內置式深冷泵抽速計算及數值模擬研究

2012-06-24 王文龍 北京航空航天大學宇航學院

  基于全艙布泵概念設計的內置式深冷泵真空羽流效應實驗中維持真空艙內動態真空度的關鍵真空設備。對基于麥克斯韋速度分布假設的內置式深冷泵抽速計算公式分析發現,該式不適用于帶噴流的空間發動機羽流實驗艙內的動態真空度和冷板面積計算。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法對所設計的內置式深冷泵的抽速和真空艙內的動態真空度進行了數值模擬研究,結果表明DSMC方法在給定條件下能更準確地計算帶噴流的空間發動機羽流實驗艙內的動態真空度和冷板面積,計算結果與國外同類實驗中空間發動機噴流流量與所需冷板面積的計算結果一致。

  空間發動機的羽流效應實驗時對地面模擬實驗設備的抽氣能力要求較高, 需要在真空艙內維持動態真空度215@10-3Pa 量級( 發動機工作高度約120km) 。對于體積幾百立方米的大型真空艙, 通常在艙內布置低溫冷板陣列, 靠低溫冷凝吸附的原理抽除艙內殘余的或空間發動機噴流產生氣體分子。內置式低溫泵的抽氣速率( 抽速) 與冷板陣列的面積有關, 冷板面積越大, 抽速越大; 冷板溫度越低, 能抽除氣體分子的種類越多。當空間發動機進行長脈沖、大放氣量的羽流效應實驗時, 內置式低溫泵的抽氣能力需達幾百萬升每秒量級, 且發動機噴流中通常帶有氫成分, 需要內置式深冷泵才能滿足試驗要求[1-4] 。根據Neary 的報告[5-6] , 噴流中含氫的空間發動機實驗時需要兩級的深冷泵: 噴流先被液氮冷卻的低溫泵預冷, 再被液氦冷卻的深冷泵吸附, 前者既是后者的輔助泵又是防輻射屏。對于質量流量4154@10-5 kg/ s 的空間發動機, 維持動態真空度1@ 10-3 Pa, 需要液氦冷板陣列面積57 m2。

  隨著空間發動機羽流實驗對內置式深冷泵抽速要求的不斷提高, 同時為了在有限的真空艙內布置盡可能大的冷板面積, 一種基于全艙布泵概念(total chamber cryopump concept, TCP) 的內置式深冷泵方案得以提出[7-9] 。在真空艙內布滿液氦冷卻的低溫冷板陣列, 以使泵抽速最大化, 在真空艙與液氦冷板之間布置液氮冷卻的冷板陣列, 作為液氦深冷泵的輔助泵, 通過合理的幾何布局使得進入液氮低溫泵和液氦深冷泵之間的氣體分子經多次碰撞后吸附在冷板陣列表面, 液氮低溫泵的另一個功能是液氦深冷泵的防輻射屏[10- 12] 。

  基于TCP 技術, 北京航空航天大學投建了中國首座專門用于真空羽流效應實驗研究的內置式深冷泵, 該泵采用一體式結構設計, 安裝在內徑5512 m@1216m的臥式真空艙內, 如圖1 所示, 該深冷泵為臥式圓筒形, 由液氦冷板陣列、液氮冷屏、羽流吸附泵組成。液氦冷板陣列總面積為285 m2, 對氮氣的設計抽速達10X10+7L/ s。

PES羽流效應實驗設備

圖1 PES羽流效應實驗設備

抽速公式分析

  內置式深冷泵屬于非標準設計, 其抽速大多靠實際測量獲得。理論計算中抽速決定于可冷凝氣體分子撞擊深冷表面的幾率和這些分子撞擊深冷表面被捕捉的幾率。根據麥克斯韋分子運動論, 在自由分子流范圍內, 假設第一次碰撞在深冷表面上的每個分子均被捕獲, 則其單位面積深冷表面上分子容積流量的最大速率等于麥克斯韋分子在單位時間內碰撞到單位面積深冷表面的區域體積, 如圖2 所示。

粒子撞擊深冷板表面區域示意圖

圖2 粒子撞擊深冷板表面區域示意圖

結論

  (1) 基于氣體分子宏觀速度為零和氣體在到達冷板表面時剛好膨脹到環境壓強兩個假設的麥克斯韋速度函數提出的內置式深冷泵抽速計算公式不適用于帶噴流的空間發動機羽流效應真空艙內的動態真空度和冷板面積計算。

  (2)DSMC 方法能夠更準確地計算給定條件下帶噴流的空間發動機羽流實驗艙內的動態真空度和冷板面積, 計算結果與國外同類實驗中噴流流量與所需冷板面積的計算結果一致。

  (3) 采用DSMC 方法對北航基于全艙布泵概念設計的內置式深冷泵的抽氣能力進行了數值模擬研究, 結果表明無論有無羽流吸附泵時, 2g/s 級發動機點火時, 內置式液氦深冷泵都能滿足整個環境的背壓小于1@10-3 Pa, 羽流吸附泵能有效地阻止壓縮波向噴管方向推進。

參考文獻:
  [1]黃本誠,陳金明.空間真空環境與真空技術[M].北京:國防工業出版社,2005:17-92
  [2]黃本誠,童靖宇.空間環境工程學[M].北京:中國科學技術出版社,2010:124-138
  [3]陳長琦,謝遠來,王娟,等.用于中性束注入器的4.2K液氦低溫冷凝泵的設計[J].真空科學與技術學報,2003,23(6):400-407
  [4]楊長春,潘皖江,武松濤.玻璃鋼復合材料無磁杜瓦真空性能研究[J].真空科學與技術學報,2010,30(2):193-197
  [5]Dettleff G,Klaus Plahn.Initial Experimental Results from theNew DLR-High Vacuum Plume Test Facility STG[R].AIAA93-3297,1997
  [6]Georg Dettleff,Klaus Plahn.Experimental Investigation ofFu-lly Expanding Free Jets and Plumes[M].In:Proc 21st IntSymp Rarefied Gas Dynamics,Cepadues Editions,Toulouse1999:607-614
  [7]Ketsdever Andrew D.An Overview of Ground Based Space-craf-t Thruster Interaction Studies:FacilityDesign Issues[A].IAA-2000-0463,2000
  [8]Lutfy F M,Vargo S E,Muntz E P.The David P Weaver Co-llaborative High Altitude FlowFacility’s CHAFF-4 for Studiesof Pacecraft Propulsion Plumesand Contamination[R].AIAA98-3654,1998
  [9]Ketsdever,Jamison Andrew D,Andrew Eccles,et al.An Ad-vanced Cryogenic Pumping Concept for Spacecraf-t ThrusterInteraction and Contamination Facilities[R].AIAA 2000-2362,2000
  [10]達道安.真空設計手冊(第3版)[M].北京:國防工業出版社2006:416-418
  [11]胡盤新,大學物理手冊[M].上海:上海交通大學出版社,2002:150-156
  [12]黃本誠.黃本誠文集[M].北京:中央編譯出版社,2007:16-25;25-39