(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2.航天恒星科技有限公司，北京 100095)

0 引言

傳統(tǒng)的空間等離子體研究方法是通過發(fā)射深空火箭或人造衛(wèi)星從而獲取空間等離子體的數(shù)據(jù)參數(shù)，但由于空間試驗(yàn)儀器耗資巨大且不可重復(fù)利用，導(dǎo)致對(duì)許多微觀物理過程難以進(jìn)行精確研究。而試驗(yàn)室等離子體具有易于重復(fù)、診斷精確、耗費(fèi)較小等的特點(diǎn)，利用試驗(yàn)室等離子來模擬空間物理過程對(duì)特定的空間觀測(cè)現(xiàn)象進(jìn)行研究，是一種新的試驗(yàn)手段和發(fā)展趨勢(shì)[1]。大型臨近空間等離子體真空環(huán)境模擬系統(tǒng)屬于國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地面模擬裝置(SESRI)”中的重要組成部分，是空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)的主體部分。

本文介紹了一種大型臨近空間等離子體真空環(huán)境模擬技術(shù)，用于為空間等離子體環(huán)境模擬與研究裝置提供試驗(yàn)所需要的真空工作環(huán)境，同時(shí)為天線組、目標(biāo)模擬組件、磁體線圈、等離子體源等關(guān)鍵部件提供試驗(yàn)所需環(huán)境，并為相關(guān)的其他單元提供安裝基礎(chǔ)和接口等。該系統(tǒng)既是大型真空系統(tǒng)，同時(shí)又是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)的真空技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高可靠性是其最基本的要求。該系統(tǒng)主要由負(fù)壓容器系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，主要功能指標(biāo)[2]包括：

1)真空罐體有效空間：直徑Φ5 000 mm；柱段長(zhǎng)度6 000 mm；

2)極限真空度：≤10 Pa(從大氣壓開始抽氣后，6小時(shí)內(nèi)達(dá)到)；

3)工作真空度：罐體抽真空達(dá)到極限真空度后，充入工作氣體氬氣，能夠?qū)崿F(xiàn)真空度連續(xù)可調(diào)，當(dāng)進(jìn)氣量為20～60 SLM任意給定值時(shí)，工作壓力可達(dá)到100～1 000 Pa范圍內(nèi)任意設(shè)定值，控制精度應(yīng)優(yōu)于±5%；

4)真空系統(tǒng)總漏率：各漏點(diǎn)漏率之和≤1×10-5Pa·L/S。

1 負(fù)壓容器系統(tǒng)

1.1 主體結(jié)構(gòu)

臨近空間等離子體環(huán)境真空罐罐體為臥式圓柱結(jié)構(gòu)，罐體一端是大門，采用電動(dòng)方式進(jìn)行開關(guān)控制。罐體按照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，材料選用優(yōu)質(zhì)304不銹鋼，內(nèi)表面拋光后粗糙度不大于1.6。直筒段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6 000 mm，內(nèi)徑為Φ5 000 mm，罐體總長(zhǎng)約為8 454 mm，罐體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 容器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析

容器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析旨在對(duì)真空容器在各種工況載荷狀況條件下進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計(jì)算分析[3]。在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度進(jìn)行分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的收斂性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性3個(gè)方面進(jìn)行分析，為真空容器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及優(yōu)化等給出建議。

對(duì)真空容器的三維模型進(jìn)行幾何清理，根據(jù)壓力容器的實(shí)體結(jié)構(gòu)直接按照區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 臨近空間容器網(wǎng)格圖

對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行劃分，根據(jù)要求附加材料屬性，其中觀察窗為石英玻璃，其余結(jié)構(gòu)均為不銹鋼材料。

設(shè)置模型的邊界條件。約束模型一個(gè)鞍座的6個(gè)自由度，另一個(gè)鞍座豎直方向約束。對(duì)模型提交分析，并在后續(xù)處理中分別提取容器整體，并觀察窗開孔處、結(jié)構(gòu)突變處等局部應(yīng)力/位移或分布應(yīng)力/位移較大區(qū)域應(yīng)力/位移分析圖及最大應(yīng)力/位移值[4]。

1.2.1 有限元計(jì)算結(jié)果

真空容器的整體應(yīng)力分布與最大應(yīng)力位置，如圖3所示。其最大應(yīng)力為113.2 MPa，應(yīng)力較高的區(qū)域主要集中在真空罐體平面端蓋組件的轉(zhuǎn)接法蘭處。

圖3 真空容器的整體應(yīng)力分布與最大應(yīng)力位置

真空容器的整體位移分布與最大位移位置，如圖4所示。其中最大變形位移為2.85 mm，出現(xiàn)在平面端蓋組件的中間部位。

圖5 容器直筒段的位移分布云圖

圖4 真空容器的整體位移分布與最大位移位置

提取直筒段的局部變形，容器直筒段局部變形位移量如圖5所示，可以看出，結(jié)構(gòu)變形較大的區(qū)域主要位于法蘭開口的容器壁一側(cè)，該段區(qū)域最大結(jié)構(gòu)變形位移量為0.59 mm。

1.2.2 結(jié)果分析

1)真空容器的整體應(yīng)力水平較低，其最大應(yīng)力為113.2 MPa，小于不銹鋼材料的許用應(yīng)力，容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；

2)容器直筒段局部變形圖顯示，最大結(jié)構(gòu)變形位移量為0.59 mm。因此，臨近空間容器由真空變形所導(dǎo)致的天線位置的偏移不會(huì)超過0.59 mm<2.5 mm(與抽真空前的校準(zhǔn)位置相比較)，滿足任務(wù)的要求。

3)由有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，容器系統(tǒng)的強(qiáng)度和形變均滿足要求，容器不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的情況。

2 真空獲得系統(tǒng)

2.1 功能與組成

臨近空間等離子體環(huán)境真空獲得、測(cè)量及控制系統(tǒng)主要用于提供滿足裝置潔凈真空品質(zhì)要求和裝置運(yùn)行需求的真空獲得能力。該系統(tǒng)由泵組、真空抽氣管道、各類真空隔斷閥門、復(fù)壓閥門、波紋管、真空獲得控制系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 真空系統(tǒng)組成原理圖

2.2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 極限真空度所需抽速計(jì)算

真空系統(tǒng)為達(dá)到所需極限或工作真空度所需要的抽速[5]，由下式?jīng)Q定：

(1)

式中，Pj為艙體所能達(dá)到的極限真空(Pa)；P0為真空泵的極限真空(Pa)；Q0為空載時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間抽氣后真空室的氣體負(fù)荷(包括漏氣QL、材料表面出氣Qe)(Pa·L/S);Q1為真空室的工藝氣體負(fù)荷；Seff為真空室抽氣口附近泵的有效抽速(L/S)。

上式中，真空罐體的極限真空通常總是低于真空抽氣機(jī)組的極限真空，即P0<

根據(jù)真空罐體尺寸以及其它分系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出真空罐體內(nèi)表面釋放的總放氣負(fù)載，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 真空罐體內(nèi)部出氣的計(jì)算值

表2 真空罐體內(nèi)部出氣的計(jì)算值

對(duì)于真空罐體漏氣量，為使漏氣不影響空載的極限真空度應(yīng)限制漏氣率，一般設(shè)備漏氣率應(yīng)比出氣率低10倍[6]，由于容器最后安裝的法蘭及接插件處易產(chǎn)生泄漏，故這些部件的漏率應(yīng)占允許漏率的大部分，而容器的焊縫以后不會(huì)拆開，根據(jù)技術(shù)要求，確定真空系統(tǒng)總漏率≤1×10-5Pa·L/S。

經(jīng)過上述計(jì)算，真空罐體空載時(shí)(內(nèi)部無器件)內(nèi)部氣體負(fù)荷確定為5.0 Pa·L/S，裝配微波暗室及全部運(yùn)動(dòng)、支撐部件后真空罐體內(nèi)放氣量約為8×104Pa·L/S，將放氣量與所需極限真空度代入公式(1)進(jìn)行計(jì)算，可知真空獲得系統(tǒng)所需抽速需不小于8 000 L/S (約為28 800 m3/h)。

要求工作真空度：罐體抽真空達(dá)到極限真空度后，充入工作氣體氬氣，能夠?qū)崿F(xiàn)真空度連續(xù)可調(diào)，當(dāng)進(jìn)氣量為20～60 SLM任意給定值時(shí)，工作壓力可達(dá)到100～1 000 Pa范圍內(nèi)任意設(shè)定值。按照最大進(jìn)氣量60 SLM和100 Pa的最低工作壓力代入公式(1)進(jìn)行計(jì)算，可知真空獲得系統(tǒng)維持工作真空度所需抽速需不小于8 000 L/S(3 600 m3/h)。

2.2.2 抽氣時(shí)間所需抽速計(jì)算

真空獲得系統(tǒng)還要求可將真空罐體從大氣壓開始抽氣后，4小時(shí)內(nèi)達(dá)到≤10 Pa；要滿足真空儲(chǔ)備艙抽氣時(shí)間要求。可根據(jù)下式計(jì)算抽速：

(2)

式中，t為抽氣時(shí)間(h)；Se為干泵的有效抽速(m3/h)；V為容器的容積(m3)；P1為開始抽氣時(shí)的壓力(Pa)；P2為t時(shí)間后所達(dá)壓力；K為修正系數(shù)。

綜合以上計(jì)算，為滿足臨近空間等離子體環(huán)境模擬分系統(tǒng)真空罐所需要的真空指標(biāo)，真空系統(tǒng)所需要的最低抽速需不小于8 000 L/S(約為28 800 m3/h)。

2.2.3 真空獲得系統(tǒng)復(fù)核復(fù)算

根據(jù)粗抽機(jī)組初步布局位置可以假定估計(jì)粗抽主管道長(zhǎng)度約10 m以內(nèi)[7]。粗抽管道的流導(dǎo)可以由以下粘滯流長(zhǎng)圓管道流導(dǎo)公式[8]進(jìn)行計(jì)算：

(3)

對(duì)選型后的真空機(jī)組能力進(jìn)行復(fù)核復(fù)算[9-10]，根據(jù)公式(1)可知，粗抽機(jī)組可將真空罐體抽至≤10 Pa，滿足極限真空度的要求。根據(jù)公式(2)進(jìn)行抽氣時(shí)間復(fù)算，真空獲得系統(tǒng)可在1.5 h內(nèi)將容器抽至所需壓力，滿足抽氣時(shí)間要求。

3 壓力控制系統(tǒng)

真空系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)罐體不同高度下壓力的恒定維持與調(diào)節(jié)，在艙體上配置真空規(guī)，真空泵組與艙段之間配備可調(diào)閥門。真空規(guī)負(fù)責(zé)測(cè)量容器內(nèi)的當(dāng)前真空度并反饋到控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果來控制調(diào)節(jié)閥門的開度，通過抽氣與進(jìn)氣的平衡從而實(shí)現(xiàn)指定壓力值或者指定上升速率的調(diào)節(jié)與保持。

4 真空負(fù)壓系統(tǒng)

真空罐體配有潔凈的復(fù)壓系統(tǒng)，試驗(yàn)完成后使用潔凈空氣復(fù)壓至大氣壓階段，考慮到過濾器、消音器、擋板閥開度和轉(zhuǎn)角、管道等因素對(duì)于充氣速率的影響，復(fù)壓口徑采用DN63 mm口徑。考慮到復(fù)壓系統(tǒng)的可靠性、復(fù)壓速率可調(diào)性，復(fù)壓閥門采用氣動(dòng)擋板閥和手動(dòng)閥并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)氣動(dòng)閥門故障時(shí)也能通過手動(dòng)閥門復(fù)壓，確保能夠復(fù)壓開門[11]。為了獲得凈化的空氣及減少復(fù)壓時(shí)的噪音，在進(jìn)氣口上安裝空氣過濾器和吸收性消音器，過濾器可濾除以3 μ以上的固態(tài)顆粒[11-13]，吸收性消音器可以降低高頻率噪音20 dB。

5 控制系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

臨近空間等離子體環(huán)境控制系統(tǒng)采用本地和遠(yuǎn)程兩種總控制模式，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)真空機(jī)獲得系統(tǒng)及附屬設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)本地控制選用以S7-300為核心的集散式控制架構(gòu)，集成于本地控制柜中。通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)所有可控設(shè)備的本地控制和可測(cè)參數(shù)的監(jiān)視。

本地控制主要包括系統(tǒng)內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備、傳感器、控制柜。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可獨(dú)立完成真空系統(tǒng)本地手動(dòng)控制。在本地控制模式中，通過本地觸摸平板電腦進(jìn)行手動(dòng)操作控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，此時(shí)，計(jì)算機(jī)僅用于監(jiān)視所有參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。若計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制出現(xiàn)故障，可以隨時(shí)切換到本地控制模式，通過控制柜直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

遠(yuǎn)程控制中采用基于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制通用組態(tài)軟件的方案與基于通用編程語言自主開發(fā)的方案相融合的方式。遠(yuǎn)程控制以計(jì)算機(jī)為控制核心，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與控制柜通過TCP/IP連接。在遠(yuǎn)程控制模式包括遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，通過點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)組態(tài)畫面中的按鈕進(jìn)行控制切換，來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，計(jì)算機(jī)組態(tài)畫面中不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)流程所有參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。

5.2 系統(tǒng)軟件

測(cè)控軟件設(shè)計(jì)包括PLC底層程序的設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)總圖如圖8所示。

圖8 軟件結(jié)構(gòu)總圖

PLC底層程序采用STEP7進(jìn)行開發(fā)，具備如下功能：

1)實(shí)現(xiàn)真空子系統(tǒng)所有可控設(shè)備的本地控制和數(shù)據(jù)采集，具體包括：實(shí)現(xiàn)泵組的遠(yuǎn)程手/自動(dòng)啟?？刂乒δ?，并具有泵組的啟停、運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能；可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的開度狀態(tài)、故障等參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，并具有閥門的開度控制功能；能實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥門的開關(guān)狀態(tài)、故障等參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，并具有閥門的開關(guān)控制功能；能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的各種壓力、溫度、液位、流量等參數(shù)監(jiān)測(cè)功能。

2)自動(dòng)流程軟件。按照真空系統(tǒng)工藝流程，完成從粗真空→高真空→系統(tǒng)復(fù)壓的抽氣流程自動(dòng)控制；設(shè)備在自動(dòng)功能運(yùn)行前，具備有自診斷功能，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并給出結(jié)果；設(shè)備在自動(dòng)功能運(yùn)行時(shí)，應(yīng)具有運(yùn)行中的狀態(tài)顯示；設(shè)備退出自動(dòng)功能運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保持當(dāng)前狀態(tài)不變。

3)聯(lián)動(dòng)互鎖保護(hù)軟件。根據(jù)真空系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)置設(shè)備之間的連鎖保護(hù)功能；真空安全巡檢采用獨(dú)立的程序模塊，掃描周期10 ms；在異常情況下，連鎖保護(hù)功包括禁止泵組啟動(dòng)、禁止閥門打開、啟動(dòng)連鎖停機(jī)等；連鎖保護(hù)功能具有啟動(dòng)或取消的設(shè)置選項(xiàng)；連鎖保護(hù)具有觸發(fā)后記錄功能。

組態(tài)軟件在Windows 7操作系統(tǒng)上運(yùn)行，選用與集中控制相同的軟件平臺(tái)，通過PC機(jī)的以太網(wǎng)接口與PLC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制軟件需具備多級(jí)用戶管理機(jī)制，通過組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的瀏覽、監(jiān)視、記錄、導(dǎo)出、打印。

組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)以下人機(jī)交互界面:

1)工藝流程畫面：根據(jù)真空系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)，建立對(duì)應(yīng)的工藝流程畫面，可在畫面中對(duì)每一設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。監(jiān)視系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和試驗(yàn)進(jìn)程。此外，對(duì)于開放了控制權(quán)限的設(shè)備，可通過畫面上的按鈕進(jìn)行控制。

工藝流程畫面功能包括：以圖像化形式向試驗(yàn)人員展示完整的工藝流程：在工藝流程相應(yīng)位置以數(shù)字的方式顯示工藝流程中的傳感器數(shù)據(jù)；在畫面中點(diǎn)擊可控設(shè)備的圖元，可對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，如泵的啟動(dòng)停止、閥門的開啟關(guān)閉等；對(duì)于控制類的操作(如開關(guān)閥門、泵啟停、修改控制參數(shù)等)有彈出確認(rèn)窗口，點(diǎn)擊確認(rèn)后控制命令下發(fā)；在工藝流程相應(yīng)位置以不同顏色圖元顯示設(shè)備、傳感器的狀態(tài)；對(duì)于傳感器狀態(tài)，綠色表示正常，紅色表示數(shù)據(jù)超限報(bào)警，報(bào)警限值可在畫面中設(shè)置；對(duì)于設(shè)備狀態(tài)，綠色表示運(yùn)行中，紅色表示停止中，灰色表示狀態(tài)不可知或未上電，黃閃表示設(shè)備故障；在畫面中進(jìn)行報(bào)警提示，當(dāng)發(fā)生報(bào)警事件時(shí)，通知試驗(yàn)人員進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理；

2)曲線顯示畫面：對(duì)所有采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示，支持多條曲線的同時(shí)或單獨(dú)顯示，并支持歷史數(shù)據(jù)曲線得出查詢。

曲線顯示畫面功能包括：以曲線形式向試驗(yàn)人員展示某一段時(shí)間內(nèi)的某項(xiàng)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線；曲線水平坐標(biāo)顯示時(shí)間點(diǎn)，垂直坐標(biāo)顯示數(shù)據(jù)量程與數(shù)值；曲線顯示界面可以顯示所有測(cè)量參數(shù)的歷史及實(shí)時(shí)曲線，x、y軸范圍可調(diào)；通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)/歷史數(shù)據(jù)，選擇要查看的曲線類型；通過曲線選擇下拉菜單選擇要查看的曲線數(shù)據(jù)源；在實(shí)時(shí)曲線顯示中，顯示時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間至之前兩個(gè)小時(shí)； 在歷史曲線顯示中，顯示起始時(shí)間、終止時(shí)間可通過時(shí)間選擇插件設(shè)置； 通過按住鼠標(biāo)左鍵并在曲線畫面中拖拽，可放大顯示拖拽過程中選中的局部曲線；通過坐標(biāo)軸快速設(shè)置按鈕，進(jìn)行坐標(biāo)軸平移、時(shí)間快捷設(shè)置等操作。

3)數(shù)據(jù)查詢畫面：建立獨(dú)立數(shù)據(jù)詢畫面，可查詢系統(tǒng)的歷史運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，包括查看操作日志，關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)。

4)報(bào)警信息畫面：在報(bào)警信息畫面中，顯示當(dāng)前系統(tǒng)產(chǎn)生的報(bào)警信息，包括實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警。并可對(duì)當(dāng)前的實(shí)時(shí)報(bào)警進(jìn)行人工處理。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種大型臨近空間等離子體真空環(huán)境模擬技術(shù)，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)的空間等離子體研究方法耗資巨大、不可重復(fù)利用，且對(duì)許多微觀物理過程難以進(jìn)行精確研究的缺點(diǎn)[14]。文中通過分析計(jì)算，提供了一種研究試驗(yàn)所需要的真空工作環(huán)境設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了模擬系統(tǒng)中的負(fù)壓容器系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、真空負(fù)壓系統(tǒng)以及控制子系統(tǒng)的功能與組成，同時(shí)，對(duì)容器機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)真空獲得能力進(jìn)行了有限元分析和數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文真空工作環(huán)境設(shè)計(jì)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，可以有效減小壁效應(yīng)在空間等離子體研究過程中的影響[15]。