減壓模擬設備迅速抽真空技術(shù)研究及實(shí)現

　　為實(shí)現迅速抽真空，提出負壓儲備艙技術(shù)。結合流導方程和氣體熱力學(xué)理論，推導出艙體間氣流平衡的數學(xué)方程式，揭示了氣流平衡過(guò)程中，艙體間瞬時(shí)壓差與起始狀態(tài)壓差、艙體容積成正比，與持續時(shí)間存在指數關(guān)系，與連接管路流導存有反比關(guān)系�；�于流體微分方程和湍流模型建立非定常流場(chǎng)模型，對壓力平衡過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從流場(chǎng)角度揭示了瞬時(shí)壓力與時(shí)間的關(guān)系。為使負壓儲備艙實(shí)現技術(shù)要求，從氣壓和時(shí)間角度進(jìn)行影響因素分析，研究表明，負壓儲備艙容積至少為70倍試驗艙容積，且連通口面積須有可調性。通過(guò)模型結果與試驗結果對比，驗證了所建兩種模型的正確性，也驗證了試驗裝置的可行性。

　　為研究迅速減壓沖擊物理過(guò)程對生理的影響，以及檢驗高空防護系統對迅速減壓沖擊的響應和防護性能，必須在地面進(jìn)行該沖擊物理過(guò)程的模擬試驗，完成這種瞬態(tài)模擬試驗所需的設備即為高空迅速減壓沖擊模擬設備。為實(shí)現試驗研究，所設計的試驗艙須滿(mǎn)足技術(shù)指標:在0.5s內使艙壓從低氣壓30kPa到中真空低氣壓2.5kPa。而該項技術(shù)指標使用真空泵直接抽低氣壓是無(wú)法實(shí)現的。為實(shí)現迅速抽低氣壓，實(shí)現技術(shù)指標要求，提出一種負壓儲備艙技術(shù)。試驗艙體內充滿(mǎn)氣體，由于艙體物理參數的不同，如體積、壓強等等，最終試驗所能實(shí)現的技術(shù)指標也就不同。因此，需要分析這些參數帶來(lái)的影響，進(jìn)而設計這些參數。論文基于氣體流導方程和氣體狀態(tài)方程，建立起試驗艙體壓力均衡過(guò)程的關(guān)系式，并對艙體間的壓力差值與平衡時(shí)間以及與各艙體初始狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了研究�；�于流體微分方程和湍流模型建立起非定常流場(chǎng)模型，對兩艙體壓力平衡過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，對兩艙瞬時(shí)壓差與平衡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了研究。為使負壓儲備艙能夠實(shí)現技術(shù)指標要求，基于所建模型，從氣壓和平衡時(shí)間等角度進(jìn)行參數影響分析，進(jìn)而完成試驗裝置設計。最后對所得模型結果與試驗結果進(jìn)行對比分析。

1、艙壓平衡關(guān)系式研究

　　1.1、簡(jiǎn)化模型的建立

　　試驗艙體之間通過(guò)設計管道和閥門(mén)開(kāi)關(guān)連通，試驗進(jìn)行時(shí)，開(kāi)啟連通管路的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，實(shí)現氣流沖擊。隨著(zhù)時(shí)間的推移，氣體不斷從高壓強試驗艙流向低壓強負壓儲備艙，而且兩艙體之間的壓強差不斷變小，最終達到兩艙壓平衡。

　　當試驗艙和負壓儲備艙內的氣體初始物理參數確定時(shí)，需對兩艙平衡過(guò)程所需平衡時(shí)間進(jìn)行準確預測，這樣才能預測該試驗是否能實(shí)現技術(shù)指標要求。為此，應建立艙壓平衡關(guān)系式來(lái)預測平衡時(shí)間。以下基于氣體流導方程和氣體狀態(tài)方程，對艙體壓力均衡過(guò)程的關(guān)系式進(jìn)行推導。

　　兩艙體通過(guò)管道連通，連通示意圖如圖1所示，艙A和艙B的容積參數確定，兩艙內部氣體初始狀態(tài)確定。假設兩艙體溫度值相等，且pA>pB。

圖1 兩艙體連通示意圖

5、結論

　　為實(shí)現迅速抽真空，提出負壓儲備艙技術(shù)�；�于氣流流導方程和氣體狀態(tài)方程，推導了艙體間壓力平衡的關(guān)系式，推導出兩艙體瞬態(tài)壓強差與平衡持續時(shí)間存在指數關(guān)系，與艙體間連接管道流導存在反比關(guān)系，與艙體容積、艙內氣體起始狀態(tài)壓強差存在正比關(guān)系。利用該公式可以計算出試驗裝置試驗過(guò)程中壓力平衡所持續的時(shí)間�；�于流體微分方程和湍流模型建立非定常流場(chǎng)模型，對壓力平衡過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。通過(guò)非定常流場(chǎng)云圖形象地顯示了艙內壓力流場(chǎng)分布，得出了艙壓隨時(shí)間變化的規律曲線(xiàn)。有限元結果可以看出負壓儲備艙對試驗艙指標要求的實(shí)現程度。

　　為使負壓儲備艙實(shí)現技術(shù)要求，從氣壓和時(shí)間角度進(jìn)行影響因素分析，研究表明，負壓儲備艙容積至少為70倍試驗艙容積，且連通口面積須有可調性。試驗結果顯示試驗艙氣流壓力和平衡持續時(shí)間存在反比關(guān)系，隨著(zhù)氣流平衡的進(jìn)行，試驗艙艙壓由大變小，最終達到平衡穩定，驗證了試驗裝置的可行性。

　　所建模型結果與試驗結果相比，試驗結果出現了滯后現象，這是由設備原因造成的。因此，模型結果同試驗結果基本吻合，說(shuō)明建立的裝置模型的正確性。利用數學(xué)關(guān)系式可以快速估算艙體間氣流壓力平衡所持續的時(shí)間，而有限元結果可以形象地反映平衡過(guò)程流場(chǎng)分布，兩者結合可以為抽真空等相關(guān)裝置的設計提供參考。