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1、第十一章空间真空环境及其效应12023/5/27 第十一章空间真空环境及其效应12.1 空间真空环境v 是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气压的分子密度。v 气压和分子密度同步变化，标准状态（0 C，101325Pa）下，气体的分子密度为2.6870 1025/m3；真空度为1.33 10-4Pa 时，气体分子密度为3.24 1016/m3。v 完全没有气体的空间状态称为绝对真空，绝对真空实际上是不存在的。第十一章空间真空环境及其效应1v 真空区域划分：v 根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段：v 低真空：105102Pa（05
2、0Km)v 中真空：10210-1Pa（5090Km)v 高真空：10-110-5Pa（90330Km)v 超高真空：10-5Pa（330Km 以上)第十一章空间真空环境及其效应1v 空间真空度随高度变化情况v 海平面：101308Pav 100km,2.6410-2Pa;500km,9.5210-8Pa v 200km,7.5010-5Pa;600km,4.1210-8Pav 300km,5.9610-6 Pa;700km,1.8510-8Pav 400km,8.6910-7 Pa;800km,1.0310-8Pa 第十一章空间真空环境及其效应1v 1 200km 处,大气压力10-9Pa；
3、v 10 000km 处,大气压力为10-10Pa；v 月球表面大气压力为10-10 Pa 10-12Pa，大约相当于有100 个氢分子/cm3;v 银河系星际大气压力为10-13 Pa 10-18Pa。第十一章空间真空环境及其效应1v 真空测量单位v 真空度通常可以用压强表示，压强为气体分子作用在单位面积上的力的法向分量。v（1）国际单位v 通常用压力单位Pa（帕）表示，1Pa 为1m2面积上作用1N 的力，即：1Pa=1N/m2v（2）高斯单位v 通常用压力单位Tor（托）表示，1 Tor=133Pa第十一章空间真空环境及其效应1v 1、压力差效应v 压力差效应在105Pa 102Pa 的
4、真空范围内发生。压力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。v 真空环境下的泄漏故障v 约的重大故障与真空环境泄漏有关。v 年月日苏联“联盟”号飞船的名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒息死亡。2.2 真空环境效应第十一章空间真空环境及其效应1v 据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有枚火箭发生爆炸。其中：有造成火箭发动机试验时提前关机或未能二次点火；有火箭升空后未达到预定推力，卫星偏离轨道不能入轨；有火箭升空后引起爆炸，星箭自毁等。v 据统计，全世界至少有颗卫星因泄漏而发射失败，多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使用功能。v 我国也有颗卫星因泄
5、漏而产生故障。第十一章空间真空环境及其效应1v 2、真空放电效应v 真空放电效应发生在103Pa 10-1Pa 低真空范围。当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防止任何放电的可能。（短路故障）v 当真空度达到10-2Pa 或更高时，在真空中分开一定距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电子，形成微放电。（电弧放电故障）第十一章空间真空环境及其效应1v 金属由于发射次级电子而受到侵蚀，电子碰撞会引起温度升高，而使附近气体压力升高，甚至会造成严重的电晕放电。射频空腔波导管等装置有可能由于微放电而使其性能下降，甚
6、至产生永久性失效。电子元器件故障或失效第十一章空间真空环境及其效应1v 3、真空出气效应v 当真空度高于10-2Pa 时，气体会不断地从材料表面释放出来。这些气体的来源是：v 原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附；v 原先溶解于材料内部的气体，在真空状态下从材料内部向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离材料；第十一章空间真空环境及其效应1v 渗透气体通过固体材料释放出来v 分子污染 航天器材料在空间真空环境下出气，通过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上造成的污染，称为分子污染。v 严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度，改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率，增
7、加电器元件的接触电阻等。第十一章空间真空环境及其效应1v 4、材料蒸发升华和分解效应v 材料在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称质损），造成有机物的膨胀，改变材料原有性能如热物理性能和介电性能等。v 一般质损1%2%时，材料的宏观性质无重大变化；但质损达时，材料性质出现明显的变化。因此，一般把每年质损小于作为航天器材料的标准。第十一章空间真空环境及其效应1v 航天器表面材料不均匀的升华，引起表面粗糙，使航天器表面光学性能变差。在高真空下材料的内、外分界面可能变动，引起材料机械性能的变化。由于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜，因而可能改变材料表面的适应系
8、数及表面辐射率，显著改变材料的机械性能、蠕变强度和疲劳应力等。第十一章空间真空环境及其效应1v 5、粘着和冷焊效应v 粘着和冷焊效应一般发生在10Pa 以上的超高真空环境下。v 发生机理：在真空中固体表面的吸附气膜、污染膜以致氧化膜被部分或全部清除，从而形成清洁的材料表面，使表面之间出现不同程度的粘合现象，称为粘着。如果除去氧化膜，使表面达到原子洁净程度，在一定压力负荷和温度下，可进一步整体粘着，即引起冷焊。v 冷焊发生三要素：高真空、相同金属材料、压力第十一章空间真空环境及其效应1v 危害：活动部件、支承、传动、触点部位都可能出现故障。冷焊将加速轴承的磨损，减少其工作寿命，使电机滑环、电涮、
9、继电器和开关触点接触不良，天线或重力梯度杆展不开，太阳电池阵板、散热百叶窗打不开等。v 防止冷焊的措施：选择不易发生冷焊的配偶材料，在接触表面涂覆固体润滑剂或设法补充液体润滑剂，涂覆不易发生冷焊的材料膜层（碳化钨涂层）。第十一章空间真空环境及其效应1v 6、真空环境下的热辐射效应v 在空间真空环境下，航天器与外界的传热主要通过辐射形式，因此，航天器表面的辐射特性对航天器的温度控制起着重要作用，为了使航天器保持在允许的热平衡温度下，航天器的热设计必须考虑空间真空环境下传热以辐射与接触传热为主导的效应。第十一章空间真空环境及其效应12.3.1 分类：v 物理模拟是指模拟空间的实际真空环境。v 效应
10、模拟是指空间真空环境模拟试验与空间真空环境试验的一致性.v 数值模拟是用数学模型代替实际系统的模拟试验。2.3 真空环境模拟技术第十一章空间真空环境及其效应12.3.2 真空容器：1.结构形式：圆柱、箱形、球、圆锥 圆柱：强度、材料消耗、空间利用率、制造性等综合性能好。小型罐：02m 直径中型罐：26m 直径大型罐：6m 以上直径2.材料：不锈钢 1Cr18Ni9第十一章空间真空环境及其效应1KM6 空间模拟器真空容器由三个容器组成：主容器（立式）：直径12m，高22.4m辅容器（卧式）：直径7.5m，长15m载人试验舱：直径5m，长15m总容积：3200m3总质量：420t第十一章空间真空环
11、境及其效应13.尺寸：DM：模拟器有效直径，DV：航天器特征尺寸1：试验误差，设定3%1：热沉发射率，取0.9热沉：对光、热、气体分子有强吸收能力的能够模拟空间冷黑环境的结构，用铜、铝、不锈钢制造，表面黑色。第十一章空间真空环境及其效应1第十一章空间真空环境及其效应1v 模拟器与航天器特征尺寸比的确定 采用太阳模拟方法：3 采用红外模拟方法：1.5 采用接触式电加热法：23 KM6 模拟器：飞船 3 空间站 2.3美国：1.52.5约翰逊试验中心：A 容器 1.92.6 B 容器 1.62.2 第十一章空间真空环境及其效应12.3.3 真空抽气系统：要求：空间环境模拟室具有体积大、环境清洁、放
12、气量大、真空度高、抽气速度要求快等特点，因此对配置和选择真空泵的方法、真空系统的设计程序和结构设计、真空材料的选择，都有所不同，对系统的设计提出更高的要求 真空抽气系统的选择：（1）小型热真空罐：真空度优于10-4Pa，前级用机械泵，低温泵、分子泵或油扩散泵，（2）大型环境模拟器：真空度优于10-4Pa，前级用机械泵，用低温泵，避免油污染。第十一章空间真空环境及其效应1真空抽气系统的选择：（3）冷焊、干摩擦试验设备：真空度优于10-7Pa，用低温泵、分子泵，无油抽气（4）发动机羽流污染试验设备：真空度优于10-5Pa，要求大抽速，用低温泵、油扩散泵。（5）火箭发动机点火试验设备：真空度优于10
13、-4Pa，用空气引射泵、扩压器、油扩散泵、低温泵，试验真空下点火、燃烧、再启动性能（6）航天员训练舱：真空度优于10-2Pa，用水环泵、罗茨泵、机械泵第十一章空间真空环境及其效应1v 机械泵：有叶片式、螺杆式、柱塞式等，价格低v 油扩散泵：利用低压、高速油蒸汽射流原理的真空泵，抽速大德国机械泵 油扩散泵第十一章空间真空环境及其效应1v 分子泵：利用高速旋转的转子把动量传给气体分子，使分子获得速度后排出。无污染。v 低温泵：利用低温表面冷凝气体而获得真空的原理，无污染、真空度大。v 罗茨泵：旋转式变容积真空泵（罗茨风机）。第十一章空间真空环境及其效应1v 电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、B-
14、A 真空规、石英真空计、全量程真空规v 真空计的选择：v（1）105102Pa 压阻真空计、静态变形式真空计v（2）10210-1Pa 热偶真空计v（3）10-110-4Pa 电离真空计v（4）10-410-8Pa B-A 真空规v（5）10510-7Pa 全量程真空规2.4 真空度测量技术第十一章空间真空环境及其效应1v 热偶真空计 气体分子热传导与压力有关。在一玻璃管壳中支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。v 电离真空计 利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产
15、生的离子流随电力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。第十一章空间真空环境及其效应1电离真空规BA 真空规热偶真空规第十一章空间真空环境及其效应1v 压力测量的特殊性v 1)定向压力效应v 分子沉：太空的分子密度十分稀薄，从航天器飞出的分子无碰撞地沉没于无限宇宙空间之中不再返回。所以广阔的太空是个具有无限抽气速率的“分子沉”。v 在空间模拟室内，真空规面向试件所测得的分子流压力值比面向真空容器壁板所测得的分子流压力值高12 个数量级。这就是分子沉效应，因此试验中应考虑真空规管安装的位置、方向、形式，以真实反映真空度。第十一章空间真空环境及其效应1v 2)快速真
16、空度测量v 在发动机高空点火模拟试验中，要求测出2 次点火之间短时压力的快速变化。在火箭发射阶段的模拟中，快速测量压力变化，其反应时间约为几百微秒量级，因此要求高精度、宽量程、高可靠性。v 3)超音速气流真空度测量v 在低密度级风洞（压力大于10-2 Pa），将会遇到马赫数为1 10 的超音速气流。在太阳风的模拟中，将会遇到300km/s 500km/s 的超音速等离子体（质子加电子），密度约10 个/cm3。第十一章空间真空环境及其效应1 航 天 器 中 的 天 线 运 转、太 阳 电 池 阵 的 展 开 和 百叶 窗 的 开 闭 等 都 有 转 动 机 构，姿 控 系 统 中 的 红 外
17、地平 仪、动 量 轮、空 间 探 测 仪 器，其 对 接 与 分 离 机 构中 有 滚 动 轴 承、滑 动 轴 承、齿 轮 等 活 动 部 件，这 些部 件 在 空 间 真 空 环 境 下 要 考 虑 摩 擦、磨 损、润 滑 问题，除 了 选 择 合 适 的 配 偶 材 料，对 润 滑 剂 的 选 用 应考虑在真空下不易挥发、不变质、不污染航天器等2.5 空间真空环境润滑技术第十一章空间真空环境及其效应1v 2.5.1 空间真空环境下的液体润滑技术v 在空间真空环境中用的液体润滑剂应选用饱和蒸气压较低的润滑油，应将其封闭在一个小空间内，以防止蒸气直接向空间蒸发。v 2.5.2 空间真空环境下的
18、固体润滑技术v 固体润滑是利用有润滑性的固体，采用一定的结构形式，达到润滑的目的。第十一章空间真空环境及其效应1v 为了保护相对运动中的表面不受损伤，并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉状固体物质。v 固体润滑剂按种类划分有：层状晶体结构物质、非层状无机物、金属薄膜、塑料、合成膜、化合膜等。v 2.5.3 自润滑材料v 石墨、陶瓷、复合材料等第十一章空间真空环境及其效应11）氦质谱检漏法检漏原理：氦气分子量小、质量轻、操作安全、洁净，适合作为检漏气体。质 谱 仪 的 核 心 部 分 是 电 离 室，氦 气 经 灯 丝 加 热 后进 入 电 离 室，将 氦 气 电 离 成 正 离 子，通 过 加 速
19、 使 离 子 进 入磁 场，磁 力 作 用 下 形 成 圆 弧 轨 道，氦 离 子 质 量 小，轨 道 半径就小，在接收极可被检出。R=144/B2.6 空间真空检漏技术第十一章空间真空环境及其效应11）氦质谱检漏法氦质谱检漏法有如下几种：喷吹法、氦罩法、检漏盒法喷吹法：在被检件外壁可疑漏气部位用氦气喷枪吹氦气氦 罩 法：将 被 检 件 外 壁 用 塑 料 罩 住，抽 走 罩 内 空 气，充入氦气。2）静态法 将 被 检 容 器 抽 真 空 后，用 阀 门 将 泵 隔 离，测 量 其 内 部压 力 的 上 升 情 况，或 将 干 燥 气 体 充 入 被 检 容 器，当 充 到 一定 压 力 后
20、，隔 断 气 源，测 量 被 检 容 器 内 压 力 随 时 间 的 下 降情况，计算其漏率。第十一章空间真空环境及其效应1v 3）Kr85 法v 将含有Kr85 的氮气加压送到被检容器中，而被检容器置于收集器内，若被检容器有漏气存在，泄漏出来的Kr85 气体在风机的作用下流经探头（紫色），通过检测Kr85 的浓度检漏。v 4）真空规法v 将真空规与被检容器相连，用示漏气体喷射可疑之处，如有泄露，则示漏气体进入真空规，真空规显示出气体浓度，从而将泄露检出，常用气体：丁烷、乙醚、氢气、乙醇、丙酮等第十一章空间真空环境及其效应15）气泡法 被 检 件 内 充 以 干 燥 的 高 压 气 体，浸 泡 在 水 等 液体 中，如 果 有 漏 孔，将 会 产 生 一 个 个 气 泡。通 过 观察 气 泡 出 现 的 位 置、大 小 和 速 率 即 可 确 定 漏 孔 的 位置和漏率的大小。6）在轨航天器的真空检漏在 轨 航 天 器 的 真 空 检 漏 一 般 采 用 方 向 规，在 不 同的 位 置、不 同 的 方 向 测 量 其 压 力 差，可 判 断 其 泄 漏的位置及大小。第十一章空间真空环境及其效应1演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew 3rew2023/5/27 第十一章空间真空环境及其效应1