基于全艙布泵概念設(shè)計(jì)的內(nèi)置式深冷泵是真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中維持真空艙內(nèi)動(dòng)態(tài)真空度的關(guān)鍵真空設(shè)備。對(duì)基于麥克斯韋速度分布假設(shè)的內(nèi)置式深冷泵抽速計(jì)算公式分析發(fā)現(xiàn),該式不適用于帶噴流的空間發(fā)動(dòng)機(jī)羽流實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的動(dòng)態(tài)真空度和冷板面積計(jì)算。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法對(duì)所設(shè)計(jì)的內(nèi)置式深冷泵的抽速和真空艙內(nèi)的動(dòng)態(tài)真空度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明DSMC方法在給定條件下能更準(zhǔn)確地計(jì)算帶噴流的空間發(fā)動(dòng)機(jī)羽流實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的動(dòng)態(tài)真空度和冷板面積,計(jì)算結(jié)果與國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)中空間發(fā)動(dòng)機(jī)噴流流量與所需冷板面積的計(jì)算結(jié)果一致。

　　空間發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的抽氣能力要求較高, 需要在真空艙內(nèi)維持動(dòng)態(tài)真空度215@10-3Pa 量級(jí)( 發(fā)動(dòng)機(jī)工作高度約120km) 。對(duì)于體積幾百立方米的大型真空艙, 通常在艙內(nèi)布置低溫冷板陣列, 靠低溫冷凝吸附的原理抽除艙內(nèi)殘余的或空間發(fā)動(dòng)機(jī)噴流產(chǎn)生氣體分子。內(nèi)置式低溫泵的抽氣速率( 抽速) 與冷板陣列的面積有關(guān), 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(dāng)空間發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)脈沖、大放氣量的羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí), 內(nèi)置式低溫泵的抽氣能力需達(dá)幾百萬升每秒量級(jí), 且發(fā)動(dòng)機(jī)噴流中通常帶有氫成分, 需要內(nèi)置式深冷泵才能滿足試驗(yàn)要求[1-4] 。根據(jù)Neary 的報(bào)告[5-6] , 噴流中含氫的空間發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要兩級(jí)的深冷泵: 噴流先被液氮冷卻的低溫泵預(yù)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(duì)于質(zhì)量流量4154@10-5 kg/ s 的空間發(fā)動(dòng)機(jī), 維持動(dòng)態(tài)真空度1@ 10-3 Pa, 需要液氦冷板陣列面積57 m2。

　　隨著空間發(fā)動(dòng)機(jī)羽流實(shí)驗(yàn)對(duì)內(nèi)置式深冷泵抽速要求的不斷提高, 同時(shí)為了在有限的真空艙內(nèi)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(nèi)置式深冷泵方案得以提出[7-9] 。在真空艙內(nèi)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(jìn)入液氮低溫泵和液氦深冷泵之間的氣體分子經(jīng)多次碰撞后吸附在冷板陣列表面, 液氮低溫泵的另一個(gè)功能是液氦深冷泵的防輻射屏[10- 12] 。

　　基于TCP 技術(shù), 北京航空航天大學(xué)投建了中國(guó)首座專門用于真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)置式深冷泵, 該泵采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 安裝在內(nèi)徑5512 m@1216m的臥式真空艙內(nèi), 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(duì)氮?dú)獾脑O(shè)計(jì)抽速達(dá)10X10+7L/ s。

圖1 PES羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

抽速公式分析

　　內(nèi)置式深冷泵屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 其抽速大多靠實(shí)際測(cè)量獲得。理論計(jì)算中抽速?zèng)Q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(jù)麥克斯韋分子運(yùn)動(dòng)論, 在自由分子流范圍內(nèi), 假設(shè)第一次碰撞在深冷表面上的每個(gè)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(shí)間內(nèi)碰撞到單位面積深冷表面的區(qū)域體積, 如圖2 所示。

圖2 粒子撞擊深冷板表面區(qū)域示意圖

結(jié)論

　　(1) 基于氣體分子宏觀速度為零和氣體在到達(dá)冷板表面時(shí)剛好膨脹到環(huán)境壓強(qiáng)兩個(gè)假設(shè)的麥克斯韋速度函數(shù)提出的內(nèi)置式深冷泵抽速計(jì)算公式不適用于帶噴流的空間發(fā)動(dòng)機(jī)羽流效應(yīng)真空艙內(nèi)的動(dòng)態(tài)真空度和冷板面積計(jì)算。

　　(2)DSMC 方法能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算給定條件下帶噴流的空間發(fā)動(dòng)機(jī)羽流實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的動(dòng)態(tài)真空度和冷板面積, 計(jì)算結(jié)果與國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)中噴流流量與所需冷板面積的計(jì)算結(jié)果一致。

　　(3) 采用DSMC 方法對(duì)北航基于全艙布泵概念設(shè)計(jì)的內(nèi)置式深冷泵的抽氣能力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究, 結(jié)果表明無論有無羽流吸附泵時(shí), 2g/s 級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí), 內(nèi)置式液氦深冷泵都能滿足整個(gè)環(huán)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(jìn)。

參考文獻(xiàn)：
　　[1]黃本誠,陳金明.空間真空環(huán)境與真空技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:17-92
　　[2]黃本誠,童靖宇.空間環(huán)境工程學(xué)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2010:124-138
　　[3]陳長(zhǎng)琦,謝遠(yuǎn)來,王娟,等.用于中性束注入器的4.2K液氦低溫冷凝泵的設(shè)計(jì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2003,23(6):400-407
　　[4]楊長(zhǎng)春,潘皖江,武松濤.玻璃鋼復(fù)合材料無磁杜瓦真空性能研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),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(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社2006:416-418
　　[11]胡盤新,大學(xué)物理手冊(cè)[M].上海:上海交通大學(xué)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