空間真空測量技術(shù)研究
1、引言
空間真空測量技術(shù)是與人類(lèi)探索和開(kāi)發(fā)宇宙空間的進(jìn)程緊密相連的。人類(lèi)從地面出發(fā)，向深度宇空進(jìn)軍，要經(jīng)歷寬廣的氣體壓力變化，空間科學(xué)研究的對象正是處在這樣的環(huán)境之中。因此，對宇空真空環(huán)境的度量和探測，也就成為空間科學(xué)中的研究?jì)热荨?/p>
在宇宙空間，從航天器飛出的分子無(wú)碰撞地沉沒(méi)在無(wú)限空間之中再不返回，所以宇宙空間是具有無(wú)限抽速的“ 分子沉”環(huán)境。在分子沉效應的空間真空環(huán)境中，分子運動(dòng)有非常強的方向性，呈各向異性分布，分子密度也是非均勻分布，建立在氣體分子運動(dòng)論基礎上的一些平衡態(tài)下的定律和公式已不適用，要運用非平衡態(tài)分子流理論進(jìn)行研究。
非平衡態(tài)分子流的研究，具有一定的普遍性，又有很強的目的性。國外在這方面開(kāi)展了一些理論探討和實(shí)驗研究工作。因為被研究對象的特殊性，所以至今尚未建立普遍適用的理論體系和實(shí)驗方法，大多數是結合具體研究對象開(kāi)展理論與實(shí)驗方面的研究。
美國NASA研究了用球形校準容器作為大型空間模擬容器的原位置校準的有關(guān)理論問(wèn)題；英國愛(ài)德華公司實(shí)測了球形校準容器中分子流場(chǎng)分布；德國PTB 實(shí)測了校準容器中內切球赤道上的分子流場(chǎng)分布；德國宇航院（ DFVLD）研究了大型空間模擬器中的分子流場(chǎng)分布，并實(shí)測了航天飛機上空間實(shí)驗室附近的分子流場(chǎng)分布；原蘇聯(lián)結合實(shí)際的受控核聚變反應裝置研究了“ 復雜系統中的分子流場(chǎng)”；我國蘭州物理研究所對球形校準容器中分子流場(chǎng)分布和一些真空部件（ 孔和管道）出口分子流花樣分布進(jìn)行了實(shí)測，都獲得了一些針對性強、有實(shí)用價(jià)值的研究結果。
方向性真空規是研究非平衡態(tài)分子流的有力工具。隨著(zhù)對非平衡態(tài)分子流研究的深入和發(fā)展，尤其是空間科學(xué)的進(jìn)展，大大地開(kāi)闊了非平衡態(tài)分子流的研究領(lǐng)域，相繼出現了很多類(lèi)型的方向性真空規�？臻g比較常用的2 種方向性真空規是轉換器方向性真空規和束檢測器方向性真空規。
美國、俄羅斯（原蘇聯(lián)）、歐共體等在空間真空測量方面已作了大量的研究工作，先后研制出一系列方向性真空規用于探測大氣層密度和壓力分布。
美國、俄羅斯等國家已研制出專(zhuān)用的方向性真空規，正在進(jìn)行金星、火星的大氣環(huán)境的探測；用于水星、木星大氣環(huán)境探測的方向性真空規正在研制之中。
在國內，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應用研究中心與蘭州物理研究所在從事空間真空測量方面的研究工作。我國在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但成績(jì)顯著(zhù)。
中國科學(xué)院空間科學(xué)與應用研究中心已將研制出的空間真空規用于“ 神舟”號飛船上，對飛船運行軌道高度上空間真空度的變化進(jìn)行了探測。
蘭州物理研究所已研制出了2種空間真空規樣機，即轉換器方向性真空規和雙圓錐束檢測器方向性真空規。這2 種空間真空規通過(guò)對其性能進(jìn)行不斷完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（ 大氣密度）的探測。作者將簡(jiǎn)要介紹所研制的這2種空間真空規。
2、球錐型轉換器方向性真空規
轉換器方向性真空規把非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流，經(jīng)理論運算反推回到非平衡態(tài)，從而得到非平衡態(tài)分子流信息。
基于空間非平衡態(tài)分子流的理論研究，作者研制了球錐型轉換器方向性真空規。球錐型平衡室在平衡室和測量室之間設計一個(gè)錐形障板，使得入射的氣體分子在平衡室經(jīng)過(guò)多次碰撞后，從錐底與球面之間的環(huán)形區域內進(jìn)入到測量室，從而獲得良好的平衡效果，如圖1所示。
球錐型平衡室的材料全部采用1Cr18Ni9Ti。擋板和平衡室主體用3個(gè)螺栓連接，使得擋板的相對位置可以調節。
傳感器是測量室中將進(jìn)入的氣體電離的機構，通常使用裸B-A規或者冷陰極規，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。
B-A規結構簡(jiǎn)單，無(wú)磁場(chǎng)等特殊要求，質(zhì)量輕，測量方便，其規管性能研究比較成熟。對于地面實(shí)驗時(shí)，一般的裸B-A 就能夠滿(mǎn)足實(shí)驗要求，但在空間測量時(shí)，由于空間原子氧容易和熱陰極復合，使得B-A規對原子氧有很大的抽速，導致規中氣體密度和成分發(fā)生變化，影響測量結果。
冷陰極電離規受化學(xué)活性氣體影響小，在空間使用時(shí)，減少了原子氧的影響，但由于其有磁鐵，增大了規的體積和功率。
作者選用復合B-A規作為轉換器方向性真空規的傳感器。
當轉換器方向性真空規用于空間測量時(shí)，其與地面測量有很大的不同，主要是空間原子氧的復合和空間正離子對測量的影響。
由于錐形擋板的存在，通過(guò)模擬計算可知，空間氣體粒子（ 包括中性分子、原子氧和正離子等）進(jìn)入平衡室后，至少和平衡室碰撞一次后飛入測量室，并且大部分粒子都是經(jīng)過(guò)多次碰撞后才被電離機構電離，這就使得其中的原子氧在碰撞過(guò)程中在內壁上復合，減少了原子氧對燈絲的毒化。
同樣，錐形擋板的存在免于空間正離子直接飛入測量室。為了更好的減小正離子的影響，可以采用圖2所示的設計方法。
在圖2中，給錐形擋板接+20 V 電壓，空間正離子會(huì )被錐形擋板形成的電場(chǎng)排斥，不能或者很少能飛入平衡室，這時(shí)擋板采用陶瓷材料與平衡室主體連接，并用陶瓷芯柱將導線(xiàn)引出，避免整個(gè)規體帶電而對電離機構的電離測量帶來(lái)影響。
轉換器方向性真空規的主要技術(shù)指標：測量范圍為(10-7～10-2) Pa；測量不確定度為33%；方向性角為15o；測量室壓力平衡時(shí)間為5 ms；質(zhì)量為1.8 kg；尺寸為φ 69 mm×197 mm。
