空间环境模拟器真空度异常诊断系统开发
真空系统作为空间环境模拟器的重要组成部分，其一般分为粗抽与高真空两部分，在航天器热试验过程中起着模拟空间真空背景的关键作用，一旦热试验过程中真空度出现异常，不但试验无法进行，甚至可能对航天器造成危害。本文针对大型环境模拟器试验粗抽阶段的真空度异常诊断方法进行研究，开发了真空度异常诊断系统，并将其应用在了KM7A 空间环境模拟器上，取得了良好的效果。
1、概述
为验证航天器热设计的正确性及各个飞行阶段热控系统适应各种热环境的能力并确定热控系统的最佳热控参数，考核和验证航天器的工作能力，在航天器的研制过程中必须进行充分的地面试验，航天器真空热环境试验是在空间环境模拟器内实现的，真空是不可缺少的环境条件。一旦空间环境模拟器真空环境在建立或维持过程中出现异常，航天器产品地面模拟试验的效果将难以保证甚至有可能对航天器产品本身造成危害。例如，若真空度在粗抽阶段出现异常，则航天器在发射阶段进行的各项测试将无法全部完成。因此有必要开展热试验真空度异常诊断技术的研究，在空间环境模拟器真空度异常时，进行诊断，分析原因，及时提示试验人员进行处理，确保热试验顺利进行。
2、空间环境模拟器真空系统组成
在大型空间环境模拟器内要实现宇宙空间的超高真空环境模拟是相当困难的，而且也没有必要这么做。从热平衡试验看，只要克服空间环境模拟器内的空气的对流和导热的影响就可满足试验要求。
空间环境模拟器的真空系统一般由高真空系统与粗抽系统两部分组成，如下图1 所示。粗抽系统一般由多级干泵罗茨泵机组、阀门、真空规、管道等部分组成，其在空间环境模拟器启动时工作，将容器真空度降低到高真空系统可以启动的压力；高真空系统一般由多台低温泵、阀门、真空规等部分组成，其在整个航天器热试验工况过程中一直工作，作用是维持空间环境模拟器内的真空度优于试验大纲要求值，一般为1.3×10-3 Pa。
图1 空间环境模拟器真空系统原理图
3、真空度异常诊断方法研究
航天器热试验阶段，空间环境模拟器的真空度从一个大气压变化到高真空(一般为10-4 Pa 量级)，这期间如果环境模拟器密封不好或者真空测量系统、真空获得系统出现问题都将导致环境模拟器真空度出现异常。根据经验，真空度出现异常大多是容器密封问题所导致，例如，真空法兰上电连接器漏率过大、真空法兰与容器密封不良、容器上的阀门漏率过大、容器内的热沉漏率过大等等，上述问题80%以上均可以在试验粗抽阶段反映出来，因此，空间环境模拟器真空度的异常诊断主要针对试验粗抽阶段讨论。
根据上述分析，结合空间环境模拟器粗抽阶段的运行特点，我们总结出试验粗抽阶段真空度异常诊断的方法如下：
a)整理空间环境模拟器不同卫星平台粗抽试验历史数据，应涵盖所有卫星平台，保证数据全面性；
b)根据整理的历史试验数据，选择一定时间间隔，对历史数据进行分析整理，得出每个时间间隔点对应历史数据的最大值、最小值；
c)所有的最大值形成一条曲线(高限曲线)，所有的最小值形成一条曲线(低限曲线)，这样所有试验数据曲线均被限定在了高、低限曲线之间；
d)根据得到的高、低限曲线，拟合出对应的高、低限函数；
e)得到高、低限函数后，编制真空度异常诊断程序，将试验粗抽阶段任意时刻的压力检测值与函数同一时刻对应的压力值比较，若任意时刻的真空度检测值超出此区间，则认为容器可能存在泄漏情况，需要提醒试验操作人员注意并进行相关检查。
4、真空度异常诊断系统开发
下面以KM7A 空间环境模拟器为例，详细介绍试验粗抽阶段真空度异常诊断系统的开发以及应用情况。
4.1、历史数据整理收集
我们对KM7A 空间环境模拟器所有航天器真空热试验粗抽阶段的历史试验数据进行整理，结合航天器的平台特点，选取了九组试验的历史数据，形成了历史试验数据曲线簇，如下图2 所示。
图2 KM7A 空间环境模拟器粗抽历史试验数据曲线簇
4.2、历史试验数据处理
根据4.1 中选取好的历史试验数据样本，我们取30s 时间间隔为样本数据采集点，这样就可以得出每个时间间隔点对应的历史数据最大值与最小值。KM7A 空间环境模拟器试验粗抽时间不到4 个小时，30s 一个采样点，整个粗抽阶段累计采集历史数据点约400 多个，这400 多个采集点每个点均对应着九个历史试验数据，将每个采集点对应的最大值与最小值找到，即完成了历史数据的处理工作。
4.3、真空度高、低限曲线获得
根据4.2 部分的结论，我们将得到的每个时间间隔点对应的最大历史数据绘成一条曲线即得到了真空度高限曲线，如图3 中的黑色曲线;将每个时间间隔点对应的最小历史数据绘成一条曲线即得到了真空度低限曲线，如图3 中的红色曲线。
图3 真空度高、低限曲线
4.4、真空度高、低限函数获得
根据4.3 中的结论，得到了真空度的高、低限曲线，我们采用多项式拟合的方式，可以分别求出真空度的高低限曲线所对应的函数。由于真空度低限曲线对于空间环境模拟器密封性能的判断指导意义不大，这里未予以考虑，仅考虑粗抽的高限曲线所对应的函数即可，具体拟合公式以及方法如下。
以真空度开始变化为启动判读时刻，标记为时间零点，真空度到达5Pa 停止判读。
4.5、真空度异常诊断系统开发
根据4.4 中得到的结论，即获得了真空度高限的曲线函数，那么将高限函数集成到上位控制程序后，上位程序可以根据需要在固定时间间隔(例如1min) 将试验粗抽实时数据与对应时刻高限函数计算得到的真空度限值进行比较，如果检测真空度明显超出高限值，则由上位程序触发报警提示信息，容器密封可能存在问题，提醒试验操作人员检查容器状态及设备状态，这就避免了粗抽已经进行了数个小时后，真空度不在变化或变化缓慢时才觉得有问题，这时候再进行问题定位、解决，需要耽误较长的时间，影响试验进度。
5、结论与展望
故障诊断技术是近20 多年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速发展而发展起来的一项新技术。本文对大型空间环境模拟器试验粗抽阶段真空度的异常诊断方法进行了研究，提出基于全面历史数据分析结合多项式拟合的方法，可以对整个试验粗抽过程的真空度变化情况进行实时诊断，并将成果应用在了KM7A 空间环境模拟器上，效果良好。
后续课题组将结合粗抽系统真空度异常诊断的相关研制经验，继续深入研究空间环境模拟器其它重要分系统的故障模式以及诊断方法，为空间环境模拟器的健康稳定运行提供技术保障。
参考文献
[1] 达道安. 空间真空技术[M]. 北京： 宇航出版社，1995：7.
[2] 黄本诚，马有礼. 航天器空间环境试验技术[M]. 北京：国防工业出版社，2002：44.
[3] 李海庆，原培新. 设备故障诊断及其发展趋势[C].2006 年全国振动工程及应用学术会议论文，2006.
