来自NASA的官方报道，为了准备今年8月灵神星探测器的发射，NASA已经开始进行真空测试，以确保它能在小行星极端恶劣的条件下运行。
●3月NASA灵神星探测器在地面进行了太阳帆板展开测试
据悉，灵神星探测器将于8月1日被运送到佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射，经过24亿公里的旅程，预计年抵达位于主小行星带的小行星“Psyche”，并花费21个月收集科学数据，以便人类更多地了解太空与星球的形成与构成。
为了保证探测器可以正常运行到小行星带，NASA在发射前进行了大量的模拟环境测试。此次测试在南加州喷气推进实验室完成，完成了电磁、热真空、振动、冲击和声学等多个检测。以确保探测器在真空环境下可以承受航行过程中周围温度的剧烈波动。
●灵神星探测器进行模拟环境测试，图片来源：NASATV
而在航天模拟环境测试中，空间模拟室是完成测试的核心装置，今天我们从真空技术的角度，来重新认识这个“巨型真空室”。
航天空间热真空环境模拟
空间模拟室是用于尽可能密切地再现航天器在空间所经历的热环境条件的系统，也用于航天器中使用的空间部件鉴定和材料研究。这些系统分析并评估航天器的热平衡和功能，以确保任务的成功和生存能力。目的是对空间模拟室进行广泛的概述，描述在这种类型的地面试验设施中模拟的空间环境参数、空间环境模拟器的类型、内部产生的现象类别以及从其系统的技术演变。
●休斯敦NASA约翰逊航天中心空间环境模拟实验室的“A室”（世界最大真空模拟舱）
真空室的结构
腔室结构允许真空和热辐射现象的守恒，这是模拟空间环境非常重要的特征。热真空室有几种结构形状，但并非所有结构都具有良好的结构刚度，可以防止其因压力变化（内部/外部差异）和其他应力而坍塌。图1显示了不同的腔室形状及其刚性水平。
●图1：腔室形状和形状的刚度
增加这些结构刚度的一种非常常见的方法是使用加固环。焊接到腔体延伸部分的加固环可以加固缺乏刚度或具有相当尺寸的结构。带有圆顶末端的圆柱形结构是空间模拟室的典型设计。定义腔室大小的一个标准是最小操作压力（支持的真空度）。另一个标准是腔室内的热系统尺寸和试样的最大尺寸。考虑到真空和热循环生成过程，用于空间模拟室制造的材料应满足某些要求。
空间模拟室制造的材料选择要求如下：系统材料应保持其在辐射，极端温度变化（≤-.15°C和≥.85°C）以及高真空和超真空（1×10-7～1×10-12毫巴毫巴）。系统材料在运行期间暴露于高温（≥.85°C）时，蒸气压应最小。系统结构材料应不透气，表面应防止杂质和物质滞留。真空室的结构设计应保持较高的结构刚性。系统材料不得在真空中与其他相邻材料发生反应。相邻材料的热膨胀应与系统相匹配，而不会产生不希望的变形和机械相互作用。系统材料不得在高能粒子相互作用下过度散发气体。
在真空下系统材料应具有适当的脱气性能，以便进行操作。系统材料应适合于最大限度地减少或消除蒸汽源和不良气体的存在（参见图2)。该系统应设计安装在洁净室和洁净区。
●图2：真空室中气体和蒸气的潜在来源
腔室结构表面具有称为法兰的机械接口，允许在多个设备或单元之间进行连接，例如泵，阀门，传感器，过滤器，残余气体分析仪，电气贯穿件，机械贯穿件等。这些法兰可以是旋转的，也可以是不旋转的类型。法兰根据国际组织规范（ISO、ANSI和DIN）设计，这些规范决定了其尺寸、性能、材料、应用和用途。
●图3：常见的法兰系统（a）ASA法兰（b）KF法兰（c）CF法兰（d）ISO法兰（e）视口
图3显示了空间模拟室中通常使用的某些类型的法兰。为了实现特定测量或监控特定设备过程并观察内部真空室现象，腔室结构提供了视口法兰或观察窗。视口专为真空而设计，可抵抗仿真系统操作产生的机械和热应力。视口圆盘通常由特殊的玻璃、石英、蓝宝石或硼硅酸盐制成。根据视口材料和腔室内产生的真空度，采用特殊材料进行密封。视口不得接触密封材料和模拟环境以外的任何其他表面。
真空系统及测量
真空系统的功能是通过受控方式排出处于气态和悬浮状态的颗粒来降低腔室内的压力，其中通常包括腔室内的空气。干燥空气中的典型成分是：氮（N2），氧气（O2），氩气（Ar），二氧化碳（CO2），氖（Ne），氦（He），甲烷（CH4）、氪（Kr）和氢（H2）等。真空泵抽送系统能够将这些类型的气体排空到环境中，以在腔室内产生真空。
使用不同的真空泵组抽送系统逐级排除气体以达到腔室内的特定真空水平，这些系统可以单独运行，也可以在特定情况下以相互连接的方式运行。互连的泵组系统（粗抽空泵和/或带高真空泵的回流泵）用于实现不同程度的真空。通常使用两种类型的单元：一种用于将腔室内的压力从1降低到10-3mbar（粗真空/中等真空），另一种用于将压力从10-3降低至10-8毫巴或更低（高真空）。由于真空泵组单元装置中存在机械性能限制，因此真空泵组逐级抽空过程是必要的。图4显示了不同类别真空泵及其对应的使用量程范围。
●图4：真空泵的常见工作范围
空间模拟室内可产生的最大真空度取决于真空泵机组抽空装置的效率、真空管路中的气密传导水平和适当的清洁控制，从而避免出现不良气体。值得一提的是，并非所有真空泵组抽气系统都适合或完全足以用于热真空系统进行空间模拟，因为其中一些系统根据其操作性质使用润滑剂组件进行冷却或产生真空。这种情况有可能增加污染蒸气迁移到腔室中的概率，从而带来风险。当发生这种情况时，使用滤芯作为阱或冷阱，会降低真空泵组抽空装置的有效容量。
自20世纪80年代初以来，真空泵抽空系统在机械和电气化方面不断发展，提高了性能，促进了操作，提高了安全水平、可靠性、清洁、拆卸或更换（在某些情况下）使用耗材进行操作和冷却运动部件。空间模拟室中最常用的真空泵抽空系统是：容积式泵、低温泵、吸附泵、扩散泵、离子泵和涡轮分子泵。
为了测量腔室内的真空压力，使用各种传感器来测量每个点位的真空度。通常传感器分为主压力计和分压力计。主压力计根据其内部机械结构的运行特征进行界定，利用静水压现象，热导率或电离从而确定特定空间中的压力；分压力计确定气体混合物的压力，在真空环境中识别其成分。
在图5中显示了不同真空范围的仪表。热传导真空计和电容薄膜真空计（主压力计的类型）通常用于确定低真空和中等真空区域的压力。热、冷阴极电离真空计和潘宁真空计通常用于确定高真空和超高真空区域的压力。真空计的充分校准是正确确定真空室内压力水平的基础。
●图5不同真空计的压力范围
空间模拟室用作各种类型航天器及其子系统的测试介质，其基本组成有：腔室结构，真空系统，净化系统，通风系统，热系统，太阳模拟器，供应系统以及控制和仪表系统。空间模拟室有若干真空泵和导热罩，泵的功能是在合理的时间内产生理想的真空度，在开发过程中保持该水平的所有测试；导热罩是提供与空间冷散热器相似环境的机制，通过控制导热罩的温度，可以根据航天器的特定测试曲线在时间范围内产生高低温。在空间热环境模拟中，不必精确复制外太空的环境，但必须复制该环境在材料、部件、子系统和航天器系统中产生的效果。一个污染受控的环境需要防止空气中的颗粒对试样造成损坏污染真空室内部。
由此可见真空在空间模拟室中的至关重要的作用。真空为航天空间实验提供了模拟仿真环境，也为后期开展相关热测试及动作测试提供了稳定的大平台。
注：报道及部分图片来源于NASA
