[發明專利]用于吸附姿軌控發動機羽流氣體的深冷低溫泵

無效

• 申請號: 200910088109.4
• 申請日: 2009-07-02
• 公開（公告）號: CN101603517A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 蔡國飆;凌桂龍;王文龍;李曉娟;黃本誠;張國舟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F04B37/08
• 分類號: F04B37/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明涉及用于吸附姿軌控發動機羽流氣體的深冷低溫泵，簡稱羽流吸附泵。本發明特別應用于小推力姿軌控發動機羽流效應實驗研究，也可應用于稀薄氣體動力學研究。

【背景技術】

人造衛星、飛船、空間站、深空探測器、導彈以及運載火箭上大量使用的姿軌控發動機，在高空稀薄環境下工作時其噴流會向外部環境自由膨脹形成真空羽流。羽流會對空間飛行器產生羽流污染、羽流干擾力和羽流熱效應等羽流影響。這些影響輕則降低工作元件的性能，重則導致飛行任務的失敗。隨著航天事業的迅速發展，航天設計部門越來越關注空間飛行器上的姿軌控發動機工作時產生的羽流問題。

羽流效應問題研究的一個重要前提是保證羽流氣體的快速吸附，使得環境真空度能夠達到規定的指標。目前用于吸附羽流氣體的設備主要是環繞真空艙內表面的深冷低溫泵，即氦板。國際上研究較早的美國和德國均采用此種結構形式。如德國DLR的STG真空羽流實驗系統，罐體直徑為3.3m，長度為7.6m，內裝直徑1.6m、長度5.25m的圓筒形液氦低溫泵，其吸附面積為30m²，可保證0.5N發動機(質量流量0.2g/s，試驗介質常溫氮氣)連續工作時，維持壓力小于10^-3Pa。

按照這種低溫泵的布局結構，要實現較大推力發動機的高空(動態真空度小于10^-3Pa)研究工作，就要相應的增加氦板的面積，即增大真空艙的體積。實際上，根據氣體的種類及其溫度，氦板的面積會有很大的差異。氣體分子量越小、溫度越高，吸附面積越大。如要研究質量流量2g/s、溫度1000K的氮氣羽流效應，要維持連續工作時10^-3Pa量級，則需要的氦板面積達約3000m²。如果按照目前世界上通用的這種布局，真空艙的體積相當龐大，無論從成本還是從實驗場地，都是難以實現的。

為了解決這一問題，北航羽流效應實驗室仔細研究了羽流流場的特點，認為：實驗發動機噴出的羽流氣體密度(壓力)分布、運動狀況與靜態氣體完全不同，前者核心流區的氣體占其總質量的絕大部分，其密度沿徑向變化很大，且沿軸向高速運動(3-5個馬赫數)，所以分布于真空艙壁的低溫泵只能吸附流場中的小部分氣體。為了提高真空艙的動態真空度，必須沿增大其軸向氣體的吸附能力。為此北航效應實驗室發明了專用于吸附羽流氣體的羽流吸附泵。

【發明內容】

本發明的目的是提供一種用于吸附姿軌控發動機羽流氣體的深冷低溫泵。具有體積小、吸附面積大、抽氣速率高等特點，可以吸附流場中的大部分氣體，保持動態真空度在一定的范圍之內。

羽流吸附泵由多個同心圓筒的熱沉板組成。為了簡化工業設計，一般采用三個同心圓筒即可達到較好的吸附效果。

羽流吸附泵主要由銅翅片(1)、不銹鋼支管(2)、外筒(3)、中筒(4)、內筒(5)、骨架(6)和接管嘴(7)組成，筒的直徑和長度之間近似正比關系，即外徑越大，長度愈長。三個圓筒成錐形排列，其外延軸向落差相等，取其內筒直徑的1/4為宜。每一個圓筒均由熱沉壁板卷成，根據吸附氣體的不同，熱沉壁板結構形式和選材有所不同，常用的壁板是由不銹鋼支管(2)和銅翅片(1)焊接而成，其中不銹鋼支管內通制冷介質，介質的種類取決于流場氣體的性質，常用介質有液氮、液氫、液氦等。工作時，羽流吸附泵的內伸端正對發動機噴流方向。

羽流吸附泵的優點有：

(1)吸附面積大，抽速大。和傳統的低溫泵相比，圓筒套裝結構的羽流吸附泵在相同的真空艙中有更大的吸附面積，從而產生較大的抽速。

(2)氣體分子的捕獲率大，吸附系數高。多層圓筒形的結構，使得氣體分子在圓筒之間進行來回碰撞，氣體分子的捕獲率明顯增大，所以氣體的吸附系數較高。

(3)體積小，結構緊湊。

(4)拆裝方便。根據是否進行發動機羽流實驗，可以隨時安裝或拆卸羽流吸附泵。

【附圖說明】

圖1是羽流吸附泵結構示意圖

圖2是羽流吸附泵在真空容器內的安裝位置示意圖

圖3是羽流流場壓力、密度分布

【具體實施方式】

羽流吸附泵結構尺寸根據工作區域羽流氣體的密度、速度、平均分子自由程確定。

為了說明羽流吸附泵的具體實施方式，以下面發動機參數為例：

5N的錐形模擬發動機，總溫300K，使用N2為推進工質，質量流量為2.0g/s。

1、設計原理

1)單一氣體分子的平均自由程