[发明专利]用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵

说明书

【技术领域】

本发明涉及用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵，简称羽流吸附泵。本发明特别应用于小推力姿轨控发动机羽流效应实验研究，也可应用于稀薄气体动力学研究。

【背景技术】

人造卫星、飞船、空间站、深空探测器、导弹以及运载火箭上大量使用的姿轨控发动机，在高空稀薄环境下工作时其喷流会向外部环境自由膨胀形成真空羽流。羽流会对空间飞行器产生羽流污染、羽流干扰力和羽流热效应等羽流影响。这些影响轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败。随着航天事业的迅速发展，航天设计部门越来越关注空间飞行器上的姿轨控发动机工作时产生的羽流问题。

羽流效应问题研究的一个重要前提是保证羽流气体的快速吸附，使得环境真空度能够达到规定的指标。目前用于吸附羽流气体的设备主要是环绕真空舱内表面的深冷低温泵，即氦板。国际上研究较早的美国和德国均采用此种结构形式。如德国DLR的STG真空羽流实验系统，罐体直径为3.3m，长度为7.6m，内装直径1.6m、长度5.25m的圆筒形液氦低温泵，其吸附面积为30m²，可保证0.5N发动机(质量流量0.2g/s，试验介质常温氮气)连续工作时，维持压力小于10^-3Pa。

按照这种低温泵的布局结构，要实现较大推力发动机的高空(动态真空度小于10^-3Pa)研究工作，就要相应的增加氦板的面积，即增大真空舱的体积。实际上，根据气体的种类及其温度，氦板的面积会有很大的差异。气体分子量越小、温度越高，吸附面积越大。如要研究质量流量2g/s、温度1000K的氮气羽流效应，要维持连续工作时10^-3Pa量级，则需要的氦板面积达约3000m²。如果按照目前世界上通用的这种布局，真空舱的体积相当庞大，无论从成本还是从实验场地，都是难以实现的。

为了解决这一问题，北航羽流效应实验室仔细研究了羽流流场的特点，认为：实验发动机喷出的羽流气体密度(压力)分布、运动状况与静态气体完全不同，前者核心流区的气体占其总质量的绝大部分，其密度沿径向变化很大，且沿轴向高速运动(3-5个马赫数)，所以分布于真空舱壁的低温泵只能吸附流场中的小部分气体。为了提高真空舱的动态真空度，必须沿增大其轴向气体的吸附能力。为此北航效应实验室发明了专用于吸附羽流气体的羽流吸附泵。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于吸附姿轨控发动机羽流气体的深冷低温泵。具有体积小、吸附面积大、抽气速率高等特点，可以吸附流场中的大部分气体，保持动态真空度在一定的范围之内。

羽流吸附泵由多个同心圆筒的热沉板组成。为了简化工业设计，一般采用三个同心圆筒即可达到较好的吸附效果。

羽流吸附泵主要由铜翅片(1)、不锈钢支管(2)、外筒(3)、中筒(4)、内筒(5)、骨架(6)和接管嘴(7)组成，筒的直径和长度之间近似正比关系，即外径越大，长度愈长。三个圆筒成锥形排列，其外延轴向落差相等，取其内筒直径的1/4为宜。每一个圆筒均由热沉壁板卷成，根据吸附气体的不同，热沉壁板结构形式和选材有所不同，常用的壁板是由不锈钢支管(2)和铜翅片(1)焊接而成，其中不锈钢支管内通制冷介质，介质的种类取决于流场气体的性质，常用介质有液氮、液氢、液氦等。工作时，羽流吸附泵的内伸端正对发动机喷流方向。

羽流吸附泵的优点有：

(1)吸附面积大，抽速大。和传统的低温泵相比，圆筒套装结构的羽流吸附泵在相同的真空舱中有更大的吸附面积，从而产生较大的抽速。

(2)气体分子的捕获率大，吸附系数高。多层圆筒形的结构，使得气体分子在圆筒之间进行来回碰撞，气体分子的捕获率明显增大，所以气体的吸附系数较高。

(3)体积小，结构紧凑。

(4)拆装方便。根据是否进行发动机羽流实验，可以随时安装或拆卸羽流吸附泵。

【附图说明】

图1是羽流吸附泵结构示意图

图2是羽流吸附泵在真空容器内的安装位置示意图

图3是羽流流场压力、密度分布

【具体实施方式】

羽流吸附泵结构尺寸根据工作区域羽流气体的密度、速度、平均分子自由程确定。

为了说明羽流吸附泵的具体实施方式，以下面发动机参数为例：

5N的锥形模拟发动机，总温300K，使用N2为推进工质，质量流量为2.0g/s。

1、设计原理

1)单一气体分子的平均自由程