為計算航天器上兩個密封艙內存在壓差時相互進行壓力平衡所需的平衡時間,通過壓力平衡過程的分析,建立了近似的數學模型,進行了分析計算,并通過容積縮比方法對計算結果進行了試驗驗證,得到了滿意的結果,不僅能達到節約成本和時間的目的,更具有普遍性。

　　載人航天器在軌飛行期間，由于各密封艙內的壓力控制精度范圍、密封艙漏率不同等因素影響，導致各個艙內之間存在一定的壓差。此壓差的存在，航天員穿艙活動時，不能直接打開艙門，需通過專用的閥門平衡兩艙之間的壓差后，方可打開艙門，進行穿艙活動。為此設計了一種用于平衡載人航天器兩個密封艙之間壓差的閥門，簡稱平衡閥。

　　載人航天器密封艙內的壓力值基本為一個大氣壓，屬于低真空范圍^[1]，兩艙壓差不大于20 kPa，且兩艙之間壓力平衡時處于與外界密閉的狀態，因此兩艙壓力平衡時間的計算既不能按真空系統中抽氣時間或向真空系統中充氣時間進行，也不同于氣動工程中向貯氣罐充氣或放氣所用時間計算方法。雖然可通過實際的試驗驗證即可得到相應的壓力平衡時間，但由于條件的限制以及時間、成本的影響，不宜在載人航天器不同的兩個密封艙內進行實際測試，通過理論分析以及縮比容積方法的試驗驗證，不僅能達到節約真空設備成本和時間的目的，并且更具有普遍性。

兩艙壓力平衡過程的分析與模型建立

平衡閥有效面積

　　由于閥門內部結構一般較為復雜，設想通過該閥門的實際流量就等于在相同條件下通過一理想節流孔的流量，此理想節流孔的流通面積稱為該閥門的有效流通截面積（簡稱有效面積），用S 表示，使得研究問題的復雜性大為簡化。有效面積可通過計算或者容器放氣法測定^[2] 。

壓力平衡過程中氣體流動狀態

　　航天器密封艙內的氣體成分接近空氣，空氣分子在常溫（20℃）條件下的平均自由程可用（1）式簡單表示^[3]：

　　兩個密封艙進行壓力平衡時均在大氣壓附近，因此平均自由程的值遠小于閥門閥口的孔徑，氣體分子在閥門附近要產生頻繁的碰撞。所以壓力平衡過程中氣體分子通過閥門流動時由于慣性力的作用，首先是湍流狀態，隨著壓差的減小，慣性力減弱，氣體內的摩擦力起主要作用，進入粘滯流狀態。

壓力平衡時間的計算

　　壓力平衡過程中，兩艙的壓力、通過閥門閥口的流量隨著時間的變化而變化，實際的流動狀態為一維非定常絕熱過程。非穩定流動的計算，牽涉到求解復雜的微分方程。但如果這類流動能
滿足一定的具體條件，則可利用穩定流動的一些概念及公式，對它們做近似的計算^[4] 。近似計算的前提為：雖然密封艙中的壓力允許不時地變化，但通過閥門中的氣體流動狀態及壓力分布卻很快就已穩定，這種流動狀態稱為準穩定流動。假定閥門的有效面積為S，兩艙的溫度相同，密封艙1 內初始壓力P1、體積V1；密封艙2 內初始壓力P2、體積V2，且P1>P2，密封艙1 向密封艙2 進行壓力平衡，平衡后的壓力為P0，兩艙連接示意圖見圖1。

　　通過理論分析，給出了兩艙壓差、平衡壓力和時間的關系，同時也表明在有限時間內，兩艙的壓力不可能達到絕對平衡。此結果可直接應用到計算航天器密封艙之間壓力平衡時間的估算，可以節約試驗成本和縮短產品的研制周期；由于航天器密封艙內儀器設備布局的因素，與實際壓力平衡過程有一定的差別，可通過縮比容積法進行修正，得到更為精確的平衡時間；將復雜結構的閥門流導轉化為理想節流孔，利用有效面積進行計算，該計算方法亦具有普遍性。

　　[1] 徐成海. 真空工程技術[M]. 北京：化學工業出版社，2006：349.
　　[2] 聞邦椿.機械設計手冊：第五卷[M].北京：機械工業出版社，1992.
　　[3] 達道安. 真空設計手冊[M]. 北京：國防工業出版社，1991：35,101.
　　[4] 王欲知，陳旭. 真空技術.2 版[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007：560.