空间真空环境及其效应

关于空间真空环境及其效应2.1空间真空环境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。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1.3310-4Pa时，气体分子密度为3.24

1016/m3。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2页,共40页，2024年2月25日，星期天真空区域划分：根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段：低真空：105～102Pa（0~50Km)中真空：102～10-1Pa（50~90Km)高真空：10-1～10-5Pa（90~330Km)超高真空：＜10-5Pa（330Km以上)

第3页,共40页，2024年2月25日，星期天空间真空度随高度变化情况海平面：101308Pa100km,2.64×10-2Pa;500km,9.52×10-8Pa200km,7.50×10-5Pa;600km,4.12×10-8Pa300km,5.96×10-6Pa;700km,1.85×10-8Pa400km,8.69×10-7Pa;800km,1.03×10-8Pa

第4页,共40页，2024年2月25日，星期天1200km处,大气压力10-9Pa；10000km处,大气压力为10-10Pa；月球表面大气压力为10-10Pa～10-12Pa，大约相当于有100个氢分子/cm3;银河系星际大气压力为10-13Pa～10-18Pa。第5页,共40页，2024年2月25日，星期天真空测量单位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。（1）国际单位通常用压力单位Pa（帕）表示，1Pa为1m2面积上作用1N的力，即：1Pa=1N/m2（2）高斯单位通常用压力单位Tor（托）表示，1Tor=133Pa第6页,共40页，2024年2月25日，星期天1、压力差效应压力差效应在105Pa～102Pa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。真空环境下的泄漏故障约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。１９７１年６月３０日苏联“联盟”１１号飞船的３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7页,共40页，2024年2月25日，星期天据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有２０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。据统计，全世界至少有８颗卫星因泄漏而发射失败，１０多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使用功能。我国也有５颗卫星因泄漏而产生故障。第8页,共40页，2024年2月25日，星期天2、真空放电效应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）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9页,共40页，2024年2月25日，星期天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第10页,共40页，2024年2月25日，星期天3、真空出气效应当真空度高于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：①原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附；②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11页,共40页，2024年2月25日，星期天③渗透气体通过固体材料释放出来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。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。第12页,共40页，2024年2月25日，星期天4、材料蒸发升华和分解效应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。一般质损1%～2%时，材料的宏观性质无重大变化；但质损达１０％时，材料性质出现明显的变化。因此，一般把每年质损小于１０％作为航天器材料的标准。第13页,共40页，2024年2月25日，星期天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。第14页,共40页，2024年2月25日，星期天5、粘着和冷焊效应粘着和冷焊效应一般发生在10－７Pa以上的超高真空环境下。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。冷焊发生三要素：高真空、相同金属材料、压力第15页,共40页，2024年2月25日，星期天危害：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。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16页,共40页，2024年2月25日，星期天6、真空环境下的热辐射效应在空间真空环境下，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17页,共40页，2024年2月25日，星期天2.3.1分类：物理模拟是指模拟空间的实际真空环境。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.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18页,共40页，2024年2月25日，星期天2.3.2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：0~2m直径中型罐：2~6m直径大型罐：6m以上直径2.材料：不锈钢

1Cr18Ni9第19页,共40页，2024年2月25日，星期天KM6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20页,共40页，2024年2月25日，星期天3.尺寸：DM：模拟器有效直径，DV：航天器特征尺寸δ1：试验误差，设定3%ε1：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21页,共40页，2024年2月25日，星期天第22页,共40页，2024年2月25日，星期天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：2~3KM6模拟器：飞船3空间站2.3美国：1.5~2.5约翰逊试验中心：A容器1.9~2.6B容器1.6~2.2

第23页,共40页，2024年2月25日，星期天2.3.3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24页,共40页，2024年2月25日，星期天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10-4Pa，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25页,共40页，2024年2月25日，星期天机械泵：有叶片式、螺杆式、柱塞式等，价格低油扩散泵：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26页,共40页，2024年2月25日，星期天分子泵：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。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。罗茨泵：旋转式变容积真空泵（罗茨风机）。第27页,共40页，2024年2月25日，星期天电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、B-A真空规、石英真空计、全量程真空规真空计的选择：（1）105～102Pa压阻真空计、静态变形式真空计（2）102～10-1Pa热偶真空计（3）10-1～10-4Pa电离真空计（4）10-4～10-8PaB-A真空规（5）105～10-7Pa全量程真空规2.4真空度测量技术第28页,共40页，2024年2月25日，星期天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。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29页,共40页，2024年2月25日，星期天电离真空规BA真空规热偶真空规第30页,共40页，2024年2月25日，星期天压力测量的特殊性1)定向压力效应分子沉：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”。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1~2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31页,共40页，2024年2月25日，星期天2)快速真空度测量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。3)超音速气流真空度测量在低密度级风洞（压力大于10-2Pa），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32页,共40页，2024年2月25日，星期天

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33页,共40页，2024年2月25日，星期天2.5.1空间真空环境下的液体润滑技术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。2.5.2空间真空环境下的固体润滑技术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34页,共40页，2024年2月25日，星期天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。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。2.5.3自润滑材料石墨、陶瓷、复合材料等第35页,共40页，2024年2月25日，星期天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。