(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)，但由于空間試驗儀器耗資巨大且不可重復(fù)利用，導(dǎo)致對許多微觀物理過程難以進行精確研究。而試驗室等離子體具有易于重復(fù)、診斷精確、耗費較小等的特點，利用試驗室等離子來模擬空間物理過程對特定的空間觀測現(xiàn)象進行研究，是一種新的試驗手段和發(fā)展趨勢[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所需要的真空工作環(huán)境，同時為天線組、目標模擬組件、磁體線圈、等離子體源等關(guān)鍵部件提供試驗所需環(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)，同時又是復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)的真空技術(shù)指標、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[2]包括：

1)真空罐體有效空間：直徑Φ5 000 mm；柱段長度6 000 mm；

2)極限真空度：≤10 Pa(從大氣壓開始抽氣后，6小時內(nèi)達到)；

3)工作真空度：罐體抽真空達到極限真空度后，充入工作氣體氬氣，能夠?qū)崿F(xiàn)真空度連續(xù)可調(diào)，當進氣量為20～60 SLM任意給定值時，工作壓力可達到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：各漏點漏率之和≤1×10-5Pa·L/S。

1 負壓容器系統(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，采用電動方式進行開關(guān)控制。罐體按照壓力容器標準進行設(shè)計，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)計長度為6 000 mm，內(nèi)徑為Φ5 000 mm，罐體總長約為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)有限元分析旨在對真空容器在各種工況載荷狀況條件下進行強度校核和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算分析[3]。在此基礎(chǔ)上對計算結(jié)果的精度進行分析，驗證計算結(jié)果的收斂性。根據(jù)計算結(jié)果，從結(jié)構(gòu)強度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性3個方面進行分析，為真空容器結(jié)構(gòu)的改進以及優(yōu)化等給出建議。

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

圖2 臨近空間容器網(wǎng)格圖

對實體結(jié)構(gòu)采用實體單元進行劃分，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。約束模型一個鞍座的6個自由度，另一個鞍座豎直方向約束。對模型提交分析，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超過0.59 mm<2.5 mm(與抽真空前的校準位置相比較)，滿足任務(wù)的要求。

3)由有限元計算結(jié)果可以看出，容器系統(tǒng)的強度和形變均滿足要求，容器不會發(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)計計算

2.2.1 極限真空度所需抽速計算

真空系統(tǒng)為達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為艙體所能達到的極限真空(Pa)；P0為真空泵的極限真空(Pa)；Q0為空載時，經(jīng)過一定時間抽氣后真空室的氣體負荷(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)，計算出真空罐體內(nèi)表面釋放的總放氣負載，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 真空罐體內(nèi)部出氣的計算值

表2 真空罐體內(nèi)部出氣的計算值

對于真空罐體漏氣量，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)過上述計算，真空罐體空載時(內(nèi)部無器件)內(nèi)部氣體負荷確定為5.0 Pa·L/S，裝配微波暗室及全部運動、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)進行計算，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)，當進氣量為20～60 SLM任意給定值時，工作壓力可達到100～1 000 Pa范圍內(nèi)任意設(shè)定值。按照最大進氣量60 SLM和100 Pa的最低工作壓力代入公式(1)進行計算，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 抽氣時間所需抽速計算

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小時內(nèi)達到≤10 Pa；要滿足真空儲備艙抽氣時間要求?？筛鶕?jù)下式計算抽速：

(2)

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

綜合以上計算，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，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)粗抽機組初步布局位置可以假定估計粗抽主管道長度約10 m以內(nèi)[7]。粗抽管道的流導(dǎo)可以由以下粘滯流長圓管道流導(dǎo)公式[8]進行計算：

(3)

對選型后的真空機組能力進行復(fù)核復(fù)算[9-10]，根據(jù)公式(1)可知，粗抽機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)進行抽氣時間復(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，滿足抽氣時間要求。

3 壓力控制系統(tǒng)

真空系統(tǒng)需能實現(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)負責測量容器內(nèi)的當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，通過抽氣與進氣的平衡從而實現(xiàn)指定壓力值或者指定上升速率的調(diào)節(jié)與保持。

4 真空負壓系統(tǒng)

真空罐體配有潔凈的復(fù)壓系統(tǒng)，試驗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、管道等因素對于充氣速率的影響，復(fù)壓口徑采用DN63 mm口徑?？紤]到復(fù)壓系統(tǒng)的可靠性、復(fù)壓速率可調(diào)性，復(fù)壓閥門采用氣動擋板閥和手動閥并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，當氣動閥門故障時也能通過手動閥門復(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)壓時的噪音，在進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)采用本地和遠程兩種總控制模式，主要實現(xiàn)對真空機獲得系統(tǒng)及附屬設(shè)備的控制和監(jiān)測，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 測控系統(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)軟件實現(xiàn)所有可控設(shè)備的本地控制和可測參數(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。試驗現(xiàn)場控制采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)可獨立完成真空系統(tǒng)本地手動控制。在本地控制模式中，通過本地觸摸平板電腦進行手動操作控制，來實現(xiàn)對設(shè)備的控制，此時，計算機僅用于監(jiān)視所有參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)。若計算機遠程控制出現(xiàn)故障，可以隨時切換到本地控制模式，通過控制柜直接對設(shè)備進行控制。

遠程控制中采用基于現(xiàn)場工業(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。遠程控制以計算機為控制核心，遠程計算機與控制柜通過TCP/IP連接。在遠程控制模式包括遠程自動控制和遠程手動控制，通過點擊計算機組態(tài)畫面中的按鈕進行控制切換，來實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制，計算機組態(tài)畫面中不僅要實現(xiàn)對流程所有參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，還要實現(xiàn)對要求的試驗數(shù)據(jù)的顯示和存儲。

5.2 系統(tǒng)軟件

測控軟件設(shè)計包括PLC底層程序的設(shè)計和組態(tài)軟件的設(shè)計，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進行開發(fā)，具備如下功能：

1)實現(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：實現(xiàn)泵組的遠程手/自動啟?？刂乒δ?，并具有泵組的啟停、運行狀態(tài)及故障報警等狀態(tài)監(jiān)測功能；可實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的開度狀態(tài)、故障等參數(shù)監(jiān)測功能，并具有閥門的開度控制功能；能實現(xiàn)開關(guān)閥門的開關(guān)狀態(tài)、故障等參數(shù)監(jiān)測功能，并具有閥門的開關(guān)控制功能；能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的各種壓力、溫度、液位、流量等參數(shù)監(jiān)測功能。

2)自動流程軟件。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)壓的抽氣流程自動控制；設(shè)備在自動功能運行前，具備有自診斷功能，對設(shè)備狀態(tài)進行檢測并給出結(jié)果；設(shè)備在自動功能運行時，應(yīng)具有運行中的狀態(tài)顯示；設(shè)備退出自動功能運行時，應(yīng)保持當前狀態(tài)不變。

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

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

組態(tài)軟件可實現(xiàn)以下人機交互界面:

1)工藝流程畫面：根據(jù)真空系統(tǒng)工藝流程設(shè)計，建立對應(yīng)的工藝流程畫面，可在畫面中對每一設(shè)備的運行狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)進行查看。監(jiān)視系統(tǒng)中各設(shè)備的運行狀態(tài)和試驗進程。此外，對于開放了控制權(quán)限的設(shè)備，可通過畫面上的按鈕進行控制。

工藝流程畫面功能包括：以圖像化形式向試驗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)；在畫面中點擊可控設(shè)備的圖元，可對相應(yīng)設(shè)備進行控制，如泵的啟動停止、閥門的開啟關(guān)閉等；對于控制類的操作(如開關(guān)閥門、泵啟停、修改控制參數(shù)等)有彈出確認窗口，點擊確認后控制命令下發(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)；對于傳感器狀態(tài)，綠色表示正常，紅色表示數(shù)據(jù)超限報警，報警限值可在畫面中設(shè)置；對于設(shè)備狀態(tài)，綠色表示運行中，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；在畫面中進行報警提示，當發(fā)生報警事件時，通知試驗人員進行應(yīng)對處理；

2)曲線顯示畫面：對所有采集的實時數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示，支持多條曲線的同時或單獨顯示，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：以曲線形式向試驗人員展示某一段時間內(nèi)的某項數(shù)據(jù)的趨勢曲線；曲線水平坐標顯示時間點，垂直坐標顯示數(shù)據(jù)量程與數(shù)值；曲線顯示界面可以顯示所有測量參數(shù)的歷史及實時曲線，x、y軸范圍可調(diào)；通過實時數(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；在實時曲線顯示中，顯示時間為當前時間至之前兩個小時； 在歷史曲線顯示中，顯示起始時間、終止時間可通過時間選擇插件設(shè)置； 通過按住鼠標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；通過坐標軸快速設(shè)置按鈕，進行坐標軸平移、時間快捷設(shè)置等操作。

3)數(shù)據(jù)查詢畫面：建立獨立數(shù)據(jù)詢畫面，可查詢系統(tǒng)的歷史運行狀態(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)報警信息畫面：在報警信息畫面中，顯示當前系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信息，包括實時報警和歷史報警。并可對當前的實時報警進行人工處理。

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，且對許多微觀物理過程難以進行精確研究的缺點[14]。文中通過分析計算，提供了一種研究試驗所需要的真空工作環(huán)境設(shè)計方案，并詳細介紹了模擬系統(tǒng)中的負壓容器系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、真空負壓系統(tǒng)以及控制子系統(tǒng)的功能與組成，同時，對容器機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)真空獲得能力進行了有限元分析和數(shù)值計算，進一步驗證了本文真空工作環(huán)境設(shè)計的可行性。試驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)各項指標優(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]。