第十一章空间真空环境及其效应1

1、第二章 空间真空环境及试验技术空间真空环境及试验技术 2.1 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（气压和分子密度同步变化，标准状态（0 C，101325Pa） 下，气体的分子密度为下，气体的分子密度为2.6870 1025/m3； ；真空度为 真空度为1.33 10- 4Pa时，气体分子密度为 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。不存在的。 v真

2、空区域划分：真空区域划分： v 根据国军标根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段：，真空区划分为如下区段： v低真空：低真空：105102Pa （050Km) v中真空：中真空： 10210-1Pa （5090Km) v高真空：高真空： 10-110-5Pa （90330Km) v超高真空：超高真空： 10-5Pa （330Km以上以上) v空间真空度随高度变化情况 v海平面： 101308Pa v100km, 2.6410-2Pa; 500km, 9.5210-8Pa v200km, 7.5010-5Pa; 600km, 4.1210-8Pa v300km, 5.9610-6 P

3、a;700km, 1.8510-8Pa v400km, 8.6910-7 Pa; 800km,1.0310-8Pa v1 200km处处,大气压力大气压力10-9Pa； v10 000km处处,大气压力为大气压力为10-10Pa； v月球表面大气压力为月球表面大气压力为10-10 Pa10-12Pa，大，大 约相当于有约相当于有100个氢分子个氢分子/cm3; v银河系星际大气压力为银河系星际大气压力为10-13 Pa10-18Pa。 v真空测量单位真空测量单位 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。用在单位面积

4、上的力的法向分量。 v（1）国际单位）国际单位 v 通常用压力单位通常用压力单位Pa（帕）表示，（帕）表示，1Pa 为为1m2面积面积 上作用上作用1N的力，即：的力，即： 1Pa= 1N/ m2 v（2）高斯单位）高斯单位 v 通常用压力单位通常用压力单位Tor（托）表示，（托）表示，1 Tor=133Pa v1、压力差效应 v压力差效应在105Pa102Pa的真空范围内发生。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

5、窒 息死亡。 2.2 真空环境效应 v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漏而产生故障。 v2、真空放电效应 v真空放电效应发生在103Pa10-1Pa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10-2P

6、a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） v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，甚至产生永久性失效。 电子元器件故障或失效 v3、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

7、，脱离 材料； v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， 增加电器元件的接触电阻等。 v4、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

8、作为航天器材料的 标准。 v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。 v5、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

9、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 v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、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）。 v6、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

10、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。 2.3.1 分类：分类： v物理模拟是指模拟空间的实际真空环境。 v效应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 2.3.2 真空容器：真空容器： 1. 结构形式：结构形式：圆柱、箱形、球、圆锥圆柱、箱形、球、圆锥 圆柱：强度、材料消耗、空间利用率、制造性等圆柱：强度、材料消耗、空间利用率、制造性等 综合性能好。综合性能好。 小型罐：小型罐：02m直径直径 中型罐：中型罐：26m直径直径 大型罐：大型罐：6m以上直径以上直径

11、 2. 材料：材料：不锈钢不锈钢 1Cr18Ni9 KM6空间模拟器空间模拟器 真空容器由三个容器组成：真空容器由三个容器组成： 主容器（立式）：直径主容器（立式）：直径12m， 高高22.4m 辅容器（卧式）：直径辅容器（卧式）：直径7.5m， 长长15m 载人试验舱：载人试验舱： 直径直径5m， 长长15m 总容积：总容积： 3200m3 总质量：总质量： 420t 3. 尺寸：尺寸： DM：模拟器有效直径，：模拟器有效直径， DV：航天器特征尺寸：航天器特征尺寸 11 2 1 1 1 )( V M D D 1 1：试验误差，设定：试验误差，设定3% 1：热沉发射率，取：热沉发射率，取0.

12、9 热沉：对光、热、气体分子有强吸收能力的能够模热沉：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，拟空间冷黑环境的结构，用铜、铝、不锈钢制造， 表面黑色。表面黑色。 94. 1)( V M D D v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 2.3.3 真空抽气系统：真空抽气系统： 要求：要求：空间环境模拟室具有体积大、环境清洁、放气空间环境模拟室具有体积大、环

13、境清洁、放气 量大、真空度高、抽气速度要求快等特点，因此对配量大、真空度高、抽气速度要求快等特点，因此对配 置和选择置和选择真空泵真空泵的方法、真空系统的设计程序和结构的方法、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 提出更高的要求提出更高的要求 真空抽气系统的选择：真空抽气系统的选择： （1）小型热真空罐：真空度优于）小型热真空罐：真空度优于10-4Pa，前级用机械，前级用机械 泵，低温泵、分子泵或油扩散泵，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）大型环境模拟器：真空度优于10-4Pa，前

14、级用机，前级用机 械泵，用低温泵，避免油污染。械泵，用低温泵，避免油污染。 真空抽气系统的选择：真空抽气系统的选择： （3）冷焊、干摩擦试验设备：真空度优于）冷焊、干摩擦试验设备：真空度优于10-7Pa，用，用 低温泵、分子泵，无油抽气低温泵、分子泵，无油抽气 （4）发动机羽流污染试验设备：真空度优于）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。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）火箭发动机点火试验设备：真空度优于10-4Pa， 用空气引射泵、扩压器、油扩散泵、低温泵，试验真用空气引射泵、扩压器、油扩散泵、低温泵，试

15、验真 空下点火、燃烧、再启动性能空下点火、燃烧、再启动性能 （6）航天员训练舱：真空度优于）航天员训练舱：真空度优于10-2Pa，用水环泵、，用水环泵、 罗茨泵、机械泵罗茨泵、机械泵 v机械泵：有叶片式、螺杆式、柱塞式等，价格低机械泵：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油扩散泵：利用低压、高速油蒸汽射流原理的真空 泵，抽速大泵，抽速大 德国机械泵德国机械泵油扩散泵油扩散泵 v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

16、空泵（罗茨风机）。 v电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、 B-A真空规、石英真空规、石英 真空计、全量程真空规真空计、全量程真空规 v真空计的选择：真空计的选择： v（1） 105102Pa 压阻真空计、静态变形式真空计压阻真空计、静态变形式真空计 v（2） 10210-1Pa 热偶真空计热偶真空计 v（3） 10-110-4Pa 电离真空计电离真空计 v（4） 10-410-8Pa B-A真空规真空规 v（5） 10510-7Pa 全量程真空规全量程真空规 2.4 真空度测量技术 v热偶真空计热偶真空计 气体分子热传导与压力有关。在一玻璃管壳中支撑一根热

17、丝，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，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。的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。 v电离真空计电离真空计 利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随 电力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空电力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离

18、真空 计和放射性电离真空计等。计和放射性电离真空计等。 电离真空规电离真空规 BA真空规真空规 热偶真空规热偶真空规 v压力测量的特殊性压力测量的特殊性 v1)定向压力效应定向压力效应 v分子沉：分子沉：太空的分子密度十分稀薄，从航天器飞出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。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所以广阔的太空是个具有无限抽气速率的“分子分子 沉沉”。 v在空间模拟室内，真空规面向试件所测得的分子流在空间模拟室内，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

19、值压力值比面向真空容器壁板所测得的分子流压力值 高高12个数量级。这就是个数量级。这就是分子沉效应分子沉效应，因此试验中，因此试验中 应考虑真空规管安装的位置、方向、形式，以真实应考虑真空规管安装的位置、方向、形式，以真实 反映真空度。反映真空度。 v2)快速真空度测量快速真空度测量 v在发动机高空点火模拟试验中，要求测出在发动机高空点火模拟试验中，要求测出2次点火次点火 之间短时压力的快速变化。在火箭发射阶段的模拟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。量级

20、，因此要求高精度、宽量程、高可靠性。 v3)超音速气流真空度测量超音速气流真空度测量 v在低密度级风洞（压力大于在低密度级风洞（压力大于10-2 Pa），将会遇到马），将会遇到马 赫数为赫数为110的超音速气流。在太阳风的模拟中，的超音速气流。在太阳风的模拟中， 将会遇到将会遇到300km/s500km/s的超音速等离子体的超音速等离子体 （质子加电子），密度约（质子加电子），密度约10个个/cm3。 航天器中的天线运转、太阳电池阵的展开和百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，姿控系统中的红外地叶窗的开闭等都有转动机构，姿控系统中的红外地 平仪、动量轮、空间探测

21、仪器，其对接与分离机构平仪、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 v2.5.1 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

22、蒸气直接向空间蒸发。 v2.5.2 空间真空环境下的固体润滑技术 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。 v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。 v2.5.3 自润滑材料 v 石墨、陶瓷、复合材料等 1）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/B 2.6 空间真空检漏技术 1）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，