一种低重力真空试验系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种科学试验仪器领域，更具体地说，尤其涉及一种低重力真空试验系统的设计方法。

背景技术

吉林大学以及北京空间飞行器总体设计部联合提交的专利申请CN114062146A提出了一种低重力实验模拟方法及装置。其核心思想是：通过气体的浮力来抵消试验材料的自重，从而来实现材料在低重力情况下的试验。

然而，现实的情况是，低重力往往与真空环境是一同出现的。因此，上述科学试验装置只是满足了低重力一种情况，而无法满足真空环境这一需求。而上述问题的难点在于，CN114062146A依赖的是气体的浮力来实现零重力，而真空环境要求的是无气体，因此，上述两者的原理存在矛盾。

随着科学试验的发展，对科学仪器提出了如下要求：要研究喷气动力机构在真空环境、低重力或者零重力下的相互作用；

其面临着以下技术需求：

A．材料要实现低重力或者零重力情况下；

B. 动力机构要采用喷气推进；

C. 动力机构喷气推进还要在真空环境内。

上述技术研发需求也存在着问题，动力机构、材料均处于低重力或者零重力、真空环境，存在着矛盾：动力机构要喷气推进，喷出的气体必然会破坏动力机构与材料所处的真空环境；这就形成了矛盾。

另外，对于真空试验系统而言，关心的主要问题：

第一，真空试验系统的造型，也整体大小。

第二，真空泵组的选型。对于真空泵组的设计而言，其主要参数为：真空容器体积、泵组抽速（由真空泵组决定）、初始压力以及目标压力、抽气时间。初始压力以及目标压力、抽气时间这些均是已知的，因此，要想确定泵组抽速（即确定泵组的组成），也必须要知晓真空试验系统的体积大小。

因此，如何设计满足前述技术需求的真空试验系统，在相关文献中并未有过报道，还缺乏相关参考资料。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种低重力真空试验系统的设计方法。

本发明的技术方案是：

一种低重力真空试验系统的设计方法，所述低重力真空试验系统用于研究喷气动力机构在真空环境、低重力或者零重力下的相互作用；

所述低重力真空试验系统包括：真空泵机组、真空箱体、在真空箱体内设置有N个喷气动力机构，试验用材料；

所述N个喷气动力机构、所述试验用材料均设置在所述真空箱体内；

所述真空泵机组对所述真空箱体进行预处理；

试验过程如下：

S1，将试验用材料放置到所述真空箱体内；

S2，所述真空泵机组首先对所述真空箱体进行预处理，将真空箱体内的气体调节至初始环境背景气压P

S3，关闭真空泵机组；

S4，试验：采用抛物线法实现低重力环境，该环境单次持续第0-t

对于所述低重力真空试验系统而言：

已知量为：初始环境背景气压P

真空箱内的设备与试验材料体积为V

未知量为：真空箱内的总体积V，V的确定包括以下2个步骤：

S1，确定真空箱内的净体积V

在t

P=[P

V

P≤P

P

S2, 确定真空箱内的总体积V:

V=V

一种低重力真空试验系统的设计方法，其中，所述低重力真空试验系统包括：真空泵机组、真空箱体、在真空箱体内设置有2个喷气动力机构，试验用材料；所述2个喷气动力机构、所述试验用材料均设置在所述真空箱体内； 所述真空泵机组对所述真空箱体进行预处理；

试验过程如下：

S1，将试验用材料放置到所述真空箱体内；

S2，所述真空泵机组首先对所述真空箱体进行预处理，将真空箱体内的气体调节至初始环境背景气压P

S3，关闭真空泵机组；

S4，试验：采用抛物线法实现低重力环境，该环境单次持续第0-t

对于所述低重力真空试验系统而言：

已知量为：初始环境背景气压P

真空箱内的设备与试验材料体积为V

未知量为：真空箱内的总体积V；

V的确定包括以下2个步骤：

S1，确定真空箱内的净体积V

条件1：在t

条件2：在t

条件3：两个喷气动力机构的动作时间是不相交的：t

条件4：[P

据此，V

当L

当L

其中，P

S2, 确定真空箱内的总体积V:

V=V

进一步，P

进一步，P

进一步，所述低重力真空试验系统还包括：真空度传感器，其用于测量真空箱体内的气压（其与步骤S2适配，用于测量真空箱体内的气体是否调整至初始环境背景气压；其在试验过程意义不大，因为试验过程时间偏短，气压变化较快，测量无法实时反应）。

本申请的有益效果在于：

第一，本申请研发的科学仪器要为了研究喷气动力机构在真空环境、低重力或者零重力下的相互作用。

其研发难点在于：喷气动力机构与材料在相互作用时，喷气动力机构喷出的气体会导致真空环境破真空。因此，试验对象、试验环境两者的矛盾不可调和。也即，上述整个环境系统的设计目前无从下手。

第二，本申请的第一个发明点在于：提出了环境背景气压以及环境背景气压阈值的概念。即环境背景气压小于环境背景气压阈值的情形下，试验是符合要求的。

据此概念，本申请提出了通用设计方法：

[P

这是V

第三，本申请的第二个发明点在于，在前述通用方法上，针对基于双工序的低重力真空试验系统的设计方法进一步优化。真空系统的设计的目的是为了能够囊括更多的t

据此，基于二维坐标系的分析，得出了V

当L

当L

即“当V

因此，V

再确定V

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是实施例一的低重力真空试验系统的三维设计示意图。

图2是实施例二的条件一、条件二、条件三、条件三、条件四在二维坐标系下的示意图。

图3是实施例二的条件一、条件二、条件三、条件三、条件四在第一种情形下的二维坐标系下的示意图。

图4是实施例二的条件一、条件二、条件三、条件三、条件四在第二种情形下的二维坐标系下的示意图（L

图5是实施例二的条件一、条件二、条件三、条件三、条件四在第二种情形下的二维坐标系下的示意图（L

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

<实施例一：低重力真空试验系统的设计方法>

<研发需求详解>

本申请研发的科学仪器要为了研究喷气动力机构在真空环境、低重力或者零重力下的相互作用。

A．材料、喷气动力机构整体要实现低重力或者零重力情况下；这点需求采用抛物线飞行法来实现。

B. 动力机构要采用喷气推进，此机构无法更换，因为其对应的是深空环境的动力机构。

C. 动力机构喷气推进还要在真空环境内，此环境无法更换，深空环境属于真空环境。

<研发难点分析>

随着上述研究需求的深入分析，喷气动力机构与材料在相互作用时，喷气动力机构喷出的气体会导致真空环境破真空。因此，试验对象、试验环境两者的矛盾不可调和。也即，上述整个环境系统的设计目前无从下手。

<研发思路一>

初始的研发思路是：喷气动力机构的喷气口处于第一独立环境，动力机构的端部（其与材料相互作用）、材料处于第二独立环境，这样来调和试验对象、试验环境的矛盾。

但是，这种方法无法实现。原因是，喷气口以及动力机构的运动轨迹是非固定的；同时，喷气动力机构的设计不可更改，否则失去试验意义。基于这两者因素，上述思路基本无法试验。

<研发思路二>

研发过程中的突破在于：接受了喷气口、材料同处一试验环境的设计；研发团队提出了提出了环境背景气压的概念，并且基于其提出了一套设计方法。

一种低重力真空试验系统的设计方法，所述低重力真空试验系统用于研究喷气动力机构在真空环境、低重力或者零重力下的相互作用；

如图1所示，所述低重力真空试验系统包括：真空泵机组、真空箱体、在真空箱体内设置有N个喷气动力机构，试验用材料；

所述N个喷气动力机构、所述试验用材料均设置在所述真空箱体内；

所述真空泵机组对所述真空箱体进行预处理；

试验过程如下：

S1，将试验用材料放置到所述真空箱体内；

S2，所述真空泵机组首先对所述真空箱体进行预处理，将真空箱体内的气体调节至初始环境背景气压P

S3，关闭真空泵机组；

S4，试验：采用抛物线法实现低重力环境，该环境单次持续第0-t

对于所述低重力真空试验系统而言：

已知量为：初始环境背景气压P

未知量为：

真空箱内的净体积为V

P=[P

真空箱内的总体积V、真空箱内的设备与试验材料体积为V

P要满足：

P≤P

P

上述公式可知，t

因此，从上述分析可以知晓：t

[P

上式可获得：

V

基于上述理论，给出了一种低重力真空试验系统的设计方法，能够满足试验环境要求。

<实施例二：基于双工序的低重力真空试验系统的设计方法>

对于试验系统而言，实施例一给出了一种通用的设计思想。

实施例二的目的在于研究一种更为具体的设计思想。对于试验条件而言，喷气动力机构的数量为2个，并且两者的动作时间是不相交的（即第1个喷气动力机构在运动时，第2个喷气动力机构2不会运动；反之亦然）。

第1个喷气动力机构、第2个喷气动力机构2的试验方案的选择范围，即t

条件1：t

条件2：t

条件3：t

条件4：[P

设函数Q= L

实质上，从图1即能得知，即能明确V

第一种情形：在V

第二种情形：

如图4所示，当L

也即，V

也即，V

如图5所示，当L

也即，V

也即，V

上述分析的物理意义在于：

“当V

而当V

再确定V

T

K表示修正系数，取1.25～1.67；T

飞机在单次飞行时，由于其燃料限制，飞机的总体飞行时间是固定的，为了增加试验次数，T

由此可确定，S的设计范围：

S≥K（V/T

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。