火星探测小型电容薄膜真空计的性能研究

孙雯君，冯 焱，马 奔，成永军，赵 澜

(兰州空间技术物理研究所国防科技工业真空一级计量站，甘肃 兰州 730000)

0 引言

开展深空探测活动，是航天技术发展的必然选择，也是人类进一步了解宇宙、认识太阳系、探索地球与生命的起源和演化、获取更多科学认识的必须手段［1］。对我国来说，月球探测是深空探测的第一步，而火星探测是行星际探测的开端，有着承上启下的重要作用。

为确保火星在轨探测器的安全运行，必须对火星空间大气阻力进行充分的研究，从而更准确地做出轨道衰减率和探测器寿命预测，其关键就在于对火星空间环境真空度的准确测量，一般采用探测器携带真空计的方式进行直接测量。在火星探测活动中，探测器携带了大量的载荷仪器，要完成多项科研探测任务，必须考虑探测器及其搭载的载荷仪器的小型化［2］。但是，目前使用的真空计存在体积大、重量重等问题，无法满足火星探测活动中的真空测量需求。

电容薄膜真空计的小型化会使仪器本身的线性、重复性和稳定性等受到影响，保证测量准确度与深空探测要求的载荷小型化之间存在矛盾。为了解决这个问题，在理论计算、模拟仿真等研究的基础上，研制出了小型电容薄膜真空计。它具有外形尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等特点，可以覆盖火星低轨道大气压力的测量范围，能够满足火星探测对载荷的基本要求。

为了保证小型电容薄膜真空计测量结果的可靠性，对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等计量性能进行了实验研究，给出了实验结果。

1 小型电容薄膜真空计

小型电容薄膜真空计规管由进气管及其入口挡片、检测膜片基底、检测膜片、固定极板、参考气室机架、引出电极、抽气口等部分组成［3］，如图1所示。

图1 小型电容薄膜真空计结构示意图

小型电容薄膜真空计的工作原理是:气体通过进气管引入到测量室中，由于气体压力作用使检测膜片发生形变，改变了检测膜片与固定极板上感应电极之间的距离，引起二者之间电容量的改变。利用电学方法测出电容量，通过校准得到电容量与气体压力之间的关系，获得气体压力大小。

经过初步测试，小型电容薄膜真空规外形尺寸为Φ60 mm×100 mm，重量为150 g，工作温度范围为－20～ +50 ℃，测量范围为 1.0×10－2～1.3×102Pa，可以满足火星低轨道大气压力的探测要求。

2 实验装置

采用金属膨胀式真空标准装置［4］作为实验装置，装置由压力产生系统、气体压力衰减系统和抽气系统三部分组成，如图2所示。该装置可通过石英规直接比对法、一级静态膨胀法、二级静态膨胀法和三级静态膨胀法，产生10－4～105Pa的气体压力，装置的不确定度为0.01% ～1%，能够满足实验要求。

实验前，将小型电容薄膜真空计规管通过转接接头连接到金属膨胀式真空标准装置校准室VR上。打开抽气系统，对校准室、一级膨胀室、二级膨胀室、石英规参考端以及管道等抽真空。观察连接在校准室VR上的电离真空计的示值读数，当电离真空计的示值小于1×10－4Pa时，关闭抽气阀门。

图2 金属膨胀式真空标准装置原理示意图

实验过程中，可以根据不同的实验要求和目的，将104Pa量级的前级气体压力，通过不同的衰减路径引入到校准室内，形成标准压力，对小型电容薄膜真空计的性能进行研究。

3 实验方法与结果

3.1 小型电容薄膜真空计的线性

在1.0×10－2～1.3 ×102Pa的校准压力范围内，将104Pa量级的前级气体通过如表1所示的膨胀路径引入到校准室内，利用计算公式获得不同路径的标准压力理论计算值，同时记录小型电容薄膜真空计显示的压力读数，实验数据如表1所示。通过比较标准压力值和小型电容薄膜真空计压力示值，获得小型电容薄膜真空计的校准曲线，利用校准曲线来表示其线性，如图3所示。

图3 小型电容薄膜真空计校准曲线

表1 小型电容薄膜真空计线性实验数据

从图3可以看出，小型电容薄膜真空计具有良好的线性，满足火星探测的要求。

3.2 小型电容薄膜真空计的稳定性

小型电容薄膜真空计的稳定性用测量值的相对实验标准偏差来表征。对小型电容薄膜真空计每隔一段时间在1.0×10－2～1.3×102Pa压力范围内校准一次，取12个观测值的算术平均值作为一次观测结果，共观测6次，计算该6个值的相对实验标准偏差，实验数据如表2所示。

表2 小型电容薄膜真空计稳定性实验数据

3.3 小型电容薄膜真空计的重复性

小型电容薄膜真空计的重复性用测量值的相对实验标准偏差来表征。选取某一个压力测量点，在较短的时间内重复观测6次，计算6次测量值算术平均值的相对实验标准偏差，实验数据如表3所示。

表3 小型电容薄膜真空计重复性实验数据

4 结论

为了确保小型电容薄膜真空计测量结果的可靠性及其在火星探测中的应用，对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等各项性能进行了反复的大量的实验研究。实验结果表明，研制的小型电容薄膜真空计具有较好的线性、重复性和稳定性，能够满足火星探测的要求。

［1］叶培建，彭兢.深空探测与我国深空探测展望［J］.中国工程科学，2006，8(10):13－18.

［2］陈昌亚.火星探测技术的发展［J］.科学，2009，61(5):16－19.

［3］孙雯君，冯焱，马奔，等.小型电容薄膜真空规的设计［J］.真空与低温，2012，18(4):232－234.

［4］吕时良，李得天，张涤新，等.金属膨胀式真空计量标准［J］.真空科学与技术，1998，18(4):266－271.