Vakuumpumpen für Weltraumsimulation und thermische Vakuumtests
Weltraumsimulation und thermische Vakuumtests sind wesentliche Phasen im Entwicklungs- und Verifizierungsprozess von Luft- und Raumfahrtprodukten. Diese Tests reproduzieren die extremen Vakuum- und Temperaturbedingungen des Weltraums, um sicherzustellen, dass Satelliten, Raumfahrzeugkomponenten, Sensoren und Avionik unter realen Missionsumgebungen zuverlässig funktionieren. Im Mittelpunkt dieser Fähigkeit steht ein ausgereiftes Vakuumpumpensystem, das große Kammern auf sehr niedrige Drücke evakuieren kann und gleichzeitig thermische Zyklen und Ausgasungskontrolle unterstützt.
In diesem Artikel werden die wichtigsten Vakuumpumpentechnologien erläutert, die in Weltraumsimulations- und Thermovakuum-Testkammern (TVAC) verwendet werden, die Gründe für ihre Auswahl und wie das gesamte Pumpsystem für Luft- und Raumfahrtanwendungen konfiguriert ist.
1. Was sind Weltraumsimulation und TVAC-Tests?
Bei Weltraumsimulationen und thermischen Vakuumtests werden Luft- und Raumfahrthardware in einer versiegelten Kammer platziert und der Innendruck reduziert, um Vakuum in großer Höhe oder im Weltraum zu simulieren. Testsequenzen umfassen häufig:
Druckreduzierung auf tiefe Vakuumniveaus
Kontrollierte Temperaturzyklen von sehr niedrig bis hoch
Wiederholbare Wärme- und Druckprofile zur Umweltqualifizierung
Thermovakuumkammern können bis zu einem Druck von nur 10⁻⁷ Torr oder mehr betrieben werden und dabei je nach Testanforderungen Temperaturen von deutlich unter dem Gefrierpunkt bis zu mehreren hundert Grad Celsius aufrechterhalten.
2. Warum Vakuumpumpen bei Luft- und Raumfahrttests wichtig sind
Bei thermischen Vakuumtests in der Luft- und Raumfahrt sind Vakuumpumpen keine Peripheriegeräte – sie sind ein zentraler Bestandteil der Testinfrastruktur mit drei Hauptaufgaben:
● Erreichen und Beibehalten tiefer Vakuumniveaus
Das Innere einer TVAC-Kammer muss sich dem Druck im Weltall annähern, damit sich Materialien und Elektronik wie im Orbit verhalten. Ein tiefes Vakuum reduziert die konvektive Wärmeübertragung und simuliert die Leere des Raums.
● Unterstützt die Genauigkeit thermischer Zyklen
Das Pumpensystem muss den niedrigen Druck während der thermischen Hochlauf- und thermischen Einweichzyklen aufrechterhalten, ohne dass Verunreinigungen oder Druckschwankungen entstehen, die die Testergebnisse beeinträchtigen könnten.
● Verwalten Sie Ausgasungen und Kontaminationen
Luft- und Raumfahrt-Hardware und Kammerkomponenten setzen beim Erhitzen Gase frei (Ausgasung). Das Vakuumpumpsystem muss mit erhöhten Gaslasten zurechtkommen, oft ohne ölbasierte Verunreinigungen.
3. Kernvakuumpumpentechnologien in TVAC-Systemen
In TVAC-Testkammern für die Luft- und Raumfahrt werden mehrstufige Pumpsysteme eingesetzt, die aus Vorvakuumpumpen, Hochvakuumpumpen und optionalen speziellen Vakuumtechnologien bestehen. Jeder Pumpentyp spielt eine definierte Rolle in der Vakuumkurve vom Atmosphärendruck bis zum Tiefvakuum.
Vorvakuumpumpen (Primärevakuierung)
Trockene Scroll- und Trockenschrauben-Vakuumpumpen
Vorvakuumpumpen entfernen Luft und senken die Kammer auf einen Übergangsdruckbereich, bevor Hochvakuumpumpen übernehmen. Um Verunreinigungen zu vermeiden und eine hohe Zuverlässigkeit in Luft- und Raumfahrtumgebungen zu gewährleisten, werden üblicherweise ölfreie trockene Scroll- und trockene Schraubenpumpen verwendet. Sie werden besonders dann bevorzugt, wenn die Ölrückströmung empfindliche Tests beeinträchtigen könnte.
Roots- und mehrstufige Roots-Pumpen
Roots-Vakuumpumpen (trockene mehrstufige Designs) werden oft hinzugefügt, um das Abpumpen zu beschleunigen. Sie bieten einen hohen Durchsatz bei mittleren Drücken und verkürzen so die Zeit, die zum Erreichen hoher Vakuumsollwerte erforderlich ist.
Hochvakuumpumpen (Endstufen)
Turbomolekularpumpen (Turbos)
Sobald sich die Kammer im Grobvakuumbereich befindet, werden Hochvakuumpumpen wie Turbomolekularpumpen verwendet, um Drücke im Bereich von 10⁻⁵ bis 10⁻⁷ Torr und darunter zu erreichen. Turbos sind mit geeigneten Vorvakuumpumpen (trockene Spirale/Schraube) konfiguriert, um ein Abwürgen zu vermeiden und einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen.
Turbomolekularpumpen sind entscheidend für:
Erreichen eines tiefen Vakuums
Minimierung der Anwesenheit von Restgasen
Unterstützung einer genauen Weltraumsimulation
Kryopumpen und fortschrittliche UHV-Technologien (optional)
Bei den anspruchsvollsten Luft- und Raumfahrttests oder der Ultrahochvakuumforschung (UHV) liefern Kryopumpen einen sehr niedrigen Druck ohne mechanische Kontamination, erfordern jedoch Regenerationszyklen und einen speziellen Betrieb.
4. Typische Weltraumsimulations-Pumpsystemarchitektur
Ein robustes TVAC-Vakuumsystem ist normalerweise eine kaskadierte Konfiguration, die die Stärken verschiedener Pumpentechnologien kombiniert:
Vorstufe: Trockene Scroll- oder Trockenschneckenpumpen entfernen große Luftmengen.
Booster-Stufe: Roots- oder mehrstufige Roots-Pumpen beschleunigen das Abpumpen.
Hochvakuumstufe: Turbomolekularpumpen erreichen und halten tiefe Vakuumniveaus.
Optionale UHV-Stufe: Kryopumpen oder Getterpumpen für Ultrahochvakuum, falls erforderlich.
Ein gut konzipiertes System integriert automatische Ventilsequenzierung und -steuerung, um einen reibungslosen Übergang zwischen den Stufen zu gewährleisten und Laständerungen bei Ausgasungen und thermischen Ereignissen zu bewältigen.
5. Technische Überlegungen für Luft- und Raumfahrt-Vakuumsysteme
Kontaminationskontrolle
Ölfreie Pumpenlösungen (z. B. Trockenscroll- oder Trockenschneckenpumpen) haben Vorrang, um einen Rückstrom von Kohlenwasserstoffen zu verhindern, der sich auf Hardwareoberflächen ablagern oder Sensoren in der Prüfkammer beeinträchtigen könnte.
Temperaturintegration
Thermovakuumtests durchlaufen extreme Temperaturen. Vakuumpumpen und Rohrleitungen müssen mit Wärmemanagementstrategien kompatibel sein, einschließlich Kühlfallen oder mit flüssigem Stickstoff gekühlten Leitblechen in einigen Designs.
Einhaltung von Standards
Weltraumsimulationskammern und Vakuumsysteme sind in der Regel so konzipiert, dass sie den Umweltteststandards der Luft- und Raumfahrt wie ASTM, MIL-STD-810 oder nationalen Weltraumtestnormen entsprechen und so Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit gewährleisten.
6. Wordfik-Vakuumpumpenlösungen für die Weltraumsimulation
Wordfik bietet maßgeschneiderte Vakuumpumpenlösungen für Luft- und Raumfahrtsimulationen und thermische Vakuumtests:
Trockene Scroll- und trockene Schraubenvakuumpumpen für kontaminationsfreies Schruppen
Roots- und mehrstufige Druckerhöhungspumpen für das Abpumpen mit hohem Durchsatz
Turbomolekulare Vakuumpumpen zur Erzielung eines tiefen Vakuums
Integrierte TVAC-Vakuumsysteme mit Steuerung und Automatisierung
Wordfik-Systeme werden auf der Grundlage des Kammervolumens, des erforderlichen Enddrucks, der Gasbelastung durch Ausgasung und der Testzyklusdauer dimensioniert und spezifiziert, um eine effiziente und stabile Vakuumleistung sicherzustellen.
