大口径外置式低温泵对氙气抽气性能测试

1、文章编号:大口径外置式低温泵对氙气抽气性能测试凌桂龙1，位立军2，蔡国飙1(1. 北京航空航天大学宇航学院，北京 ；2. 93469部队)摘 要：为满足我国某型号电推进羽流实验需求，设计了大口径外置式低温泵氙气抽速测试系统，采用流量计法进行1250型大口径外置式低温泵氙气抽速测试。测试结果表明，双泵对氙气平均有效抽速52200L/s，单泵对氙气平均有效抽速27100L/s，二者比值1.93，认为大口径外置式低温泵的数量对抽速具有线性叠加性，且叠加系数与气体种类无关；大口径外置式低温泵的有效抽速低于名义抽速，平均抽气效率0.83；相同进气条件下，大口径外置式低温泵对氙气和氮气平均有效抽速比为0.

2、53，略小于理论抽速比0.55。上述研究结果对评估大口径外置式低温泵设计指标和指导工程应用具有一定参考意义。关键词: 大口径外置式低温泵；氙气；抽速测试中图分类号：TB771文献标识码: AStudy on Pumping Speed of Cryopump for XeLing Guilong1, WEI Lijun2, Cai Guobiao1(1-School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing , China; 2-Unit 93469)Abstract: The xe

3、non pumping speed testing system of the large-diameter external cryogenic pump was designed to meet the plume test requirements of a prototype electric propulsion. The flow meter method was utilized to measure the xenon pumping speed. The test results show that the averaged effective pumping speed o

4、f dual cryogenic pumps is 52200L/s, and that of single cryogenic pump is 27100L/s. The pumping speed ratio of two configurations is 1.93. It can be concluded that the pumping speed is in linear relationship with the number of cryogenic pump, and the coefficient is irrelevant with the gas type. The a

5、veraged effective pumping speed of xenon is less than its nominal pumping speed, and the averaged pumping efficiency is 0.83. Under the identical inflow conditions, the averaged effective pumping speed ratio of nitrogen is 0.53, slightly less than the theoretical pumping speed ratio of 0.55. Consequ

6、ently, it can be concluded that results assessment of large-diameter external cryogenic pump design index and guide the engineering application has certain reference significance.Key words: large-diameter external cryogenic pump; xenon; pumping speed testing北京航空航天大学宇航学院研制的“真空羽流效应实验系统”（PES）是多用途实验装置，主

7、要用于航天姿、轨控发动机化学推进及电推进真空羽流实验研究1。该系统中真空舱为卧式圆筒形，内径5.2m，长12.6m2，靠真空获取系统为其提供实验所需的各种真空环境3。其中，粗真空抽气系统以罗茨泵机组为主；高真空抽气系统以大口径外置式低温泵为主；超高真空抽气系统以液氮热沉、液氦热沉等内置式深冷泵为主。目前，空间推进技术的一个主要发展趋势是电推进，而电推进离子推力器主要采用氙气（Xe）作为工作介质。我国某型号电推进离子推力器推力mN级，氙气流量14sccm（标准状态下14mL/min），为保证测量精度，实验时要求舱内动态真空度优于510-3Pa。为尽量减小干扰，实验要求舱内未安装热沉的条件下进行，

8、仅靠外置式低温泵维持高的动态真空度。抽速是衡量外置式低温泵抽气性能的重要参数，抽速不仅与被抽气体种类有关，还和真空舱容积及安装位置等参数有关。开展外置式低温泵对氙气抽速测试的意义重大，为提高电推进羽流实验精度，实验前需要对已安装在真空舱上的外置式低温泵进行氙气抽速测试，最终获得外置式低温泵对氙气的真实有效抽速。文献4-5给出了外置式低温泵和扩散泵对氙气的抽速是其对空气抽速的0.46倍，文献6给出了F-400/3500分子泵、F-250/1500两台分子泵对氙气抽速的测试结果，即在泵口真空度处于110-3110-2Pa范围内，对氙气抽速相当于其对N2抽速的0.60.8倍。国内尚未开展外置式低温泵

9、对氙气抽速的测试研究。本文介绍了1250型大口径外置式低温泵对氙气抽速测量的实验设备、实验方法，给出了氙气抽速测试结果及氙气与氮气抽速比，对评估外置式低温泵设计指标和指导工程应用具有一定参考意义。1 实验设备与测试方法1.1 实验设备利用PES系统进行氙气抽速测试，主泵选用两台国内研制的1250型大口径外置式低温泵。设计的低温泵氙气抽速测试系统如图1所示，实验在容积250m3的真空舱中进行，实验设备主要由氙气瓶、减压阀、流量计、电磁阀、罗茨泵机组、外置式低温泵及热阴极电离规组成，设备主要性能见表1。图 1 外置式低温泵氙气抽速测试系统Fig.1 Xenon pumping speed test

10、ing system of the large-diameter external cryogenic pump表 1 主要参试设备Table1 Main testing apparatus序号设备名称性能指标1真空舱内径5.2m，长12.6m。2粗真空抽气系统由两套罗茨泵机组构成，每套罗茨泵机组均由WSU2001FC变频罗茨泵和SP630螺杆泵组成，极限真空度优于5Pa。3高真空抽气系统由两台1250型外置式低温泵、两台TW1600分子泵、一台SL300分子泵、一台SV40BI旋片泵组成，极限真空度优于510-5Pa。4氙气源氙气瓶存储，纯度99.999%，瓶内压力3MPa，自带减压阀，气源

11、供气压力0.2MPa。5流量计量程015sccm，标定气体N2，对氙气转换系数1.4316热阴极电离规量程610-8110-1Pa，标定气体N2，对氙气转换系数2.711.2 实验方法虽然我国经过真空技术标准化工作，已经建立了一套满足真空工业的标准体系7-8，但国家标准中规定的抽速测量方法仅限于泵口直径不大于400mm的外置式低温泵，其基本测量原理是利用专门设计的测试罩，通过分别测量不进气和一定进气量条件下测试罩特定位置处的稳态真空压力值，得到的是外置式低温泵的名义抽速。而对于泵口直径1250mm的大口径外置式低温泵，目前我国还未制定抽速测量的国家标准。本文采用流量计法进行氙气抽速测量，即测试

12、过程中向舱内充入的气体流量为标准值。正常启动外置式低温泵运行，当舱内压力达到或接近极限压力时，开始进行抽速测试。向舱内通入压力一定、流量已知的氙气，通过热阴极电离规测量舱内指定位置的压力，当舱内压力恒定在某一压强下10min时，记录此时的压力值，通过下式获得外置式低温泵的抽气速度： （1）式中为外置式低温泵的抽速，L/s；为氙气实际流量，PaL/s，其中为氙气实际流量，sccm(mL/min)；为某一流量下舱内达到的平衡压力，Pa；为舱内本底压力，Pa。选用某公司CS200A型质量流量控制器，有效量程015mL/min，响应时间1sec，准确度0.5%。质量流量控制器由N2标定，用来控制氙气流

13、量时，需要利用下式对表头读数进行修正： （2）式中为氙气实际流量，ml/min；1为修正系数，取1=1.431；为流量计显示流量，ml/min。采用北京大学DL-7型真空计进行真空度测量，配有ZJ12型热阴极电离规，舱上装有3支该型电离规，有效量程610-8110-1Pa。低压环境中，气体分子被电离所生成的正离子数通常与气体分子密度成正比，热阴极电离真空规利用此原理测量真空度。由于电离规对气体有选择性，不同气体的电离电位不同，导致存在示数误差。电离规出厂时以N2作为标定介质，测量氙气环境下的真空度时，需要利用下式对读数进行修正： （3）式中为氙气环境下的舱内实际压强，Pa；为氙气修正系数，取=

14、2.71；为真空计显示压强，Pa。2 实验结果及分析搭建的大口径外置式低温泵氙气抽速测试系统实物如下图所示，对两台外置式低温泵同时工作和单台外置式低温泵工作分别进行氙气抽速测试，同时将其与外置式低温泵对氮气抽速进行对比分析。图 2 外置式低温泵氙气抽速测试系统设备照片Fig.2 Photograph of the xenon pumping speed testing system2.1 外置式低温泵对氮气抽速测试为了获得低温泵氙气对氮气的真实抽速比，在对外置式低温泵进行氙气抽速测试前，先对氮气抽气性能进行测试。利用高压氮气瓶供应氮气，氮气纯度99.99%。启动两台外置式低温泵，当舱内压力达到

15、4.710-5Pa时进行氮气抽速测试。氮气流量测试范围110ml/min，测试结果如图3所示，可以看出，随着氮气流量增加，舱内平衡压力逐渐升高，双泵有效抽速在88900L/s区间波动，平均有效抽速96300L/s；单泵有效抽速在4440053600L/s区间波动，平均有效抽速49900L/s；双泵有效抽速为单泵的1.93倍，认为泵的数量对抽速具有线性叠加性；单泵名义抽速60000L/s(出厂时以氮气测试)，大于单泵有效抽速，外置式低温泵的平均抽气效率为0.83。低温泵有效抽速低于名义抽速的主要原因：（1）流动状态对抽速的影响：出厂时，名义抽速采用测试罩测试，气体流动状态为粘滞流，而有效抽速测量

16、中，气体流动状态为分子流，分子流状态下的流导小于粘滞流状态下的流导，造成外置式低温泵的有效抽速下降；（2）真空舱容积及安装位置影响：有效抽速测试中的真空舱容积远大于名义抽速测试中的测试罩容积，且外置式低温泵的安装位置距离放气口较远，导致气体所在空间增大，气体分子随机抵达低温泵冷凝板的时间延长，造成外置式低温泵的有效抽速下降。图 3 外置式低温泵对氮气抽速测试结果Fig.3 Nitrogen pumping speed of the external cryogenic pump2.2 外置式低温泵对氙气抽速测试当舱内压力达到1.910-5Pa时进行双泵抽速测试，氙气流量测试范围115ml/mi

17、n。测试结果如图4所示，可以看出，随着氙气流量增加，舱内平衡压力逐渐升高，双泵有效抽速在4630058300L/s区间波动，平均有效抽速52200L/s；当舱内压力达到3.510-5Pa时进行单泵抽速测试，测试结果如图5所示，单泵有效抽速在2470029200L/s区间波动，平均有效抽速27100L/s；双泵有效抽速为单泵的1.93倍，与氮气环境下测试结果一致，认为泵的数量对抽速具有线性叠加性，这种叠加系数与气体种类无关。图 4 Xenon pumping speed of the dual pumps图 5 单泵对氙气抽速测试结果Fig.5 Xenon pumping speed of th

18、e single pump 2.3 外置式低温泵对氙气、氮气抽气性能比较外置式低温泵对氙气、氮气抽速性能对比如图6所示，可以看出，同等气体流量下，外置式低温泵对氮气抽速远大于对氙气抽速，二者有效抽速比在0.490.55区间波动，平均有效抽速比0.53。图 6 外置式低温泵对氙气、氮气抽速性能对比Fig.6 Xenon and nitrogen pumping speed comparison 分子流状态下外置式低温泵理想抽气速率计算公式9-1112：（4）其中，为外置式低温泵冷板吸附面积，m2；为被抽气体的绝对温度，K；为被抽气体的摩尔质量，氮气28g/mol，氙气131.3g/mol。从上式

19、可以看出，外置式低温泵冷凝吸附分子的抽气速率与温度平方根成正比，与气体摩尔质量平方根成反比，利用公式(2)、(4)得出相同气体体积流量下外置式低温泵对氙气与氮气的理论抽速比为0.55，实测平均有效抽速比0.53略小于此值，充分验证了实验结果的合理性。3 结论设计了大口径外置式低温泵氙气抽速测试系统，采用流量计法，对1250型大口径外置式低温泵进行了氙气抽速测试，并与低温泵对氮气抽气性能进行了对比分析，获得如下主要结论：(1) 单台大口径外置式低温泵对氮气的平均有效抽速49900L/s，低于名义抽速60000L/s，平均抽气效率0.83。(2) 两台大口径外置式低温泵对氙气的平均有效抽速为522

20、00L/s，单台平均有效抽速为27100L/s。(3) 两台大口径外置式低温泵平均有效抽速为单台的1.93倍，认为泵的数量对抽速具有线性叠加性，且叠加系数与气体种类无关。(4) 相同气体体积流量下，低温泵对氙气抽速远小于对氮气抽速，二者平均有效抽速比为0.53，略小于理论抽速比0.55。研究表明，大口径外置式低温泵的抽速主要与被抽气体种类有关，同时真空舱容积及低温泵的安装位置对抽速测试有一定影响。对评估外置式低温泵设计指标和指导工程应用具有一定参考意义。参考文献：1 凌桂龙, 王文龙, 蔡国飙, 张建华. 用于发动机羽流实验研究的液氦热沉设计J. 航空动力学报, 2011, 26(11): 2

21、630-2635.2 王文龙, 周建平, 蔡国飙. 羽流效应地面模拟实验系统关键技术发展J. 航空动力学报, 2012, 27(4), 900-906.3 凌桂龙, 蔡国飙, 张建华. 基于真空羽流实验的洁净真空系统设计J. 航空动力学报, 2013, 28(5): 2013-1179.4 Spores R A. The USAF electric propulsion programRIEPC-99-005, 19995 Curran F M. Electric propulsion activities in U.S. industryR. IEPC-99-001, 1999.6 Kim

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23、lectric propulsion activities and programmesR. IEPC 2001-006, 2001.10 Takegahara Haruki. An overview of electric and advanced propulsion activities in JapanR.IEPC 2001-004, 2001.11 达道安. 真空设计手册M. 北京: 国防工业出版社, 2004.12 Sarver-Verhey T R. Extended Testing of Ion Thruster Hollow CathodeR. AIAA92-3204. 1992.13 郭宁, 邱家稳, 江豪成. 分子泵对