基于全艙布泵概念設計的內(nèi)置式深冷泵是真空羽流效應實驗中維持真空艙內(nèi)動態(tài)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(nèi)置式深冷泵抽速計算公式分析發(fā)現(xiàn),該式不適用于帶噴流的空間發(fā)動機羽流實驗艙內(nèi)的動態(tài)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(nèi)置式深冷泵的抽速和真空艙內(nèi)的動態(tài)真空度進行了數(shù)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(fā)動機羽流實驗艙內(nèi)的動態(tài)真空度和冷板面積,計算結果與國外同類實驗中空間發(fā)動機噴流流量與所需冷板面積的計算結果一致。

　　空間發(fā)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(nèi)維持動態(tài)真空度215@10-3Pa 量級( 發(fā)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(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)動機噴流產(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, 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(fā)動機進行長脈沖、大放氣量的羽流效應實驗時, 內(nèi)置式低溫泵的抽氣能力需達幾百萬升每秒量級, 且發(fā)動機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要求[1-4] 。根據(jù)Neary 的報告[5-6] , 噴流中含氫的空間發(fā)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(fā)動機, 維持動態(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)動機羽流實驗對內(nèi)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(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(nèi)置式深冷泵, 該泵采用一體式結構設計, 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, 對氮氣的設計抽速達10X10+7L/ s。

圖1 PES羽流效應實驗設備

抽速公式分析

　　內(nèi)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(jù)麥克斯韋分子運動論, 在自由分子流范圍內(nèi), 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(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(huán)境壓強兩個假設的麥克斯韋速度函數(shù)提出的內(nèi)置式深冷泵抽速計算公式不適用于帶噴流的空間發(fā)動機羽流效應真空艙內(nèi)的動態(tài)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(fā)動機羽流實驗艙內(nèi)的動態(tài)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(nèi)置式深冷泵的抽氣能力進行了數(shù)值模擬研究, 結果表明無論有無羽流吸附泵時, 2g/s 級發(fā)動機點火時, 內(nèi)置式液氦深冷泵都能滿足整個環(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。

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