空间站有效载荷真空支持系统方案评述

卜珺珺，曹 军，杨晓林

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

空间站或空间实验室为开展空间实验提供了平台，不仅实现了微重力实验条件，而且为各种有效载荷实验提供了控制与数据处理、热控、二次电源、气体供应、真空、视频等支持[1]。其中，真空支持系统为有效载荷实验提供废气排放及真空度维持。部分有效载荷实验在供应气体前先要对其工作区预抽真空，实验完毕后须将产生的废气排放到太空，所需的真空排放系统称为有效载荷废气排放子系统；另外部分实验在进行过程中必须对工作区保持一定的真空度，所需的真空抽气系统称为有效载荷真空资源子系统。废气排放子系统与真空资源子系统两者合称有效载荷真空支持系统。

国际空间站有效载荷废气排放子系统与真空资源子系统是平行的两条气路。我国空间站规模小，有效载荷机柜数量较少，对真空支持系统的使用频率较低。如果使用一路气路实现废气排放及真空度维持双重功能，则可节省大量建设成本。本文研究了目前国际空间站有效载荷真空支持系统的组成、控制及性能，并结合初步的地面试验探索，给出我国空间站有效载荷真空支持系统的初步方案设想。

1 国外研究和应用情况

国际空间站是人类迄今为止在太空建造的规模最大、建设周期最长的空间实验基地，它吸收了以往各空间实验室、空间站的成功经验，并运用了新的设计方法和理念，其组合体管理模式及实验系统支持方案对我国空间站的建设具有重要的借鉴作用。

国际空间站的真空支持系统分为两个层次：实验舱级的真空支持系统和有效载荷机柜级的真空支持系统。对于大多数有效载荷来说，实验舱级的真空支持系统足以满足实验所需的真空环境；但在个别有效载荷机柜内，需要更高的真空度，此时仅靠实验舱级的真空支持系统无法满足实验条件，必须在有效载荷机柜内专门设计一套真空支持系统，即机柜级的真空支持系统。

实验舱级的真空支持系统分布在国际空间站的3个实验舱内：美国“命运号”实验舱（USL），欧空局哥伦布轨道舱（APM）和日本实验舱（JEM）。机柜级的真空支持系统则主要分布在美国实验舱的一号微重力材料科学机柜（MSRR-1）及微重力燃烧科学机柜（CIR）内。

1.1 实验舱级真空支持系统

1.1.1 美国“命运号”实验舱（USL）

该舱级的真空支持系统包括快速断接器、机柜隔离阀、压力传感器、非推进排气阀、带加热器的

图1 国际空间站美国实验舱废气排放/真空资源子系统结构图Fig.1 Structure of the US lab waste gas/vacuum resource subsystem onboard ISS

在近机柜端，废气排放管路通过快速断接器连接到机柜界面板；快速断接器可实现快速插拔，将系统与机柜机械断开。快速断接器的下游为机柜隔离阀，靠步进电机驱动，为弹性载荷密封阀，阀体上有手动旋钮、开关位置显示及位置开关。常规操作方式为电动方式，一旦电控失效，可手动操作。机柜隔离阀的正常位置为关闭。排气时，一次只能打开一个阀，有效防止不同气体进入系统可能发生的危险。真空管路通过合理布局经穿舱通向舱外太空，穿舱部位一般设在舱段侧后舷。在穿舱处设排气阀，该阀为组合式结构，是系统的核心部件，系统依靠此阀将有效载荷工作室与太空隔离，以提高系统可靠性及整舱的密封可靠性，见图 2。为防止排气口处结霜，阀上设计了加热器，见图 3。排气阀亦为步进电机驱动的电动阀，附近配备有工具箱，以备电动控制失灵时的手动操作及维修。系统中设置压力传感器，测量范围为1.33×10-4～1.1×105Pa，布局在各支路及主干管路中，通过测量压力可反映系统的工作状况。废气排放子系统与真空资源子系统由共同的控制仪表——专用冗余电子单元进行控制，一旦系统出现异常，可自动关闭气动元件。

图2 带加热器的组合电动阀外形图Fig.2 The motor-driven multiplex valve with heaters

图3 带加热器的组合电动阀原理图Fig.3 Principle of the multiplex motor-driven valve with heaters

在该实验舱内，真空资源子系统与13个有效载荷机柜中的9个相连，最多能同时支持其中的6个机柜维持真空[3]，可以为有效载荷提供10-1Pa的压力，为每个机柜以3×10-5L/s的抽速维持真空度。废气排放子系统为全部的 13个标准载荷机柜提供废气排放，也可提供10-1Pa的压力，它具备在不到2 h的时间内将体积为100 L的有效载荷工作区从一个标准大气压降到10-1Pa的能力，但一次只能为一个载荷进行排放，每次排放量不能超过500 L[4]。废气排放子系统所接受的气体成分、温度及压力都有要求，如温度不能高于45 °C也不能低于水蒸气的露点值（16 °C）、氧气的体积分数不得高于28%、工作起始气压不得高于275.8 kPa等[5]。

1.1.2 欧空局哥伦布轨道舱（APM）

该舱级的真空支持系统与美国实验舱类似，不同点在于：1）系统中设计了手动复压阀（见图4）；2）配置了两种量程的压力传感器，即低压测量传感器（量程 0.1～100 Pa）和高压测量传感器（量程 0.1～120 kPa）；3）真空资源子系统为 10个有效载荷机柜中的8个提供服务，废气排放子系统则为全部10个有效载荷机柜提供真空服务[6]。

图 4 欧空局哥伦布轨道舱废气排放/真空资源子系统结构图Fig.4 Structure of the ESA Columbus lab waste outgassing& vacuum resource subsystem onboard ISS

在该实验舱内，真空资源子系统可为有效载荷机柜界面提供0.16 Pa的真空度。废气排放子系统则具备在2 h内将体积为100 L、温度为21 ℃的一个标准大气压的真空室抽至0.13 Pa的能力，并可将真空度维持在 0.13 Pa。复压由专门的手动阀进行，真空资源及废气排放子系统管路中各使用一个加压阀进行独立复压。

1.1.3 日本实验舱（JEM）

该舱内有11个有效载荷机柜，其真空支持系统与欧空局实验舱内的设计一致，为每一个左右舷有效载荷机柜提供独立的废气排放及真空维持。

1.2 有效载荷机柜级真空支持系统

1.2.1 美国实验舱一号微重力材料科学机柜（MSRR-1）

一号微重力材料科学机柜的真空系统除了实验舱级的真空资源子系统和废气排放子系统之外，还设计了专用真空支持系统，由真空获得模块（VAS）、真空/气体分配模块（VGS）等组成。真空获得模块由4个真空阀门、2个压力传感器、5个加压气室和连接管路组成，位于载荷机柜内的一个抽屉内。该模块通过界面连接板将真空/气体分配模块与空间站的两个真空支持子系统相连接，同时为材料科学试验模块（MSL）和空间产品开发试验模块（SPD）提供真空通道。真空获得模块受机柜主控制器控制。

真空/气体分配模块包括两台涡轮分子泵、一台质谱仪、若干阀门、传感器及连接到空间站废气排放子系统的抽气管道。真空/气体分配系统可以通过压力升降技术为试验载荷核心设备提供自检能力，根据试验需求，材料科学机柜的试验过程会用到样品安瓿插件组元（sample ampoule cartrige assembly），有可能带来氪泄漏，需用质谱仪进行检漏。涡轮分子泵的作用是把检漏环境压力从10-1Pa（真空获得模块与空间站废气排放子系统相连得到）抽到10-3Pa，以满足质谱仪工作要求[7-8]。

在该机柜内，设计了专用真空控制单元——加强版主控制器单元检测器，对真空获得模块及真空/气体分配模块组成的真空系统进行控制。工作时，位于真空阀上的压力传感器将模拟压力信号传送给主控制器，主控制器通过求解工作区及真空管路气压变化的模拟方程计算出适当的压力变化，指示真空获得模块中的真空阀做出反应，从而达到调节压力的目的。输出压力信号在传感器显示屏上的读数每秒钟更新一次。

1.2.2 微重力燃烧科学机柜（CIR）

与一号微重力材料科学机柜类似，在微重力燃烧科学综合机柜中，也设计了专用的真空支持系统，包括排气通风子系统和气相色谱子系统。该系统在微重力燃烧科学综合机柜中扮演着十分重要的角色，是机柜光学安装板上的一个综合系统，负责燃烧试验所需气体的检测、供应及对废气排放的控制。图5为CIR界面及真空支持系统实物。

图5 CIR的实物照片及真空支持系统（图中顶部1/3）Fig.5 The photo of CIR and the vacuum support system(the top 1/3)

排气通风系统由一个排气通风包（exhaust/vent package, EVP）、两台磁偶极循环泵、一台鼓风机、若干传感器和阀门、一条排气管道及一条再循环回路组成。排气通风包中布置有吸附剂化学层及粒子网孔过滤器。燃烧实验过程中产生的废气以及实验结束后留在燃烧室的废气需要经过处理达到空间站的废气排放标准才能排放到废气排放子系统中。工作时，鼓风机吹动燃烧废气向排气通风包方向流动，废气通过排气通风包净化及吸附后，再经过气相色谱进行检测。当废气成分达到空间站废气排放标准时，打开排气管道将其排放到空间站废气排放子系统中；当燃烧废气达不到排放标准时，启用两台磁偶极循环泵将废气抽回到燃烧室，进行下一次净化吸附，如此循环，直至达到排放标准[9-10]。在此过程中，为了增强过滤效果，可增加排气通风包的数量。该过程的流程如图6所示。

图6 排气通风系统工作流程Fig.6 Working flowchart of the EVS

气相色谱系统主要负责检测气体组分，判断燃烧室内燃料是否已燃烧及燃烧废气是否达到排放标准。燃烧试验是多种多样的，产生的废气种类也很多，包括甲烷、乙烯、丙醛、正丁醛、癸烷、庚烯、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、水蒸气等，还包含固体颗粒及其他成分。因此，排气通风包中的吸附剂化学层及粒子网孔过滤器相应地准备了不同的类型及大小，吸附剂材料包括固体氢氧化锂、活性炭、硅胶及分子筛等，并使用不同的净化法，如分子筛选法、接触氧化法等。排气通风包设计为与机柜安装板活动连接，以便应对不同废气吸附及净化时的更换及升级。

2 我国空间站有效载荷真空支持系统的初步方案设想

2.1 实验舱级真空支持系统

我国的空间站建设尚处于起步阶段，实验舱级真空支持系统也仍在方案论证当中，拟采用与国际空间站类似的方案，区别在于我国空间站将真空维持与废气排放合二为一，采用一路真空管路实现真空支持。

与国际空间站相比，我国空间站实验舱内有效载荷机柜的数量不及一半，对真空支持系统的使用频率相对较低。按序合理安排各种实验，可避开不同实验载荷对真空资源/废气排放的需求冲突，达到一路两用的目的，从而节约资源、节省成本。方案构成原理见图7。

图7 我国空间站实验舱级真空支持系统构成原理Fig.7 Principle of vacuum support system of experiment module class onboard China′s space station

实验舱级真空支持系统拟设计为 8个机柜中的有效载荷工作室提供0.1 Pa的真空度，为全部标准载荷机柜提供废气排放服务。系统与外太空相连，配置电动阀、手动复压阀与温度、压力传感器及控制器等装置，并设计必要的安全报警措施。系统常规操作方式为自动方式，手动操作作为备份。当电网不能正常供电或其他原因致使自动方式失效时，在站人员可临时进行手动操作。

2.2 有效载荷机柜级真空支持系统

由于管路及气动元件的流阻，通过连接舱外太空的方式设计的真空支持系统仅可为有效载荷实验提供粗真空，而高真空获得有赖于专门设备，必须配置有效载荷机柜级的真空支持系统。

高真空获得设备的核心部件为一台涡轮分子泵，可根据需要将工作室的真空度抽到10-3Pa或者更高。真空泵与工作室之间采用金属波纹管连接，采用电磁阀进行隔离，管路中设置压力传感器。通过合理布局将机组置于系统机柜的抽屉内。系统通过机柜操作面板上的控制仪表进行操作。

使用质谱仪对排放气体进行成分分析，对有害气体进行检测并配置有害气体吸附包。吸附包采用物理及化学两种方法进行气体过滤，并定期更换。到期的吸附包将被装入垃圾收集子系统，带回地面进行处理。

3 结束语

真空支持系统是空间有效载荷支持系统的重要组成部分，为有效载荷实验提供必不可少的真空服务。本文从空间实验舱级和有效载荷机柜级两个层面入手，概括了国际空间站的真空支持系统，并提出我国空间站真空支持系统的初步方案设想。

我国空间站的建设工作刚启动不久，有效载荷真空支持系统仍处于方案地面试验阶段。深入研究各系统组成及设计、完成多方案地面试验是下一步的重点工作。可参考国际空间站有效载荷真空支持系统的设计，汲取其成功经验，在初步地面试验的基础上进行系统开发和研制，必要时进行飞行器搭载试验，为我国空间站的系统建设奠定基础。

（References）

[1]Hardcastle C L.International Space Station’s United States Laboratory system architecture[C].Huntsville：Boeing Defense & Space Group, 1996

[2]Wieland P O.Living together in space： the design and operation of the life support systems on the International Space Station[J].Marshall Space Flight Center Report.1998(1)： 183-186

[3]Onofrio M D, Soutullo M A, Geiger W, et al.International Space Station pressurized payloads hardware interface control document template[M].Houston, Texas： NASA,2000

[4]Uri J J, Sotomayor J L.International Space Station as a research laboratory： a view to 2010 and beyond[G].Houston, Texas： NASA, 2007

[5]Zurawski R.The ISS fluids and combustion facility：microgravity combustion science and fluid physics research capability[G].Houston, Texas： NASA, 2001

[6]Schmi G, Brandt G, Patti B, et al.Columbus payload accommodation handbook： Attached Pressurized Module(APM)[M].Bremen： Astrium GmbH, 2001

[7]Rice A, Parris F, Nerren P.The life cycle application of intelligent software modeling for the first materials science research rack[C]// Denver： Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 2000

[8]Schaefer D, King R, Cobb S.First materials science research facility rack capabilities and design features[G].Alabama： NASA Marshall Space Flight Center, 2001

[9]Corban D R.The ISS fluids and combustion facility：experiment accommodations summary[G].Cleveland,Ohio： Glenn Research Center, 2001

[10]Francisco D R.Fluids and combustion facility-combustion integrated rack[C]// Nevada： 36th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 1998