发用于火星探测器SAM的工具开始。后来，Creare公司获得了一项第三阶段SBIR计划项目合同，致力于研发火星有机分子分析仪—质谱仪（MOMA-MS），计划将其搭载在ExoMars火星探测车上。ExoMars火星探测车是NASA、欧空局（ESA）和俄罗斯联邦航天局的联合火星探测项目，计划在2018年发射。

罗杰·法利说：“最初，Creare公司致力于开发尺寸约为SAM中的真空泵一半的小型化真空泵。但其开发时间计划与火星有机分子分析仪（MOMA）的开发计划产生了偏差。尽管如此，这种微型涡轮分子真空泵仍完成了长达1000h的测试。该真空泵是目前世界上同类产品中尺寸最小的真空泵产品。”

加州理工大学JPL商业技术合作办公室经理迪安·维伯格（Dean Wiberg）说：“Creare公司的真空泵产品研发工作在商业领域获得了巨大的成功。在最初SBIR计划项目工作的基础上，Creare公司开发 出了满足市场需求的商业化产品。”

帕特丽夏·比彻姆指出：“在NASA召开研讨会时，仅有少数几家公司出席了会议。当时的竞争并不激烈，有些人虽然对此很感兴趣，但并没有开发真空泵系统的经验。这可能是因为在当时，很少有类似技术的商业应用需求。”现在，这种情况已发生了改变，Creare公司开发的真空泵产品已经实现了商业化，显现出了广阔的市场前景。

鲍勃·克兰-肖德说：“质谱仪在地球上应用非常广泛。例如，如果发生化学武器袭击或有毒工业化学品泄漏事件，质谱仪可用于确定危险化学物质的成分。此前，应用于这种化学物质成分检测的仪器体积都非常庞大，不便于携带。Creare公司一直在对其已有的小型化真空泵进行改进。近年来，Creare公司已经成功开发出了只有苏打水瓶大小的真空泵。现在，Creare公司为NASA开发的真空泵产品的尺寸仅为苏打水瓶的一半大小，更像是一个干电池。”

小型化真空泵的研发促进了小型质谱仪的发展。Creare公司一直在与几家公司合作，以满足其质谱仪小型化的需求。未来，美国运输安全管理局（TSA）的安检工作人员有望摆脱像两个微波炉叠加大小的仪器，取而代之的是一个仅鞋盒大小的设备，用来检测可能存在的爆炸物。该设备将使安检工作更加便捷。工作人员可以走到排队旅客的旁边，利用该设备检测旅客携带的包裹。这些小型化设备还能够使采矿业受益，例如，可采用质谱仪确定地下土壤及油气藏的组成。

戈达德空间飞行中心行星环境实验室的副主任威廉·布林克霍夫（William Brinckerhoff）说：“随着紧凑型和便携式质谱仪的发展，小型涡轮泵在地球上的市场不断扩大。采用这种小型化真空泵生产的质谱仪在国防、医疗、环保和工业领域均有较大的市场需求。Creare公司近期的研发工作提高了真空泵产品的抗震动性和抗冲击性，使其更加适用于移动及战场等环境。

同时，在火星上，Creare公司的真空泵产品使得“好奇号”火星探测器能够发现生命生存所需要的关键要素，如硫、氮、氢、氧、磷、碳等。这些矿物质表明，火星上过去或许存在水——生命必须的物质之一。 (唐 甜)