真空系統作為空間環境模擬器的重要組成部分，其一般分為粗抽與高真空兩部分，在航天器熱試驗過程中起著模擬空間真空背景的關鍵作用，一旦熱試驗過程中真空度出現異常，不但試驗無法進行，甚至可能對航天器造成危害。本文針對大型環境模擬器試驗粗抽階段的真空度異常診斷方法進行研究，開發了真空度異常診斷系統，并將其應用在了KM7A 空間環境模擬器上，取得了良好的效果。

1、概述

　　為驗證航天器熱設計的正確性及各個飛行階段熱控系統適應各種熱環境的能力并確定熱控系統的最佳熱控參數，考核和驗證航天器的工作能力，在航天器的研制過程中必須進行充分的地面試驗，航天器真空熱環境試驗是在空間環境模擬器內實現的，真空是不可缺少的環境條件。一旦空間環境模擬器真空環境在建立或維持過程中出現異常，航天器產品地面模擬試驗的效果將難以保證甚至有可能對航天器產品本身造成危害。例如，若真空度在粗抽階段出現異常，則航天器在發射階段進行的各項測試將無法全部完成。因此有必要開展熱試驗真空度異常診斷技術的研究，在空間環境模擬器真空度異常時，進行診斷，分析原因，及時提示試驗人員進行處理，確保熱試驗順利進行。

2、空間環境模擬器真空系統組成

　　在大型空間環境模擬器內要實現宇宙空間的超高真空環境模擬是相當困難的，而且也沒有必要這么做。從熱平衡試驗看，只要克服空間環境模擬器內的空氣的對流和導熱的影響就可滿足試驗要求。

　　空間環境模擬器的真空系統一般由高真空系統與粗抽系統兩部分組成，如下圖1 所示。粗抽系統一般由多級干泵羅茨泵機組、閥門、真空規、管道等部分組成，其在空間環境模擬器啟動時工作，將容器真空度降低到高真空系統可以啟動的壓力；高真空系統一般由多臺低溫泵、閥門、真空規等部分組成，其在整個航天器熱試驗工況過程中一直工作，作用是維持空間環境模擬器內的真空度優于試驗大綱要求值，一般為1.3×10^-3 Pa。

圖1 空間環境模擬器真空系統原理圖

3、真空度異常診斷方法研究

　　航天器熱試驗階段，空間環境模擬器的真空度從一個大氣壓變化到高真空(一般為10^-4 Pa 量級)，這期間如果環境模擬器密封不好或者真空測量系統、真空獲得系統出現問題都將導致環境模擬器真空度出現異常。根據經驗，真空度出現異常大多是容器密封問題所導致，例如，真空法蘭上電連接器漏率過大、真空法蘭與容器密封不良、容器上的閥門漏率過大、容器內的熱沉漏率過大等等，上述問題80%以上均可以在試驗粗抽階段反映出來，因此，空間環境模擬器真空度的異常診斷主要針對試驗粗抽階段討論。

　　根據上述分析，結合空間環境模擬器粗抽階段的運行特點，我們總結出試驗粗抽階段真空度異常診斷的方法如下：

　　a)整理空間環境模擬器不同衛星平臺粗抽試驗歷史數據，應涵蓋所有衛星平臺，保證數據全面性；

　　b)根據整理的歷史試驗數據，選擇一定時間間隔，對歷史數據進行分析整理，得出每個時間間隔點對應歷史數據的最大值、最小值；

　　c)所有的最大值形成一條曲線(高限曲線)，所有的最小值形成一條曲線(低限曲線)，這樣所有試驗數據曲線均被限定在了高、低限曲線之間；

　　d)根據得到的高、低限曲線，擬合出對應的高、低限函數；

　　e)得到高、低限函數后，編制真空度異常診斷程序，將試驗粗抽階段任意時刻的壓力檢測值與函數同一時刻對應的壓力值比較，若任意時刻的真空度檢測值超出此區間，則認為容器可能存在泄漏情況，需要提醒試驗操作人員注意并進行相關檢查。

4、真空度異常診斷系統開發

　　下面以KM7A 空間環境模擬器為例，詳細介紹試驗粗抽階段真空度異常診斷系統的開發以及應用情況。

　　4.1、歷史數據整理收集

　　我們對KM7A 空間環境模擬器所有航天器真空熱試驗粗抽階段的歷史試驗數據進行整理，結合航天器的平臺特點，選取了九組試驗的歷史數據，形成了歷史試驗數據曲線簇，如下圖2 所示。

圖2 KM7A 空間環境模擬器粗抽歷史試驗數據曲線簇

　　4.2、歷史試驗數據處理

　　根據4.1 中選取好的歷史試驗數據樣本，我們取30s 時間間隔為樣本數據采集點，這樣就可以得出每個時間間隔點對應的歷史數據最大值與最小值。KM7A 空間環境模擬器試驗粗抽時間不到4 個小時，30s 一個采樣點，整個粗抽階段累計采集歷史數據點約400 多個，這400 多個采集點每個點均對應著九個歷史試驗數據，將每個采集點對應的最大值與最小值找到，即完成了歷史數據的處理工作。

　　4.3、真空度高、低限曲線獲得

　　根據4.2 部分的結論，我們將得到的每個時間間隔點對應的最大歷史數據繪成一條曲線即得到了真空度高限曲線，如圖3 中的黑色曲線;將每個時間間隔點對應的最小歷史數據繪成一條曲線即得到了真空度低限曲線，如圖3 中的紅色曲線。

圖3 真空度高、低限曲線

　　4.4、真空度高、低限函數獲得

　　根據4.3 中的結論，得到了真空度的高、低限曲線，我們采用多項式擬合的方式，可以分別求出真空度的高低限曲線所對應的函數。由于真空度低限曲線對于空間環境模擬器密封性能的判斷指導意義不大，這里未予以考慮，僅考慮粗抽的高限曲線所對應的函數即可，具體擬合公式以及方法如下。

　　以真空度開始變化為啟動判讀時刻，標記為時間零點，真空度到達5Pa 停止判讀。

　　4.5、真空度異常診斷系統開發

　　根據4.4 中得到的結論，即獲得了真空度高限的曲線函數，那么將高限函數集成到上位控制程序后，上位程序可以根據需要在固定時間間隔(例如1min) 將試驗粗抽實時數據與對應時刻高限函數計算得到的真空度限值進行比較，如果檢測真空度明顯超出高限值，則由上位程序觸發報警提示信息，容器密封可能存在問題，提醒試驗操作人員檢查容器狀態及設備狀態，這就避免了粗抽已經進行了數個小時后，真空度不在變化或變化緩慢時才覺得有問題，這時候再進行問題定位、解決，需要耽誤較長的時間，影響試驗進度。

5、結論與展望

　　故障診斷技術是近20 多年來國際上隨著電子計算機技術、現代測量技術和信號處理技術的迅速發展而發展起來的一項新技術。本文對大型空間環境模擬器試驗粗抽階段真空度的異常診斷方法進行了研究，提出基于全面歷史數據分析結合多項式擬合的方法，可以對整個試驗粗抽過程的真空度變化情況進行實時診斷，并將成果應用在了KM7A 空間環境模擬器上，效果良好。

　　后續課題組將結合粗抽系統真空度異常診斷的相關研制經驗，繼續深入研究空間環境模擬器其它重要分系統的故障模式以及診斷方法，為空間環境模擬器的健康穩定運行提供技術保障。

參考文獻

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