空间环境模拟器真空抽气过程的计算研究

大型空间环境模拟器真空系统配置策略研究1．概述大型空间环境模拟设备主要用于整星级或飞船级等航天器地面热平衡，热真空测试试验，验证航天器结构设计、温控设计的正确性及其对太空环境的正确性。

真空环境模拟10-2～10-6Pa：真空泵组、真空阀门、真空测量仪器、其余气体分析仪器等；冷黑环境模拟：热沉，液氮、气氮系统。

混合工质制冷。

复制冷等。

目前世界上有几十台大型空间环境模拟试验设备，分布在美国航空航天局（NASA）、俄罗斯、欧洲空间局、中国、日本、以满足大型应用卫星及载人航天器空间环境试验的需要。

国外大型空间环境模拟试验设备NASA GRC SPFSPF空间环境模拟设备容器尺寸，直径，高，体积为22653m3，安装有活动热沉，低温可至110K，最终真空度可达到1×10-4Pa。

NASA JSC Chamber A➢真空系统原配置为18套35英寸扩散泵；➢为了适应韦伯太空望远镜的试验需求，对真空系统进行了适应性改造，改造后的真空配置为12套48英寸的低温泵，并配备6套14英寸分子泵；➢改造后的分子泵可以在更高压力下启动，分子泵和低温泵前级采用原扩散泵前级泵进行抽气，但在前级泵加装液氮挡板防止返油；➢改造后的真空系统可实现×10-2Pa的常温极限真空度，在热沉通液氮的状态下真空度优于×10-5Pa，启动液氦热沉后最终极限真空度优于×10-6Pa；ESA ESTEC LSS➢真空系统采用全无油真空系统配置；➢粗抽机组包括3套罗茨粗抽机组，每套抽速为20000m3/h；➢底真空系统配备4套抽速为8000m3/h的涡轮分子泵和2套抽速为48m3/s的屏蔽低温泵；➢真空系统可在2小时30分钟内将容器抽至100Pa以下，6小时内抽至5Pa以下，12小时内抽至7×10-2Pa以下，18小时内抽至10-4Pa 以下，极限真空度优于7×10-5Pa；➢LSS空间环境模拟设备是欧洲最大的单体真空容器，真空容器形式为卧式的结构；➢LSS真空容器有效尺寸：直径10m，高15m，容积2300m3；➢容器的温度范围为100K～353K；国内大型空间环境模拟试验设备KM6空间环境模拟器（1998年）➢KM6空间环境模拟设备是中国为载人航天建造的基础设施，由主模拟室、辅助模拟室、副模拟室三舱组合、丁字形结构；➢设备试验有效空间，主模拟室直径，高，辅助模拟室为直径，长9m，副模拟室为直径，长9m；➢主辅容器的容积3200m3，极限真空度达到×10-6Pa，热沉温度低于100K➢粗抽真空系统由4套抽速为5000L/s的罗茨机械机组及配套的液氮冷阱等设备，可在内将容器抽至1Pa以下；➢高真空系统由容器采用8套自研氦制冷机低温泵组成，每套抽速可达50000L/s，可在启动高真空抽气后h内将容器真空度降至3×10-5Pa以下；➢真空系统配备3套抽速为2200L/s的涡轮分子泵用于完成过渡抽气和系统检漏。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟减压模拟设备迅速抽真空技术研究及实现为实现迅速抽真空，提出负压储备舱技术。

结合流导方程和气体热力学理论，推导出舱体间气流平衡的数学方程式，揭示了气流平衡过程中，舱体间瞬时压差与起始状态压差、舱体容积成正比，与持续时间存在指数关系，与连接管路流导存有反比关系。

基于流体微分方程和湍流模型建立非定常流场模型，对压力平衡过程进行动态仿真，从流场角度揭示了瞬时压力与时间的关系。

为使负压储备舱实现技术要求，从气压和时间角度进行影响因素分析，研究表明，负压储备舱容积至少为70 倍试验舱容积，且连通口面积须有可调性。

通过模型结果与试验结果对比，验证了所建两种模型的正确性，也验证了试验装置的可行性。

为研究迅速减压冲击物理过程对生理的影响，以及检验高空防护系统对迅速减压冲击的响应和防护性能，必须在地面进行该冲击物理过程的模拟试验，完成这种瞬态模拟试验所需的设备即为高空迅速减压冲击模拟设备。

为实现试验研究，所设计的试验舱须满足技术指标:在0.5s 内使舱压从低气压30kPa 到中真空低气压2.5kPa。

而该项技术指标使用真空泵直接抽低气压是无法实现的。

为实现迅速抽低气压，实现技术指标要求，提出一种负压储备舱技术。

试验舱体内充满气体，由于舱体物理参数的不同，如体积、压强等等，最终试验所能实现的技术指标也就不同。

因此，需要分析这些参数带来的影响，进而设计这些参数。

论文基于气体流导方程和气体状态方程，建立起试验舱体压力均衡过程的关系式，并对舱体间的压力差值与平衡时间以及与各舱体初始状态的关系进行了研究。

基于流体微分方程和湍流模型建立起非定常流场模型，对两舱体压力平衡过程进行动态仿真，对两舱瞬时压差与平衡时间的关系进行了研。

密闭容器内真空度随抽气时间的变化曲线真空泵对密闭容器抽真空时，容器内部真空度的提高与抽气时间的函数关系如下：式中：P为容器内的压力（即：绝对真空度）；t为自变量，是抽气时间K 3 为泵的极限真空度值，K 1 、K 2 为与泵、容器大小、环境压力等相关的常数。

函数曲线示意图如下：由此可以看出，在抽气初期，容器内压力下降（即：真空度的提高）很快，而后呈指数关系衰减，越来越慢，并无限逼近泵的极限真空度值。

如果您想知道经过多长的抽气时间才能达到您指定的真空度值，可以点击计算工具帮您作理论计算。

理论计算值仅供参考！特别说明：根据我公司产品，计算公式作了简化，若用于计算其它品牌的真空泵出现的错误我们不负任何责任。

真空泵抽气量/抽气速度粗略计算公式发表时间：2013-04-02 18:30 文章出处：广州市浩雄泵业有限公司编辑：admin点击 2205次收藏导读：Q=(V/T)×ln(P0/P1)其中：Q为真空泵抽气量(L/s)。

V为真空室容积，单位为升(L)。

T为达到要求绝对压强所需时间，单位为秒(S)。

P0为被抽容积内部的初始压强。

P1为要求达到的绝对压强，单位为帕(Pa)。

抽气量即为抽气速度，是真空泵的重要参数之一。

单位一般式L/S或m^3/h。

选型时，若选抽气量太小的泵，会因为漏气等系列因素导致无法达到预期的真空度;若抽气量选择太大又因功耗太大不经济。

因此，合理选择真空泵的抽泣量非常重要。

下面简单介绍真空泵抽气量粗略计算公式：Q=(V/T)×ln(P0/P1)其中：Q为真空泵抽气量(L/s)。

V为真空室容积，单位为升(L)。

T为达到要求绝对压强所需时间，单位为秒(S)。

P0为被抽容积内部的初始压强，即一个大气压强。

计算时应根据当地海拔值(点此查看不同海拔地区的大气压值)计算，沿海地区一般都取101325。

单位为帕(Pa)，也可以为托或毫米汞柱。

P1为要求达到的绝对压强，单位为帕(Pa)，也可以为托或毫米汞柱。

真空系统抽气时间的计算来源：中华真空设备网 | 日期：2007-6-121．真空系统的抽气方程真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。

我们可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。

那么真空系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢?或者说真空室内究竟有哪些气源呢?总起来说，可以归纳为下述几个方面：(1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为Po Pa，则容器内原有的大气量为VPPa·m3；(2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用QfPa·m3／s来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式(27)的经验公式来计算。

真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。

所以总的表面放气流量Qf为式(49)。

(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以QsPa·m3／s 表示。

渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。

气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只有分离为原子才能透过钯、铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。

氦分子能透过玻璃。

氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。

一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。

但是所有的隋性气体都不能透过金属。

除了有选择性之外，渗透气流量Qs还与温度、气体的分压强有关。

在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量Qs是个微小的定值。

(4)液体或固体蒸发的气体流量QZPa·m3／s。

空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。

在高真空条件下，特别是在高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸气压。

当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定的，因而蒸发的气流量也是个常量。

(5)大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量QL Pa·m3／s。

真空系统抽气特性计算软件设计-论文目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)1 绪论 (2)1.1引言 (2)1.2 课题意义及目标 (2)2 真空系统抽气特性计算及分析 (3)2.1 真空系统抽气特性计算 (3)2.1.1低真空阶段计算——大气到1Pa (3)2.1.2 高真空阶段计算——1Pa以下 (3)2.2 高真空阶段两种算法的比较 (5)2.2.1 计算对比 (5)2.3 抽气特性计算程序化可行性分析 (5)2.4 高真空阶段计算方法选择 (6)3 软件功能需求及平台分析 (7)3.1 总体构架分析 (7)3.2 需求分析 (7)3.3 开发语言及环境分析 (8)3.3.1 相关术语介绍 (8)4 软件设计 (10)4.1 总体设计 (10)4.2 界面设计（输入模块） (11)4.2.1预设模型选择 (11)4.2.2真空容器设定 (11)4.2.3 抽气特性模型 (13)4.4.4 输入计算参数 (14)4.3 数据模块 (15)4.3.1 模块说明 (15)4.3.2 单例模式 (15)4.3.3 模块结构 (15)4.4 计算模块 (16)4.4.1 模块设计分析 (16)4.4.3 计算模块流程图 (17)4.4.2 计算类代码说明 (17)4.5 导出模块 (30)4.5.1 导出方案分析 (30)4.5.2 导出模块实现 (30)4.6 其他辅助模块 (31)4.6.1 数字格式化模块 (31)4.6.2 文件读写模块 (31)4.6.3 抽气节点排序模块 (32)5 设计结果 (33)5.1 设计结果 (33)5.2 计算结果验证 (33)5.2.1 例证1 (33)5.2.2 例证2 (33)5.2.3 综合对比及结论 (34)结论 (35)谢辞 (36)[参考文献] (37)摘要：近年来，随着航天和空间科学的发展及真空在原子能科学和表面物理、微电子学等学科中的应用 ,真空系统设计也越来越普遍。

1. 探究真空对空气的吸附作用。

2. 分析真空条件下空气的物理性质变化。

二、实验原理真空吸空气实验是通过在密闭容器内抽取空气，形成负压，观察空气吸附在容器壁上的现象，从而了解真空对空气的吸附作用。

实验过程中，容器内的空气分子受到外部压力作用，部分分子会从容器内壁脱离，形成吸附现象。

三、实验器材1. 密闭容器：500mL玻璃瓶一个。

2. 真空泵：一台。

3. 压力计：一台。

4. 气体分析仪：一台。

5. 滤纸：数张。

6. 秒表：一只。

四、实验步骤1. 将500mL玻璃瓶清洗干净，确保无油污、无水分。

2. 使用滤纸将玻璃瓶口封住，防止空气进入。

3. 将气体分析仪连接到玻璃瓶口，确保密封良好。

4. 使用真空泵抽取玻璃瓶内的空气，形成负压。

5. 观察压力计读数，当压力降至-0.1MPa时，停止抽气。

6. 关闭真空泵，等待5分钟，让容器内的空气分子吸附在容器壁上。

7. 使用秒表记录吸附时间。

8. 打开气体分析仪，分析吸附在容器壁上的空气成分。

9. 将实验数据与空气原始成分进行对比，分析真空对空气的吸附作用。

1. 在实验过程中，压力计读数逐渐降低，直至达到-0.1MPa。

2. 停止抽气后，容器壁上出现水雾，表明空气中的水蒸气被吸附在容器壁上。

3. 气体分析仪分析结果显示，吸附在容器壁上的空气成分与原始空气成分存在差异。

六、实验数据与分析1. 实验数据：| 成分 | 原始空气含量（%） | 吸附后空气含量（%） || ---------- | ----------------- | ----------------- || 氮气 | 78.09 | 77.86 || 氧气 | 20.95 | 20.80 || 氩气 | 0.93 | 0.91 || 二氧化碳 | 0.04 | 0.03 || 水蒸气 | 0.03 | 0.02 |2. 分析：通过对比实验数据，可以看出真空条件下，空气中的氮气、氧气、氩气、二氧化碳和水蒸气等成分含量均有所下降。

CFD模拟在某大空间抽真空充气过程中的应用潘欣钰【摘要】本文以某实际项目约80000 m3抽真空至20000Pa的大空间为研究对象,通过CFD模拟求得充气风管入口外的速度场分布,从而分析是否有风速过高的危险区域.另外,CFD方法还被用来估算充气工况下风管喷入室内的平均风速,再根据理想气体状态方程编制相应的简化计算程序,得到了利用两根直径400 mm的圆管自然回气,可在1h之内完成充气过程的结论.根据实际运行结果,单根400 mm圆管充气过程约在30 min左右基本完成,满足工艺要求,由此验证了本文方法的可用性.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2018(037)010【总页数】4页(P78-80,60)【关键词】充气过程;CFD;速度分布【作者】潘欣钰【作者单位】中船第九设计研究院工程有限公司【正文语种】中文大空间抽真空后，利用大气压自然充气的过程在工业实验室工程中得到广泛的应用。

在设计该类项目的管路系统时，因为管径的选取关系到风管入口外的风速分布以及整个充气工程所需的时间能否满足工艺的要求，所以确定一个合理的管径是非常重要的。

由于此类充气过程时间计算涉及到管路系统气动特性，往往需要经过实验才能得到相应数据，从而带入经验公式计算[1]，因此一般的工程设计中较难实现。

本文通过CFD模拟技术，先得到了风管入口处的风速分布，从而确认入口邻近区域是否会存在风速过大，影响机器或工人安全的区域。

还得到了充气工况下，风管中的速度分布情况，并将其作为后续编制充气时间计算程序中气体状态方程质量流量计算的边界条件。

1 DN800管道进口处速度场模拟本工程中的大空间体积为80000 m3，通过真空泵将其抽至20000 Pa，此时打开管路上的阀门，利用大气压自然充气至大空间室内压力也为101325 Pa为止。

根据气体动压的计算公式[2]，此时入口处的轴心风速可按式1估算：式中：△P为压差，此处取大气压与抽真空后室内压力之差81325 Pa；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3。

真空系统的抽气方程对于一个真空系统，抽气方程中的放气Qf、渗气Qs、漏气QL和蒸气Qz的气流量都是微小的。

因此抽气初期真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。

随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，当抽空至1～10-1Pa时，容器中残存的气体主要是漏放气，而且主要的气体成分真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。

我们可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。

那么真空系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢?或者说真空室内究竟有哪些气源呢?总起来说，可以归纳为下述几个方面：(1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为P o Pa，则容器内原有的大气量为VP0Pa·m3；(2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用Q f Pa·m3／s来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式(27)的经验公式来计算。

真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。

所以总的表面放气流量Q f为式(49)。

(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以Q s Pa·m3／s表示。

渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。

气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只有分离为原子才能透过钯、铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。

氦分子能透过玻璃。

氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。

一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。

但是所有的隋性气体都不能透过金属。

除了有选择性之外，渗透气流量Q s还与温度、气体的分压强有关。

在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量Q s是个微小的定值。

(4)液体或固体蒸发的气体流量Q Z Pa·m3／s。

空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。

中型空间环境模拟器真空系统的设计与模拟
王娟;庄达民;王浚
【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2007(027)005
【摘要】探讨了用于舱外航天服性能实验的中型空间环境模拟器真空系统的设计和模拟.通过对低温泵的真空度及其抽速与液氦低温板温度的关系进行模拟,验证了真空系统设计的合理性.对中型环境模拟系统预冷采用开放式液氮以简化系统结构;对系统的主要部件液氦低温板和辐射挡板进行了构造分析和热负荷计算;分析了液氦低温板的凝结层对低温泵性能的影响.通过对液氦低温板温度场进行模拟及分析,对液氦低温冷凝面进行了优化设计与性能验证.通过对航天员氧消耗量的分析合理估算了航天员自身代谢产热,据此确定了中型空间环境模拟系统热负荷及液氦供应量.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】王娟;庄达民;王浚
【作者单位】北京航空航天大学,北京100083;北京航空航天大学,北京100083;北京航空航天大学,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
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