稳压CO2气体氛围火星环境模拟试验系统设计

陈安然，张立海，臧建伯，马楷镔，任 峥，李芳勇

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

火星表面大气成分为CO2（体积分数95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）和其他痕量气体，表面平均气压在500～700 Pa之间[1]。火星表面的温度范围为-133～27 ℃，平均约-63 ℃。冬季时，极区进入永夜，低温使大气中多达25%的CO2在极冠沉淀成干冰，到了夏季则再度升华至大气中，使得在1个火星周年内火星大气中CO2的体积分数变化幅度最高达26%[2-3]。火星探测器在严酷的低气压、低温综合环境中工作，对可靠性要求极高，因此有必要在地面对其开展火星环境模拟试验验证[4-6]。

开展火星环境模拟试验的主要技术难题在于如何在模拟火星大气氛围和高低温交变的试验条件下实现稳定的压力控制。目前，传统的环境模拟设备一般针对热真空试验，模拟产品在真空环境下、处于不同温度时的工作特性，以液氮或混合制冷剂作为热沉工质，可实现较低的环境温度模拟，但热沉温度不可控[7-8]；低压条件下过低的环境温度可能使CO2凝华，无法维持气态。以硅油或气氮为热沉工质时，热沉温度可控，但硅油调温热沉低温极限仅能到达-70 ℃[9]，不能满足试验温度要求。此外，在低温工况下，真空容器外表面易结露，会使法兰电连接器的绝缘电阻下降，影响试验的安全性。

鉴于以上限制，传统热真空环境模拟试验设备难以满足火星型号任务的试验需求。因此，本文拟采用气氮调温间接控制试验温度，研制能够满足火星表面大气环境条件、气态CO2氛围、温度/压力可控的环境模拟系统，为火星探测器部件产品的地面模拟试验提供保障。

1 火星环境模拟系统设计要求

火星环境模拟系统的设计应能模拟火星探测器在火星表面着陆、探测过程中产品所处的环境，故根据火星表面的实际环境，确定火星环境模拟系统的设计要求：

1）温度控制范围为-120～100 ℃，温度均匀性优于±5 ℃；

2）压力控制范围为 150～1400 Pa，控制精度优于5%；

3）CO2体积分数不低于95%；

4）具有防结露设计，以保证系统工作的安全性。

2 火星环境模拟系统设计方案

以气氮调温（温度控制范围-150～200 ℃[10]）为主要温度控制手段，设计CO2气体氛围的火星环境模拟系统方案如图1所示，由温度控制系统、移动压力控制系统和充/放气系统3部分组成。试件置于真空罐（φ600 mm×800 mm 卧式，容积 200 L）内，罐内充入CO2气体。真空罐置于常压温度循环箱内，箱外壁隔热，箱内充入氮气，在真空罐壁充分换热和内部试件本身不发热的条件下，通过调节氮气温度的方式间接控制真空罐内CO2气体氛围的温度。由真空罐向常压温度循环箱外引出抽气和充气管路，分别通过抽气和充气接口与移动压力控制系统相联。充/放气系统通过移动压力控制系统向真空罐内充入或抽出一定量的CO2气体，以维持真空罐内的气压稳定。

图1 CO2 气体氛围火星环境模拟系统Fig.1 The Mars environmental simulation system with CO2 atmosphere

2.1 温度控制系统

温度控制系统主要满足火星环境的温度模拟要求，由常压温度循环箱实现。常压温度循环箱是一套常压条件下的温度模拟设备，箱内充入氮气，通过调温程序由工控机实现不同试验温度的设定。气氮温度在-150～200 ℃内连续可调，可满足-120～150 ℃的温控设计要求；氮气中不含水蒸气，可防止真空罐外壁结露。在真空罐中心截面罐体内壁的上下左右布置4个铂电阻温度传感器（量程-150～150 ℃，精度±0.5 ℃，位置参见图1），用以监测真空罐内试验环境的温度。试验过程中氮气氛围通过传导的方式向真空罐及罐内CO2气体传热，当真空罐内温度测点的温度变化率低于1.0 ℃/h时，认为罐内温度已稳定。

2.2 移动压力控制系统

火星环境模拟需在交变温度条件下进行，而高低温交变会使真空罐内的压力产生波动，因此需要压力控制系统的调节，以实现温度交变过程的稳压控制。

移动压力控制系统是一套控制机柜可移动的压力控制系统（参见图1），包含抽气管路与充气管路。抽气管路由抽气接口、真空阀和蝶阀组成；充气管路由充气接口、充气阀和流量控制器组成。移动压力控制系统的主要作用是调节向真空罐内的充/放气量，实现罐内压力控制。试验时，首先开启抽气管路，将真空罐内压力抽至 6.65×10-3Pa；之后关闭抽气管路，开启充气管路，向真空罐内充入CO2气体，以维持特定压力的CO2气体氛围；试验结束后，首先调节常压温度循环箱内的温度至常温，待真空罐内温度稳定至常温后，断开移动压力控制系统与充/放气系统间的充气接口，向真空罐内充入空气至常压后，打开常压温度循环箱与真空罐，取出试件。真空罐内安装有规管（量程100～101 325 Pa，精度 3%S.P.，位置参见图1），用于监测罐内压力。

传统真空环境试验的抽气不考虑抽气速率，先启动干泵粗抽至一定压力（一般为3 Pa）后再启动精密分子泵继续抽气，直至真空罐内满足试验要求的真空度。抽气过程中，需要人为调节干泵出口放空阀的开度来控制抽气流量，维持抽速稳定，具有一定的滞后性，压力波动范围大，且容易超调，对人员操作精度要求高，有时还需要组织预试验，影响试验进度。火星探测任务型号的环境试验往往持续5～7天，且对压力控制精度要求较高，传统热真空试验的抽气方式难以满足试验的压力控制要求。另外，由于火星环境下气体压力低、热容小，密闭空间内环境温度的变化可能会使气体压力产生波动，需要实时进行必要的充/放气量调节控制，维持气体氛围的压力稳定。

为了满足对抽气速率的控制，在抽气支路上增加可程序控制开度的蝶阀（VAT-DN25），其位置控制能力为20 000步，开度设置为0～100%，分子流态下流导范围为 0.01～2.4 L/s，调节频率为 50 Hz。在充气支路上增加流量控制器（JCHBL4832），其额定流量0.05 L/s，可根据充气要求控制充入气体的体积流量。

假设要求将真空罐内压力控制为P，当罐内压力降低至P1时（P1与P相差不超过4%），则需要向罐内充气，忽略充气过程中的温度变化，将充气过程视为等温变化过程，则需充入的气体体积为

式中V为真空罐容积。设定充气时间为t1，则流量控制器需将充气流量设定为

当真空罐内压力增加至P2时，则需要从真空罐内向外抽气，设定抽气时间为t2，且假设匀速降压，则tx时刻真空罐内的压力应满足

若tx时刻的罐内压力高于Px，则增大蝶阀开度；若低于Px，则减小蝶阀开度，直至罐内压力降至P。

移动压力控制系统通过工控机内的PID控制程序实现自动控制。由于常压温度循环箱无法移动，所以将压力控制系统设计成可移动的控制机柜，以方便针对不同设备进行改造试验。

2.3 充/放气系统

充/放气系统主要用于真空罐的充/放气，充气支路由气瓶、减压器组成，气瓶内储存高压CO2；抽气支路包括真空手阀和真空泵，真空泵（莱宝SC30D）额定抽速7.3 L/s。抽气支路通过抽气接口与移动压力控制系统的抽气管路相联，试验开始时，打开真空手阀；当真空罐需要抽气时，由工控机发出程序指令启动真空泵，否则真空泵不工作；试验结束后，关闭真空手阀。充气支路通过充气接口与移动压力控制系统的充气管路相联，试验开始时，打开高压气瓶的排气阀门，调节减压器的排气压力，使其能够向外稳定排气；试验结束后，关闭高压气瓶的排气阀门。

3 系统运行过程

试验时，首先将真空罐内压力抽至6.65×10-3Pa后，向真空罐内充入满足试验压力要求的CO2气体，然后将常压温度循环箱的模拟温度设定为试验要求值，使真空罐温度达到试验要求的温度，并保持试验要求的持续时间；之后再将常压温度循环箱的模拟温度设定为下一个循环温度，使真空罐温度达到试验要求并维持试验要求的持续时间。如此循环，直至试验结束。其间，由压力控制系统调节真空罐内压力始终在满足试验要求的范围内。

4 系统运行效果

按前述设计，组装、调试完成CO2气体氛围火星环境模拟系统，并在北京卫星环境工程研究所进行了若干项火星探测任务相关的部组件级可靠性试验。下面以气凝胶在火星环境下温度交变试验为例，介绍系统运行效果。

气凝胶具有低导热性、阻燃的优点，使用寿命长，是一种广泛应用于航空航天等领域的隔热材料。NASA于2013年已确定将采用气凝胶材料制造火星探险的宇航服[11]。为了保证气凝胶材料在火星环境下工作的可靠性，需要模拟具有温度交变特性的火星环境，测量气凝胶在经历温度交变后的导热特性和质量变化等。试验过程中不允许在气凝胶表面粘贴温度测点，且气凝胶材料本身不发热，因此以环境温度作为试件温度。试验中将气凝胶置于真空罐内，罐内4个温度测点的测量温度相差不超过0.5 ℃，取它们的算术平均值作为试件温度。试验要求：高温极限 77 ℃，容差 0～3 ℃；低温极限-105 ℃，容差 0～-3 ℃；压力维持在 (750±30) Pa之间。试验过程的试件温度曲线如图2所示：试件温度在试验过程中维持在-107.8～78.3 ℃之间，高温稳定在77～78.3 ℃之间，低温稳定在-107.8～-105 ℃之间，满足要求。

图2 试件温度曲线Fig.2 Cycled high and low temperature of the sample

图3所示为试验过程的真空罐内压力变化曲线：从初始真空环境下充入CO2气体，直至压力维持在试验要求压力附近，试验过程中实际压力控制在 725～775 Pa之间，满足要求。

图3 试验压力曲线Fig.3 Test pressure against time

5 结束语

针对火星环境特点，设计研制了一套温度/压力可控、CO2气体氛围、可满足火星表面大气环境模拟要求的试验系统。该系统解决了罐体结露、CO2压力随温度振荡的问题，实现了在较大温度交变试验条件下，CO2气压的稳定控制和气体状态维持，满足了火星探测任务型号的试验要求。试验系统已进行了多个火星探测任务型号部件产品的环境试验，为火星探测任务的顺利开展提供了支持。