CN101603517A - 用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵 - Google Patents

Abstract

用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵，简称羽流吸附泵。特别应用于小推力姿轨控发动机羽流效应实验研究，也可应用于稀薄气体动力学研究。羽流吸附泵主要由铜翅片(1)、不锈钢支管(2)、外筒(3)、中筒(4)、内筒(5)、骨架(6)和接管嘴(7)组成。筒的直径和长度之间近似正比关系，即外径越大，长度愈长。三个圆筒成锥形排列，其外延轴向落差相等，取其内筒直径的1/4为宜。每一个圆筒均由热沉壁板卷成，根据吸附气体的不同，热沉壁板结构形式和选材有所不同，常用的壁板是由不锈钢支管(2)和铜翅片(1)焊接而成，其中不锈钢支管内通制冷介质，介质的种类取决于流场气体的性质，常用介质有液氮、液氢、液氦等。工作时，羽流吸附泵的内伸端正对发动机喷流方向。

Description

用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵

【技术领域】

本发明涉及用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵，简称羽流吸附泵。本发明特别应用于小推力姿轨控发动机羽流效应实验研究，也可应用于稀薄气体动力学研究。

【背景技术】

人造卫星、飞船、空间站、深空探测器、导弹以及运载火箭上大量使用的姿轨控发动机，在高空稀薄环境下工作时其喷流会向外部环境自由膨胀形成真空羽流。羽流会对空间飞行器产生羽流污染、羽流干扰力和羽流热效应等羽流影响。这些影响轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败。随着航天事业的迅速发展，航天设计部门越来越关注空间飞行器上的姿轨控发动机工作时产生的羽流问题。

羽流效应问题研究的一个重要前提是保证羽流气体的快速吸附，使得环境真空度能够达到规定的指标。目前用于吸附羽流气体的设备主要是环绕真空舱内表面的深冷低温泵，即氦板。国际上研究较早的美国和德国均采用此种结构形式。如德国DLR的STG真空羽流实验系统，罐体直径为3.3m，长度为7.6m，内装直径1.6m、长度5.25m的圆筒形液氦低温泵，其吸附面积为30m²，可保证0.5N发动机(质量流量0.2g/s，试验介质常温氮气)连续工作时，维持压力小于10^-3Pa。

按照这种低温泵的布局结构，要实现较大推力发动机的高空(动态真空度小于10^-3Pa)研究工作，就要相应的增加氦板的面积，即增大真空舱的体积。实际上，根据气体的种类及其温度，氦板的面积会有很大的差异。气体分子量越小、温度越高，吸附面积越大。如要研究质量流量2g/s、温度1000K的氮气羽流效应，要维持连续工作时10^-3Pa量级，则需要的氦板面积达约3000m²。如果按照目前世界上通用的这种布局，真空舱的体积相当庞大，无论从成本还是从实验场地，都是难以实现的。

为了解决这一问题，北航羽流效应实验室仔细研究了羽流流场的特点，认为：实验发动机喷出的羽流气体密度(压力)分布、运动状况与静态气体完全不同，前者核心流区的气体占其总质量的绝大部分，其密度沿径向变化很大，且沿轴向高速运动(3-5个马赫数)，所以分布于真空舱壁的低温泵只能吸附流场中的小部分气体。为了提高真空舱的动态真空度，必须沿增大其轴向气体的吸附能力。为此北航效应实验室发明了专用于吸附羽流气体的羽流吸附泵。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵。具有体积小、吸附面积大、抽气速率高等特点，可以吸附流场中的大部分气体，保持动态真空度在一定的范围之内。

羽流吸附泵由多个同心圆筒的热沉板组成。为了简化工业设计，一般采用三个同心圆筒即可达到较好的吸附效果。

羽流吸附泵主要由铜翅片(1)、不锈钢支管(2)、外筒(3)、中筒(4)、内筒(5)、骨架(6)和接管嘴(7)组成，筒的直径和长度之间近似正比关系，即外径越大，长度愈长。三个圆筒成锥形排列，其外延轴向落差相等，取其内筒直径的1/4为宜。每一个圆筒均由热沉壁板卷成，根据吸附气体的不同，热沉壁板结构形式和选材有所不同，常用的壁板是由不锈钢支管(2)和铜翅片(1)焊接而成，其中不锈钢支管内通制冷介质，介质的种类取决于流场气体的性质，常用介质有液氮、液氢、液氦等。工作时，羽流吸附泵的内伸端正对发动机喷流方向。

羽流吸附泵的优点有：

(1)吸附面积大，抽速大。和传统的低温泵相比，圆筒套装结构的羽流吸附泵在相同的真空舱中有更大的吸附面积，从而产生较大的抽速。

(2)气体分子的捕获率大，吸附系数高。多层圆筒形的结构，使得气体分子在圆筒之间进行来回碰撞，气体分子的捕获率明显增大，所以气体的吸附系数较高。

(3)体积小，结构紧凑。

(4)拆装方便。根据是否进行发动机羽流实验，可以随时安装或拆卸羽流吸附泵。

【附图说明】

图1是羽流吸附泵结构示意图

图2是羽流吸附泵在真空容器内的安装位置示意图

图3是羽流流场压力、密度分布

【具体实施方式】

羽流吸附泵结构尺寸根据工作区域羽流气体的密度、速度、平均分子自由程确定。

为了说明羽流吸附泵的具体实施方式，以下面发动机参数为例：

5N的锥形模拟发动机，总温300K，使用N2为推进工质，质量流量为2.0g/s。

1、设计原理

1)单一气体分子的平均自由程

一个气体分子与其它气体分子每连续二次碰撞所走过的路称为自由程。自由程有长有短，它们的差异很大。然而，相当多的自由程的平均值却是一定的，这个平均值便称为平均自由程。单一气体的平均自由程为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=3.107\×{10}^{-24}\frac{T}{P{\mathrm{\σ}}^2}$

式中λ——平均自由程，m；

T——气体的温度，T；

P——气体压力，Pa；

σ——气体分子直径，m。

从上式可见，在温度不变的情况下，影响分子平均自由程的因素是压力的大小。表1是常见气体在20℃、10^-1Pa时的平均自由程。

表1常见气体在20℃、10^-1Pa时的平均自由程

种类	氦	氖	氩	氢	氮	氧	空气	一氧化氮	水	二氧化碳
											λ/mm	192	135	68	120	65	69	66	136	42	42

2)羽流流场压力、密度分布

图3是数值模拟的上述发动机羽流流场压力、密度分布图。其中核心流区域为径向0.5m左右的区域。这一区域气体分子数量占了气体分子总数的90％以上，平均压力约为10^-2Pa。羽流吸附泵主要吸附这一区域的气体分子。

3)结构设计

根据羽流流场特性和吸附泵所要吸附的气体分子的特性，将羽流吸附泵分为核心流区(R＝0～0.5m)、过渡流(R＝0.5～1.2m)区、自由分子流区(R＝1.2～2m)等三个区域。筒板间的间距越小，越有利于气体分子与泵的吸附表面间、分子间的相互碰撞，增大气体分子被吸附的概率。

同心圆筒板间间距主要根据其所吸附区域的氮分子平均自由程确定。核心流区平均压力约为10^-2Pa量级，氮分子平均自由程约为650mm；过渡流区平均压力约为10^-3Pa量级，氮分子平均自由程约为6500mm；自由分子流区平均压力约为10^-4Pa量级，氮分子平均自由程约为65000mm。所以，综合考虑实验时的可能气体(水、二氧化碳、氢气)，在可能的情况下，取羽流吸附泵的核心流区的同心圆筒板间间距为100mm，过渡流区的同心圆铜板间间距为150mm，自由分子流区的同心圆铝板间间距为200mm。

为尽量增大流场的有效测量范围，铜板的长度沿轴向逐步向外伸长。

2、工程设计

实际应用中，如果按照上述设计原理设计出的羽流吸附泵是较为理想的，但是由于工艺、材料、焊接技术、安装等各方面的原因，实现完全的理论设计比较困难。所以，实际应用中，将羽流吸附泵设计成附图1的形式。即由三层筒板组成，层与层之间的距离不大于500mm，这样能够保证吸附流场中大多数气体。

3、具体实施

(1)制冷介质的确定

根据被吸附气体在其冷凝面温度下的冷凝系数选择制冷介质的种类。针对本实验，为了较快速度的达到动态真空度，同时考虑发动机可能产生的氢气，选择液氦作为冷凝介质。

(2)工作模式的确定

根据实验条件的不同分为两种工作模式：

1)羽流吸附泵独立工作

羽流实验时，只有羽流吸附泵内通液氦。此时，为了保证羽流吸附泵的工作效率，同时减少液氦的消耗量，需要在真空舱和羽流吸附泵(包括发动机)之间安装液氮冷板，以减少真空舱壁对羽流吸附泵的热辐射。

这是一种较为经济的工作模式，实验时间短，液氦消耗量较小，但是实验模拟的动态真空度较低。

2)真空舱内低温泵和羽流吸附泵同时工作

为了提高实验精准性和可靠性，真空舱内低温泵和羽流吸附泵同时通液氦。同样，为了减少液氦消耗量，低温泵和真空舱的内壁之间需要安装液氮冷板，以减少真空舱壁对液氦冷板的辐射。

Claims (7)

1、一种用于吸附发动机羽流的深冷低温泵，简称羽流吸附泵，专门用于吸附卫星(飞船、空间站)发动机的羽流。其特征在于：包括铜翅片(1)、不锈钢支管(冷凝管)(2)、外筒(3)、中筒(4)、内筒(5)、骨架(6)和接管嘴(7)。冷凝管两侧焊接铜翅片形成壁板形式，外筒、中筒和内筒形成层与层之间间隔不等的同心圆式的多层结构。

2、根据权利要求1所述的羽流吸附泵，其特征在于：采用低温冷凝原理，所采用的低温介质为液氦(温度为4K左右)、液氢、液氮等，可以吸附绝大多数气体分子，达到极高的真空度。

3、根据权利要求1所述的羽流吸附泵，其特征在于：外筒、中筒和内筒成锥形排列，筒的直径和长度之间近似成正比关系，三个筒的外延的轴向长度落差相等。

4、根据权利要求3所述的多层同心圆结构的羽流吸附泵，其特征在于：根据羽流分子自由程的大小，确定层与层之间的距离；根据流场压力分布特点，确定同心圆的长度和安装时之间的错位距离。

5、根据权利要求1所述的羽流吸附泵，其特征在于：采用316L不锈钢管，T2紫铜作为翅片。

6、根据权利要求5所述的羽流吸附泵，其特征在于：焊接不锈钢管和紫铜翅片时，采用镍基焊丝(例如inconel 182)作为填充材料，采用“氩弧钎焊”技术。

7、根据权利要求1所述羽流吸附泵，其特征在于：安装在羽流流场的外核心区，既不能破坏羽流流场，又便于吸附流场残余气体，保持流场的动态真空度在一定的范围。

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