CN105000202A - 一种离子推力器试验设备的真空抽气系统 - Google Patents

一种离子推力器试验设备的真空抽气系统 Download PDF

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本发明公开了一种离子推力器试验设备的真空抽气系统。使用本发明能够为离子推力器地面试验设备提供真空环境，并满足离子推力器地面试验设备无油真空、大抽气能力、防溅射、等离子体防护、可靠性高的特殊要求。本发明包括主舱真空容器真空抽气装置和副舱真空容器真空抽气装置；主舱真空容器真空抽气装置包括主舱真空容器粗抽组件、主舱真空容器过渡抽气组件和主舱真空容器高真空抽吸组件；首先用主舱真空容器粗抽组件将主舱真空容器抽至10Pa，然后用主舱真空容器过渡抽气系统抽至10-2Pa时，最后用主舱真空容器高真空抽吸系统抽至1.0×10-4Pa以下，开始实验。

Description

一种离子推力器试验设备的真空抽气系统
技术领域
本发明涉及真空抽气技术领域，具体涉及一种离子推力器试验设备的真空抽气系统。
背景技术
离子推力器是目前最为先进的空间推进系统之一，国外航天技术发达国家已广泛应用于航天器飞行任务。离子推力器在一定意义上来说是一种电真空器件，它的性能必须在真空条件下进行试验，才能得出正确结论。离子推力器真空试验设备不同于其他真空试验设备，它是在气体负载大、离子动能大、离子溅射产物多的情况下使用。离子推力器试验设备根据用途不同，其要求也不同。离子推力器的性能试验，主要是测量离子推力器的推力、比冲、推进剂利用率和效率等参数。而寿命试验主要是考察离子推力器的羽流分布、污染和寿命等情况。如果试验设备配置不当，真空室本底气体分子就可能大量返回到放电室，或改变羽流场分布等，造成测量结果不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器试验设备的真空抽气系统，能够为离子推力器地面试验设备提供真空环境，并满足离子推力器地面试验设备无油真空、大抽气能力、防溅射、等离子体防护、可靠性高的特殊要求。
本发明的离子推力器试验设备的真空抽气系统，包括用于实现离子推力器地面试验主舱真空容器真空环境的主舱真空容器真空抽气装置和用于实现离子推力器地面试验副舱真空容器真空环境的副舱真空容器真空抽气装置，以及控制模块；主舱真空容器与副舱真空容器之间设有第一插板阀；主舱真空容器真空抽气装置、副舱真空容器真空抽气装置与控制模块连接；
所述主舱真空容器真空抽气装置包括主舱真空容器粗抽组件、主舱真空容器过渡抽气组件和主舱真空容器高真空抽吸组件；
其中，主舱真空容器粗抽组件包括螺杆泵、罗茨泵和液氮冷阱，其中，螺杆泵依次连接罗茨泵、液氮冷阱和主舱真空容器，其中，螺杆泵与罗茨泵之间设有第一检漏接口，罗茨泵与液氮冷阱之间设有第一挡板阀，液氮冷阱与主舱真空容器之间设有第二插板阀；
主舱真空容器过渡抽气组件包括螺杆泵和分子泵，其中，螺杆泵依次连接分子泵和主舱真空容器粗抽组件的液氮冷阱，其中，在螺杆泵与分子泵之间设有第二检漏接口，分子泵与液氮冷阱之间设有第二挡板阀；
主舱真空容器高真空抽吸组件包括大口径低温泵和蜗旋泵，其中，大口径低温泵包括大口径抽氙气低温泵和大孔径普通低温泵；蜗旋泵依次连接大口径低温泵和主舱真空容器，其中，蜗旋泵与大口径低温泵之间设有第三挡板阀，大口径低温泵与主舱真空容器之间设有第三插板阀；大口径低温泵障板涂有防溅射涂层；
所述副舱真空容器抽气装置包括螺杆泵、分子泵和液氮冷阱，其中，螺杆泵依次连接分子泵、液氮冷阱和副舱真空容器，其中，螺杆泵与分子泵之间设有第三检漏接口，液氮冷阱与副舱真空容器之间设有第四插板阀；
主舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有放气阀；舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有真空度测量装置；主舱真空容器上设有四极质谱仪；
启动主舱真空容器真空抽气系统对主舱真空容器进行抽气，当主舱真空容器真空度小于10Pa时，启动主舱真空容器过渡抽气系统，当主舱真空容器真空度小于10-2Pa时，启动主舱真空容器高真空抽吸系统，当真空度小于1.0×10-4Pa时，利用四极质谱仪检测主舱真空容器气体成分，当气体成分符合要求时，开始试验；
当主舱真空容器出现故障时，移动离子推力器回副舱真空容器，关闭主舱真空容器与副舱真空容器之间的插板阀，启动副舱真空容器真空抽气系统。
进一步地，在真空度测量装置的测量端口位置设置等离子体吸收元件，该等离子体吸收元件为厚0.5mm的钼板，钼板上设若干个孔径为Ф1mm的小孔。
进一步地，主舱真空容器内设有检测室，检测室与主舱真空容器之间设有插板阀，四极质谱仪位于检测室内，当离子推力器试验进行时，关闭插板阀，保护四极质谱仪；当需要检测主舱真空容器内气体成分时，打开检测室与主舱真空容器之间的插板阀，采用四极质谱仪进行检测。
进一步地，大口径抽氙低温泵包括低温制冷机、吸附阵、热沉、防辐射屏、泵壳、障板、障板测温元件、吸附阵测温元件和一级冷屏；其中，低温制冷机为二级低温制冷机，通过法兰安装在泵壳上，并与泵壳之间设有橡胶密封圈；吸附阵安装在低温制冷机的二级冷头上，吸附阵由多个长方形壳体组成，长方形壳体的上下表面开放，长方形壳体的侧面设有翅片；吸附阵上安装有测温元件；一级冷屏固定安装在低温制冷机的一级冷头上，表面发黑处理；热沉安装在低温泵壳体上；障板固定安装在低温泵口处的热沉上，为板状结构，且障板的垂直方向对吸附阵实现一次光学屏蔽，障板表面喷涂有石墨涂层，障板测温元件安装在障板上。
有益效果：
(1)主舱真空容器和副舱真空容器之间设置插板阀，两容器分别设置真空抽气系统，可满足主舱真空容器真空抽气系统故障时(如大口径普通低温泵故障、大口径氙气专抽低温泵故障等)，离子推力器保护需求；
(2)粗抽真空系统尽量采用无油真空泵，且设置液氮冷阱，有效阻隔油蒸汽进入真空室。高真空抽气系统采用大口径低温泵，对氙气抽速大，满足离子推力器大气量试验需求，所获得真空洁净无油；
(3)所选用低温泵采用防溅射涂层，提高了大口径低温泵的运行寿命，同时减小了溅射对离子推力器的溅射沉积物污染；
(4)主舱真空容器采用2套独立粗抽真空抽气系统，可相互备份；大口径低温泵采用4台运行和2台备份模式，提高了设备运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明离子推力器地面试验设备真空抽气原理图。
图2为本发明离子推力器地面试验主舱真空容器抽气流程图。
图3为本发明离子推力器地面试验副舱真空容器抽气流程图。
图4为本发明大孔径抽氙气低温泵结构示意图。
图5为本发明大孔径抽氙气低温泵中障板和吸附阵遮挡关系图。
图6为本发明大孔径抽氙气低温泵中吸附阵结构示意图。
其中，1-主舱真空容器，2-副舱真空容器，3-插板阀A，4-大口径普通低温泵A，5-挡板阀A，6-涡旋泵A，7-插板阀B，8-大口径氙气专抽低温泵B，9-挡板阀B，10-插板阀C，11-大口径氙气专抽低温泵C，12-挡板阀C，13-插板阀D，14-大口径普通低温泵D，15-挡板阀D，16-涡旋泵B，17-插板阀E，18-大口径氙气专抽低温泵E，19-挡板阀E，20-插板阀F，21-大口径氙气专抽低温泵F，22-挡板阀F，23-插板阀G，24-电阻规A，25-电离规A，26-电阻规B，27-电离规B，28-放气阀，29-插板阀H，30-液氮冷阱A，31-挡板阀G，32-罗茨泵A，33-检漏接口A，34-螺杆泵A，35-挡板阀H，36-罗茨泵B，37-检漏接口B，38-螺杆泵B，39-挡板阀I，40-涡轮分子泵A，41-检漏接口C，42-螺杆泵C，43-电阻规C，44-电离规C，45-插板阀I，46-液氮冷阱B，47-涡轮分子泵B，48-检漏接口D，49-螺杆泵D，50-放气阀B，51-插板阀J，52-检测室，53-四极质谱计，54-低温制冷机，55-吸附阵，56-热沉，57-防辐射屏，58-泵壳，59-障板，60-障板测温元件，61-吸附阵测温元件，62-一级冷屏，63-翅片。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种离子推力器试验设备的真空抽气系统，如图1所示，包括主舱真空容器真空抽气装置和副舱真空容器真空抽气装置，主舱真空容器要求极限真空度小于1.0×10-5Pa，本底真空度小于1.3×10-4Pa，工作真空度小于5.0×10-4Pa(14sccm氙气负载)；副舱真空容器真空抽气装置，须满足副舱真空度小于1.0×10-2Pa的要求。
主舱真空容器真空抽气装置用来实现离子推力器试验时主舱真空容器的真空环境。主舱真空容器真空抽气装置由主舱真空容器粗抽组件、主舱真空容器过渡抽气组件、主舱真空容器高真空抽吸组件组成。
所述主舱真空容器粗抽组件用于获得主舱真空容器粗真空，共2套，每套可独立工作，每套由螺杆泵、罗茨泵、阀门及液氮冷阱组成。如图1所示，第一套粗抽组件中，螺杆泵34依次连接罗茨泵32、挡板阀31、液氮冷阱30、插板阀29和主舱真空容器，在螺杆泵34与罗茨泵32之间设置检漏接口33；第二套粗抽组件中，螺杆泵38依次连接罗茨泵36、挡板阀35、液氮冷阱30、插板阀29和主舱真空容器，在螺杆泵38与罗茨泵36之间设置检漏接口33，其中第一套粗抽组件和第二套粗抽组件共用液氮冷阱30、插板阀29。
所述主舱真空容器过渡抽气组件1套，是主舱真空容器的检漏抽气机组，同时减小主舱真空容器高真空抽吸系统的抽气负担，用作过渡机组，由螺杆泵、分子泵及阀门组成。如图1所示，螺杆泵42依次连接分子泵40、挡板阀39、液氮冷阱30、插板阀29和主舱真空容器，螺杆泵42与分子泵40之间设有检漏接口41，其中，过渡抽气组件与粗抽组件共用液氮冷阱30和插板阀29。
所述主舱真空容器高真空抽吸组件包括4套大口径抽氙低温泵和2套大孔径普通低温泵，各套低温泵可独立工作，试验时开启3套大口径抽氙低温泵，1套大孔径普通低温泵，另外1套大口径抽氙低温泵和1套大孔径普通低温泵为备份。主舱真空容器高真空抽吸系统用来抽除离子推力器试验时，试验中大流量氙气的抽除，同时可抽除主舱真空容器和副舱真空容器泄漏气体和舱内机构、材料真空出气所产生的气体，由插板阀、大口径低温泵(大口径抽氙低温泵和大口径普通低温泵)、挡板阀和蜗旋泵组成，其中，大口径低温泵(大口径抽氙低温泵和大口径普通低温泵)障板涂有防溅射涂层。如图1所示，大口径抽氙气低温泵8、11、18、21分别通过各自的插板阀7、10、17、20与主舱真空容器连接，大口径普通低温泵4、14分别通过各自的插板阀3、13与主舱真空容器连接，大口径普通低温泵4、大口径抽氙气低温泵8、11分别通过各自的挡板阀5、9、12与涡旋泵6连接，大口径普通低温泵14、大口径抽氙气低温泵18、21分别通过各自的挡板阀15、19、22与涡旋泵16连接。
其中，大口径抽氙低温泵包括低温制冷机54、吸附阵55、热沉56、防辐射屏57、泵壳58、障板59、障板测温元件60、吸附阵测温元件61和一级冷屏62；其中，低温制冷机54为二级低温制冷机，通过法兰安装在泵壳58上，并与泵壳58之间设有橡胶密封圈；吸附阵59安装在低温制冷机54的二级冷头上，吸附阵55由多个长方形壳体组成，长方形壳体的上下表面开放，长方形壳体的侧面设有翅片；吸附阵55上安装有测温元件61；一级冷屏62固定安装在低温制冷机54的一级冷头上，表面发黑处理；热沉56安装在低温泵壳体58上；障板59固定安装在低温泵口处的热沉上，为板状结构，且障板的垂直方向对吸附阵55实现一次光学屏蔽，障板59表面喷涂有石墨涂层，障板测温元件60安装在障板59上。其中，吸附阵由1.5mm厚无氧铜铆接而成，在吸附阵与低温制冷机的二级冷头的连接处垫有铟垫片。所述热沉内通液氮、冷氮气或机械制冷工质。
所述副舱真空容器抽气系统用于实现副舱真空容器的真空环境，由螺杆泵、分子泵及阀门组成。
所述主舱真空容器和副舱真空容器之间设置插板阀，当主舱真空容器真空抽气系统出现故障时，离子推力器进入副舱真空容器。
所述主舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有放气阀，用于在需要时(例如打开舱门)向主舱真空容器和副舱真空容器充入空气，舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有真空度测量装置，测量范围1.33×105Pa～1.33×10-7Pa，因离子推力器产生的等离子体对真空度测量装置的测量精度和寿命产生严重影响，在真空度测量装置的测量端口位置设置等离子体吸收元件，用于吸收等离子体，该等离子体吸收元件为厚0.5mm的钼板，钼板上设若干个孔径为Ф1mm的小孔。另配有四极质谱仪检测主舱真空容器内气体成分，四极质谱仪长期安装在主舱真空容器上，其易受离子推力器产生的等离子体的影响，为此专门设计了检测室，并带有插板阀，离子推力器试验进行时，关闭插板阀，保护四极质谱仪。
所述主舱真空容器真空抽气系统和副舱真空容器真空抽气系统可由PLC控制系统控制其运行。
本发明的工作原理为：启动2套主舱真空容器真空抽气系统对主舱真空容器进行抽气，当主舱真空容器真空度小于10Pa时，启动主舱真空容器过渡抽气系统，当主舱真空容器真空度小于10-2Pa时，启动主舱真空容器高真空抽吸系统其中的4套，当真空度小于1.0×10-4Pa时，打开插板阀51，利用四极质谱仪检测氙气纯度，当氙气纯度达到99.999％以上时，开始试验。
当主舱真空容器出现故障时，移动离子推力器回副舱真空容器，关闭插板阀23，启动副舱真空容器真空抽气系统。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种离子推力器试验设备的真空抽气系统，其特征在于，包括用于实现离子推力器地面试验主舱真空容器真空环境的主舱真空容器真空抽气装置和用于实现离子推力器地面试验副舱真空容器真空环境的副舱真空容器真空抽气装置，以及控制模块；主舱真空容器与副舱真空容器之间设有第一插板阀；主舱真空容器真空抽气装置、副舱真空容器真空抽气装置与控制模块连接；
所述主舱真空容器真空抽气装置包括主舱真空容器粗抽组件、主舱真空容器过渡抽气组件和主舱真空容器高真空抽吸组件；
其中，主舱真空容器粗抽组件包括螺杆泵、罗茨泵和液氮冷阱，其中，螺杆泵依次连接罗茨泵、液氮冷阱和主舱真空容器，其中，螺杆泵与罗茨泵之间设有第一检漏接口，罗茨泵与液氮冷阱之间设有第一挡板阀，液氮冷阱与主舱真空容器之间设有第二插板阀；
主舱真空容器过渡抽气组件包括螺杆泵和分子泵，其中，螺杆泵依次连接分子泵和主舱真空容器粗抽组件的液氮冷阱，其中，在螺杆泵与分子泵之间设有第二检漏接口，分子泵与液氮冷阱之间设有第二挡板阀；
主舱真空容器高真空抽吸组件包括大口径低温泵和蜗旋泵，其中，大口径低温泵包括大口径抽氙气低温泵和大孔径普通低温泵；蜗旋泵依次连接大口径低温泵和主舱真空容器，其中，蜗旋泵与大口径低温泵之间设有第三挡板阀，大口径低温泵与主舱真空容器之间设有第三插板阀；大口径低温泵障板涂有防溅射涂层；
所述副舱真空容器抽气装置包括螺杆泵、分子泵和液氮冷阱，其中，螺杆泵依次连接分子泵、液氮冷阱和副舱真空容器，其中，螺杆泵与分子泵之间设有第三检漏接口，液氮冷阱与副舱真空容器之间设有第四插板阀；
主舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有放气阀；舱真空容器和副舱真空容器上分别设置有真空度测量装置；主舱真空容器上设有四极质谱仪；
启动主舱真空容器真空抽气系统对主舱真空容器进行抽气，当主舱真空容器真空度小于10Pa时，启动主舱真空容器过渡抽气系统，当主舱真空容器真空度小于10-2Pa时，启动主舱真空容器高真空抽吸系统，当真空度小于1.0×10-4Pa时，利用四极质谱仪检测主舱真空容器气体成分，当气体成分符合要求时，开始试验；
当主舱真空容器出现故障时，移动离子推力器回副舱真空容器，关闭主舱真空容器与副舱真空容器之间的插板阀，启动副舱真空容器真空抽气系统。
2.如权利要求1所述的离子推力器试验设备的真空抽气系统，其特征在于，在真空度测量装置的测量端口位置设置等离子体吸收元件，该等离子体吸收元件为厚0.5mm的钼板，钼板上设若干个孔径为Ф1mm的小孔。
3.如权利要求1所述的离子推力器试验设备的真空抽气系统，其特征在于，主舱真空容器内设有检测室，检测室与主舱真空容器之间设有插板阀，四极质谱仪位于检测室内，当离子推力器试验进行时，关闭插板阀，保护四极质谱仪；当需要检测主舱真空容器内气体成分时，打开检测室与主舱真空容器之间的插板阀，采用四极质谱仪进行检测。
4.如权利要求1所述的离子推力器试验设备的真空抽气系统，其特征在于，大口径抽氙低温泵包括低温制冷机(54)、吸附阵(55)、热沉(56)、防辐射屏(57)、泵壳(58)、障板(59)、障板测温元件(60)、吸附阵测温元件(61)和一级冷屏(62)；其中，低温制冷机(54)为二级低温制冷机，通过法兰安装在泵壳(58)上，并与泵壳(58)之间设有橡胶密封圈；吸附阵(59)安装在低温制冷机(54)的二级冷头上，吸附阵(55)由多个长方形壳体组成，长方形壳体的上下表面开放，长方形壳体的侧面设有翅片；吸附阵(55)上安装有测温元件(61)；一级冷屏(62)固定安装在低温制冷机(54)的一级冷头上，表面发黑处理；热沉(56)安装在低温泵壳体(58)上；障板(59)固定安装在低温泵口处的热沉上，为板状结构，且障板的垂直方向对吸附阵(55)实现一次光学屏蔽，障板(59)表面喷涂有石墨涂层，障板测温元件(60)安装在障板(59)上。
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