Вакуумные насосы для космического моделирования и термовакуумных испытаний
Космическое моделирование и термовакуумные испытания являются важными этапами процесса разработки и проверки аэрокосмической продукции. Эти испытания воспроизводят экстремальные вакуумные и температурные условия космического пространства, чтобы гарантировать надежную работу спутников, компонентов космических кораблей, датчиков и авионики в реальных условиях миссии. Центральное место в этой возможности занимает хорошо спроектированная система вакуумного насоса, которая может откачивать большие камеры до очень низкого давления, обеспечивая при этом термоциклирование и контроль дегазации.
В этой статье описываются технологии основных вакуумных насосов, используемые в камерах космического моделирования и термовакуумных испытаний (TVAC), причины их выбора, а также то, как настроена полная система откачки для аэрокосмических применений.
1. Что такое космическое моделирование и тестирование TVAC?
Космическое моделирование и термовакуумные испытания включают размещение аэрокосмического оборудования в герметичной камере и снижение внутреннего давления для имитации вакуума на большой высоте или в космическом пространстве. Последовательности испытаний часто включают в себя:
Снижение давления до уровня глубокого вакуума
Контролируемые температурные циклы от очень низкого до высокого
Повторяемые профили температуры и давления для экологической квалификации
Термовакуумные камеры могут работать при давлении до 10⁻⁷ Торр или выше, сохраняя при этом температуру от значительно ниже точки замерзания до нескольких сотен градусов Цельсия, в зависимости от требований испытаний.
2. Почему вакуумные насосы важны для аэрокосмических испытаний
При аэрокосмических термовакуумных испытаниях вакуумные насосы не являются периферийными устройствами — они являются основной частью испытательной инфраструктуры, выполняющей три основные роли:
● Достижение и поддержание глубокого уровня вакуума.
Давление внутри камеры TVAC должно приближаться к космическому давлению, чтобы материалы и электроника вели себя так же, как на орбите. Глубокий вакуум уменьшает конвективную передачу тепла и имитирует космическую пустоту.
● Поддержка точности термоциклирования.
Насосная система должна поддерживать низкое давление во время циклов повышения температуры и термического выдерживания без внесения загрязнений или колебаний давления, которые могут поставить под угрозу результаты испытаний.
● Управление выделением газов и загрязнением.
Аэрокосмическое оборудование и компоненты камеры выделяют газы при нагревании (дегазации). Система вакуумной откачки должна справляться с повышенными нагрузками по газу, часто без примесей на масляной основе.
3. Основные технологии вакуумных насосов в системах TVAC
В испытательных камерах TVAC для аэрокосмической отрасли используются многоступенчатые системы откачки, состоящие из форвакуумных насосов, высоковакуумных насосов и дополнительных специализированных вакуумных технологий. Каждый тип насоса играет определенную роль в кривой вакуума от атмосферного давления до глубокого вакуума.
Черновые насосы (первичная откачка)
Сухие спиральные и суховинтовые вакуумные насосы
Черновые насосы удаляют воздух и доводят давление в камере до переходного диапазона давления, прежде чем в дело вступят высоковакуумные насосы. Чтобы избежать загрязнения и обеспечить высокую надежность в аэрокосмической среде, обычно используются безмасляные сухие спиральные и сухие винтовые насосы. Они особенно предпочтительны, когда обратный поток нефти может поставить под угрозу проведение чувствительных испытаний.
Рутса и многоступенчатые насосы Рутса
Вакуумные насосы Рутса (сухие многоступенчатые конструкции) часто добавляются для ускорения откачки. Они обеспечивают высокую производительность при промежуточном давлении, сокращая время, необходимое для достижения заданных значений высокого вакуума.
Высоковакуумные насосы (заключительные этапы)
Турбомолекулярные насосы (турбо)
Когда в камере достигается грубый вакуум, используются высоковакуумные насосы, такие как турбомолекулярные насосы, для достижения давления в диапазоне от 10⁻⁵ до 10⁻⁷ Торр и ниже. Турбины оснащены соответствующими форвакуумными насосами (сухая спираль/винт), чтобы избежать остановок и обеспечить непрерывную работу.
Турбомолекулярные насосы имеют решающее значение для:
Достижение глубокого вакуума
Минимизация присутствия остаточного газа
Поддержка точного космического моделирования
Крионасосы и передовые технологии сверхвысокого вакуума (дополнительно)
В самых сложных аэрокосмических испытаниях или исследованиях сверхвысокого вакуума (СВВ) крионасосы обеспечивают очень низкое давление без механического загрязнения, но они требуют циклов регенерации и специальной эксплуатации.
4. Типичная архитектура насосной системы космического моделирования
Надежная вакуумная система TVAC обычно представляет собой каскадную конфигурацию, сочетающую в себе сильные стороны различных насосных технологий:
Этап черновой обработки: сухие спиральные или винтовые насосы удаляют избыточный воздух.
Бустерная стадия: корневые или многоступенчатые корневые насосы ускоряют откачку.
Стадия высокого вакуума: Турбомолекулярные насосы достигают и поддерживают уровни глубокого вакуума.
Дополнительная ступень сверхвысокого вакуума: крионасосы или геттерные насосы для сверхвысокого вакуума, если необходимо.
Хорошо спроектированная система объединяет автоматическую последовательность клапанов и элементы управления для плавного перехода между этапами и управления изменениями нагрузки во время дегазации и термических событий.
5. Инженерные аспекты аэрокосмических вакуумных систем.
Контроль загрязнения
Безмасляные насосные решения (например, сухие спиральные или сухие винтовые насосы) имеют приоритет для предотвращения обратного потока углеводородов, который может откладываться на поверхностях оборудования или влиять на датчики внутри испытательной камеры.
Интеграция температуры
Термовакуумные испытания циклически проходят при экстремальных температурах. Вакуумные насосы и трубопроводы должны быть совместимы со стратегиями управления температурным режимом, включая холодные ловушки или перегородки с охлаждением жидким азотом в некоторых конструкциях.
Соответствие стандартам
Камеры космического моделирования и вакуумные системы обычно проектируются в соответствии со стандартами аэрокосмических испытаний на воздействие окружающей среды, такими как ASTM, MIL-STD-810, или национальными нормами космических испытаний, обеспечивая надежность и повторяемость.
6. Решения Wordfik для вакуумных насосов для космического моделирования
Wordfik предлагает инженерные решения для вакуумной откачки, специально разработанные для аэрокосмического моделирования и термовакуумных испытаний:
Вакуумные насосы Dry Scroll и Dry Screw для черновой обработки без загрязнения
Рутса и многоступенчатые бустерные насосы для высокопроизводительной откачки
Турбомолекулярные вакуумные насосы для достижения глубокого вакуума
Интегрированные вакуумные системы TVAC с элементами управления и автоматизации
Системы Wordfik подбираются и определяются на основе объема камеры, требуемого предельного давления, газовой нагрузки от газовыделения и продолжительности испытательного цикла, что обеспечивает эффективную и стабильную работу вакуума.
