航天模拟舱真空环境控制系统设计(4)
2 真空室的设计与计算
真空室是真空设备的关键部件，是整个模拟舱的基础。外形的选择，从受压力的角度看，真空室以圆柱形为好；而从容积利用率的角度出发，真空室以箱形为宜；也可根据需要将其设计成其他各种形状的，如球形、椭圆形、圆锥形等。真空室一般用轧制金属板材制成，对材料的要求是可焊性好，气密性好。对于真空度要求不高的真空室，通常所用材料为合金钢、低碳钢、铝材或铜材等。对于要求真空度较高而又耐腐蚀的真空室一般采用不锈钢。但是，无论什么形状和尺寸的真空室，都属于受压的薄壁容器。真空容器就是一个薄壳，薄壳是指其厚度远小于其曲率半径的壳体。因此，应按照薄壳理论设计真空容器。
2.1 确定真空室的技术参数
现将真空室的有效直径定为2000mm、长度为7000mm、有效容积为70m3、内表面积为160m3。
真空室的设计压力P为1个大气压，即105Pa。真空室材料为不锈钢。由于模拟舱的技术参数较大，现准备6套真空机组同时抽气，以达到真空要求。
2.2 真空室壳体设计
真空室的壳体设计成圆筒形，原因是制造容易而且强度好。圆筒体上的封头一般都用椭圆形封头，从受外压角度来讲，采用这种封头形式比较好。查表1-1，得封头内径DB为2000mm，凸出部分高度hB为500mm。
表1-1 以内径DB为基准的不锈钢制椭圆形封头的凸出部分高hB (mm)
DB 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400
hB 100 125 150 175 200 225 250 300 350
DB 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
hB 400 4500 500 550 600 650 700 750 800
2.2.1 封头壁厚计算
对于椭圆形封头， (2-1)
式中，DH ——直边部分外径，毫米；
K1 ——系数。按表2.2查得K1=0.9。
表2.2 系数K1值
DB /2hB 3 2.8 2.6 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0
K1 1.3 1.27 1.18 0.99 0.9 0.81 0.73 0.65 0.57 0.5
先假设封头壁厚S0 = 12mm，由式2-1得L1 = 1821.6mm，计算S0 / L1 = 6.5×10-3、L1 / 100S0 = 1.518。根据这两个比值，查图2.1，读出B值为250。按下式计算许用外压力：
[公斤/厘米2] （2-2）
式中，[P]——许用外压力 [公斤/厘米2]；
B——系数；
S0——封头计算壁厚 [毫米]。
由式2-2得出 [P] =1.18 kg/cm2，换算单位之后为1.16×105Pa。比较 [P] 与P值，现 [P] ＞P，且接近于P，因此，封头壁厚取12mm是合理的。