為計(jì)算航天器上兩個(gè)密封艙內(nèi)存在壓差時(shí)相互進(jìn)行壓力平衡所需的平衡時(shí)間,通過(guò)壓力平衡過(guò)程的分析,建立了近似的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行了分析計(jì)算,并通過(guò)容積縮比方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了滿意的結(jié)果,不僅能達(dá)到節(jié)約成本和時(shí)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(nèi)的壓力控制精度范圍、密封艙漏率不同等因素影響，導(dǎo)致各個(gè)艙內(nèi)之間存在一定的壓差。此壓差的存在，航天員穿艙活動(dòng)時(shí)，不能直接打開艙門，需通過(guò)專用的閥門平衡兩艙之間的壓差后，方可打開艙門，進(jìn)行穿艙活動(dòng)。為此設(shè)計(jì)了一種用于平衡載人航天器兩個(gè)密封艙之間壓差的閥門，簡(jiǎn)稱平衡閥。

　　載人航天器密封艙內(nèi)的壓力值基本為一個(gè)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(shí)處于與外界密閉的狀態(tài)，因此兩艙壓力平衡時(shí)間的計(jì)算既不能按真空系統(tǒng)中抽氣時(shí)間或向真空系統(tǒng)中充氣時(shí)間進(jìn)行，也不同于氣動(dòng)工程中向貯氣罐充氣或放氣所用時(shí)間計(jì)算方法。雖然可通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證即可得到相應(yīng)的壓力平衡時(shí)間，但由于條件的限制以及時(shí)間、成本的影響，不宜在載人航天器不同的兩個(gè)密封艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，通過(guò)理論分析以及縮比容積方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅能達(dá)到節(jié)約真空設(shè)備成本和時(shí)間的目的，并且更具有普遍性。

兩艙壓力平衡過(guò)程的分析與模型建立

平衡閥有效面積

　　由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，設(shè)想通過(guò)該閥門的實(shí)際流量就等于在相同條件下通過(guò)一理想節(jié)流孔的流量，此理想節(jié)流孔的流通面積稱為該閥門的有效流通截面積（簡(jiǎn)稱有效面積），用S 表示，使得研究問(wèn)題的復(fù)雜性大為簡(jiǎn)化。有效面積可通過(guò)計(jì)算或者容器放氣法測(cè)定^[2] 。

壓力平衡過(guò)程中氣體流動(dòng)狀態(tài)

　　航天器密封艙內(nèi)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(jiǎn)單表示^[3]：

　　兩個(gè)密封艙進(jìn)行壓力平衡時(shí)均在大氣壓附近，因此平均自由程的值遠(yuǎn)小于閥門閥口的孔徑，氣體分子在閥門附近要產(chǎn)生頻繁的碰撞。所以壓力平衡過(guò)程中氣體分子通過(guò)閥門流動(dòng)時(shí)由于慣性力的作用，首先是湍流狀態(tài)，隨著壓差的減小，慣性力減弱，氣體內(nèi)的摩擦力起主要作用，進(jìn)入粘滯流狀態(tài)。

壓力平衡時(shí)間的計(jì)算

　　壓力平衡過(guò)程中，兩艙的壓力、通過(guò)閥門閥口的流量隨著時(shí)間的變化而變化，實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)為一維非定常絕熱過(guò)程。非穩(wěn)定流動(dòng)的計(jì)算，牽涉到求解復(fù)雜的微分方程。但如果這類流動(dòng)能
滿足一定的具體條件，則可利用穩(wěn)定流動(dòng)的一些概念及公式，對(duì)它們做近似的計(jì)算^[4] 。近似計(jì)算的前提為：雖然密封艙中的壓力允許不時(shí)地變化，但通過(guò)閥門中的氣體流動(dòng)狀態(tài)及壓力分布卻很快就已穩(wěn)定，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)。假定閥門的有效面積為S，兩艙的溫度相同，密封艙1 內(nèi)初始?jí)毫�P1、體積V1；密封艙2 內(nèi)初始?jí)毫�P2、體積V2，且P1>P2，密封艙1 向密封艙2 進(jìn)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(guò)理論分析，給出了兩艙壓差、平衡壓力和時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)也表明在有限時(shí)間內(nèi)，兩艙的壓力不可能達(dá)到絕對(duì)平衡。此結(jié)果可直接應(yīng)用到計(jì)算航天器密封艙之間壓力平衡時(shí)間的估算，可以節(jié)約試驗(yàn)成本和縮短產(chǎn)品的研制周期；由于航天器密封艙內(nèi)儀器設(shè)備布局的因素，與實(shí)際壓力平衡過(guò)程有一定的差別，可通過(guò)縮比容積法進(jìn)行修正，得到更為精確的平衡時(shí)間；將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的閥門流導(dǎo)轉(zhuǎn)化為理想節(jié)流孔，利用有效面積進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算方法亦具有普遍性。

　　[1] 徐成海. 真空工程技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：349.
　　[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第五卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.
　　[3] 達(dá)道安. 真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991：35,101.
　　[4] 王欲知，陳旭. 真空技術(shù).2 版[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：560.