内置式深冷泵抽速计算及数值模拟研究
基于全舱布泵概念设计的内置式深冷泵是真空羽流效应实验中维持真空舱内动态真空度的关键真空设备。对基于麦克斯韦速度分布假设的内置式深冷泵抽速计算公式分析发现,该式不适用于带喷流的空间发动机羽流实验舱内的动态真空度和冷板面积计算。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对所设计的内置式深冷泵的抽速和真空舱内的动态真空度进行了数值模拟研究,结果表明DSMC方法在给定条件下能更准确地计算带喷流的空间发动机羽流实验舱内的动态真空度和冷板面积,计算结果与国外同类实验中空间发动机喷流流量与所需冷板面积的计算结果一致。
空间发动机的羽流效应实验时对地面模拟实验设备的抽气能力要求较高, 需要在真空舱内维持动态真空度215@10-3Pa 量级( 发动机工作高度约120km) 。对于体积几百立方米的大型真空舱, 通常在舱内布置低温冷板阵列, 靠低温冷凝吸附的原理抽除舱内残余的或空间发动机喷流产生气体分子。内置式低温泵的抽气速率( 抽速) 与冷板阵列的面积有关, 冷板面积越大, 抽速越大; 冷板温度越低, 能抽除气体分子的种类越多。当空间发动机进行长脉冲、大放气量的羽流效应实验时, 内置式低温泵的抽气能力需达几百万升每秒量级, 且发动机喷流中通常带有氢成分, 需要内置式深冷泵才能满足试验要求[1-4] 。根据Neary 的报告[5-6] , 喷流中含氢的空间发动机实验时需要两级的深冷泵: 喷流先被液氮冷却的低温泵预冷, 再被液氦冷却的深冷泵吸附, 前者既是后者的辅助泵又是防辐射屏。对于质量流量4154@10-5 kg/ s 的空间发动机, 维持动态真空度1@ 10-3 Pa, 需要液氦冷板阵列面积57 m2。
随着空间发动机羽流实验对内置式深冷泵抽速要求的不断提高, 同时为了在有限的真空舱内布置尽可能大的冷板面积, 一种基于全舱布泵概念(total chamber cryopump concept, TCP) 的内置式深冷泵方案得以提出[7-9] 。在真空舱内布满液氦冷却的低温冷板阵列, 以使泵抽速最大化, 在真空舱与液氦冷板之间布置液氮冷却的冷板阵列, 作为液氦深冷泵的辅助泵, 通过合理的几何布局使得进入液氮低温泵和液氦深冷泵之间的气体分子经多次碰撞后吸附在冷板阵列表面, 液氮低温泵的另一个功能是液氦深冷泵的防辐射屏[10- 12] 。
基于TCP 技术, 北京航空航天大学投建了中国首座专门用于真空羽流效应实验研究的内置式深冷泵, 该泵采用一体式结构设计, 安装在内径5512 m@1216m的卧式真空舱内, 如图1 所示, 该深冷泵为卧式圆筒形, 由液氦冷板阵列、液氮冷屏、羽流吸附泵组成。液氦冷板阵列总面积为285 m2, 对氮气的设计抽速达10X10+7L/ s。
图1 PES羽流效应实验设备
抽速公式分析
内置式深冷泵属于非标准设计, 其抽速大多靠实际测量获得。理论计算中抽速决定于可冷凝气体分子撞击深冷表面的几率和这些分子撞击深冷表面被捕捉的几率。根据麦克斯韦分子运动论, 在自由分子流范围内, 假设第一次碰撞在深冷表面上的每个分子均被捕获, 则其单位面积深冷表面上分子容积流量的最大速率等于麦克斯韦分子在单位时间内碰撞到单位面积深冷表面的区域体积, 如图2 所示。
图2 粒子撞击深冷板表面区域示意图
结论
(1) 基于气体分子宏观速度为零和气体在到达冷板表面时刚好膨胀到环境压强两个假设的麦克斯韦速度函数提出的内置式深冷泵抽速计算公式不适用于带喷流的空间发动机羽流效应真空舱内的动态真空度和冷板面积计算。
(2)DSMC 方法能够更准确地计算给定条件下带喷流的空间发动机羽流实验舱内的动态真空度和冷板面积, 计算结果与国外同类实验中喷流流量与所需冷板面积的计算结果一致。
(3) 采用DSMC 方法对北航基于全舱布泵概念设计的内置式深冷泵的抽气能力进行了数值模拟研究, 结果表明无论有无羽流吸附泵时, 2g/s 级发动机点火时, 内置式液氦深冷泵都能满足整个环境的背压小于1@10-3 Pa, 羽流吸附泵能有效地阻止压缩波向喷管方向推进。
参考文献：
[1]黄本诚,陈金明.空间真空环境与真空技术[M].北京:国防工业出版社,2005:17-92
[2]黄本诚,童靖宇.空间环境工程学[M].北京:中国科学技术出版社,2010:124-138
[3]陈长琦,谢远来,王娟,等.用于中性束注入器的4.2K液氦低温冷凝泵的设计[J].真空科学与技术学报,2003,23(6):400-407
[4]杨长春,潘皖江,武松涛.玻璃钢复合材料无磁杜瓦真空性能研究[J].真空科学与技术学报,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]达道安.真空设计手册(第3版)[M].北京:国防工业出版社2006:416-418
[11]胡盘新,大学物理手册[M].上海:上海交通大学出版社,2002:150-156
[12]黄本诚.黄本诚文集[M].北京:中央编译出版社,2007:16-25;25-39
