基于真空羽流試驗的潔凈真空系統設計
研制的潔凈真空系統可用于真空羽流試驗及熱真空試驗研究。詳細介紹了真空系統的組成、方案設計及工作模式；計算了不同工作模式下的真空抽氣時間；分別對羅茨泵機組、分子泵及低溫泵進行了容器極限抽速測試，測試結果表明，滿足技術指標；最后對真空容器壓力維持能力進行了測試，測得容器平均壓升率為0.111Pa/h，對應的平均漏氣率為7.24Pa·L/s，真空容器達到了較高的工藝水平.真空系統有多種工作模式供選擇，可根據試驗需求及故障模式選取，增加了“真空羽流效應實驗系統”運行的實用性和經濟性。
北京航空航天大學研制的“真空羽流效應實驗系統”是多用途試驗裝置，主要用于航天姿軌控發動機真空羽流試驗研究，同時兼顧衛星等熱真空試驗。
該多用途試驗裝置中的主體試驗艙為臥式圓筒形，內徑為5.2m，長為12.6m，真空系統是其重要分系統，可為其提供各種真空試驗環境。所設計的清潔真空系統主要包括粗真空系統、高真空系統、超高真空系統、真空測量系統、殘余氣體分析系統、艙體復壓系統及液氮供應系統.其中，粗真空系統以羅茨泵機組為主，高真空系統以低溫泵為主，并配有輔助渦輪分子泵，超高真空系統以液氮熱沉、液氦熱沉等內置式深冷泵為主。
此外，低溫泵還配有預抽系統及再生系統，采用分子泵對低溫泵腔體預抽及再生。預抽系統可將低溫泵腔體抽至帕級以下，防止低溫泵過早飽和；再生系統可抽除低溫泵飽和后表面吸附的冷凝氣體，使低溫泵及時恢復原來的抽氣能力。
1、真空系統主要設計指標
所設計的真空系統如圖1所示，其主要設計指標如下：
圖1 真空系統示意圖
1)粗真空系統2h內將容器真空抽至5Pa；僅低溫泵抽氣時，容器極限真空優于1.3×10-4Pa；低溫泵、液氮熱沉同時工作時，容器極限真空優于5×10-5Pa；低溫泵、液氮熱沉及液氦熱沉同時工作時，容器極限真空優于5×10-7Pa。
2)發動機真空羽流試驗時，以氮氣為試驗工質，當質量流量為2～10g/s、試驗氣體總溫為300～1000K時，容器動態真空優于10-2Pa。
3)衛星等熱真空試驗時，當放氣量為50Pa·L/s時，容器動態真空優于5×10-4Pa。
4)潔凈復壓系統先用氮氣將容器復壓至1000Pa，再用潔凈空氣2.5h內將容器復壓至常壓。
5)真空測量系統的測壓范圍為10-8～105Pa。
2、真空系統方案設計
“真空羽流效應實驗系統”具有體積大(235m3)、環境清潔(無油)、抽速大(最高可達1×107L/s)、真空度高(靜態極限真空為5×10-7Pa)等特點.粗真空系統主要由兩套羅茨泵機組構成，每套羅茨泵機組均由WSU2001FC變頻羅茨泵和SP630螺桿泵組成，同時羅茨泵還配有旁路管道，能夠在螺桿泵單獨工作時使氣體不流經羅茨泵，增加管路流導.高真空系統主要由兩臺Coolvac 60000BL-V LN2低溫泵、兩臺TW1600分子泵、一臺SL300分子泵、一臺SV40BI旋片泵組成，主要靠低溫泵獲取高真空；TW1600分子泵用于輔助抽氣，僅在系統有特殊需求時使用，主要用于抽除氫、氦等惰性氣體；SL300分子泵既可以作為TW1600分子泵前級使用，又可以用于低溫泵的預抽及再生；SV40BI旋片泵既可以作為SL300分子泵的前級，又可以用于低溫泵的預抽及再生。SL300 分子泵配有旁路管道，能夠在SV40BI旋片泵單獨工作時使氣體不流經SL300分子泵，增加管路流導。
防污染設計：由兩套液氮冷阱系統組成，一套安裝在粗真空系統主抽氣管路上，一套安裝在高真空系統SV40BI旋片泵進氣管路上，用于吸附機械泵工作時產生的油蒸氣，防止系統返油至真空容器，保證容器內環境清潔.復壓系統設計：真空容器上開有CF40法蘭孔，通過管道連接有高效C級空氣過濾器，先啟動電磁閥7充氮氣復壓至1000Pa，后啟動電磁閥4，5，6充空氣復壓至常壓(見圖1)。真空測量系統設計：真空系統配有TTR91熱電阻真空計、ITR90熱陰極電離規、PTR90冷陰極電離規，以實現10-8～105Pa的全量程測量.低溫泵及冷阱液氮供應系統設計：如圖2所示，主要用于向低溫泵冷屏及液氮冷阱輸送液氮，其中低溫泵液氮入口處配有氣液分離器，并通過低溫電磁閥、電子液位計組成閉合回路，保證液氮的自動調節及供應。
圖2 低溫泵及冷阱液氮供應系統
3、真空系統工作模式分析及計算
本文設計的潔凈真空系統滿足發動機真空羽流試驗及衛星等熱真空試驗需求，實測結果顯示，羅茨泵機組120min內可將容器真空由常壓抽至5×10-1Pa，分子泵30min內可將容器真空由5×10-1Pa抽至5×10-3Pa，低溫泵60min內可將容器真空由5×10-3Pa抽至5×10-5Pa，均優于設計指標；同時測得的容器平均壓升率僅為0.111Pa/h，對應的平均漏氣率為7.24Pa·L/s，真空容器達到了較高的工藝水平.真空系統有多種工作模式供選擇，操作人員可根據試驗需求通過測控系統進行選取，增加了北京航空航天大學“真空羽流效應實驗系統”運行的實用性和經濟性。
