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随着航天技术的快速发展，电推进系统因其高比冲和长寿命等优势，在现代航天器上得到了日益广泛的应用。特别是在深空探测和地球同步轨道卫星位置保持等领域，电推进技术已成为关键技术之一[1]。电推进系统中，氙气因其高分子量、低电离能和良好的电推进性能，被广泛用作推进剂[2]。然而，电推进系统在工作过程中会向其所处环境排放大量氙气，这对真空系统的抽气能力提出了更高的要求。
传统的真空泵，如分子泵和扩散泵，虽然在某些应用中表现良好，但在处理氙气时存在效率低下或可能造成污染的问题。因为分子泵的抽速往往无法满足电推进系统的要求，而扩散泵在使用过程中可能产生油蒸气，对敏感的航天器设备造成损害[3-4]。因此，开发一种能够有效抽除氙气的真空泵，同时避免油污染，成为电推进系统地面测试和空间应用中的一个技术挑战。
低温泵因其无油、高效率和清洁的抽气特性，成为解决上述问题的理想选择。特别是专门设计的氙低温泵，能够有效地抽除氙气，同时保持系统的高真空度[5]。近年来，国内外研究机构对氙低温泵进行了大量研究，不断优化其结构设计。国内研究机构近年来在氙低温泵领域也取得了显著进展。2015年，柏树等[6]通过优化冷板设计，研发出大口径氙气低温泵，其抽氙有效抽速达28000 L/s，较同口径低温泵抽气速率提升1.4倍。2018年，李培印等[7]深入剖析氙泵工作原理，首次定量揭示冷板空间布局与系统抽速的关联规律，指出冷板越分散，氙泵抽速越大。2024年，武义锋等[8]设计了了一种500 mm口径的大抽速氙气泵。该泵对氙气和氮气的抽速可达到10500 L/s，是传统低温泵的两倍，抽速性能显著提升。国外机构通过早期技术预研已形成显著的技术储备优势。1996年，Garner C等[9]针对氙气低温泵提出优化方案，利用单级GM制冷机冷却冷板，实现了15000 L/s的抽速，达到全部理论抽速，奠定了早期技术基础。2014年，Ling G L等[10]设计了一种氙气抽速测试系统，双低温泵的有效抽速为52000 L/s，实际抽速低于其理论抽速，平均泵效为0.83。2020年，Lausberg S[11]对氙气推进器测试中面临的真空维持难题，创新性提出了一种多级低温吸附阵列方案，以应对高流量氙气排放与极低压力的兼容性挑战。2024年，Neumann A等[12]建立一套模型，实现对系统的尺寸和结构的优化，优化18台氙泵的布局，实现276000 L/s的氙气抽速。然而，当前技术体系仍存在明显局限。专用氙泵无法兼顾多组气体抽取，复合泵虽具备多气体处理能力，但其氙气抽速普遍较低，严重制约了电推进技术的应用拓展。基于上述研究背景，本研究在现有设计范式的基础上展开深入探索，成功研制出新型CP1250Xe复合低温泵。该泵创新性地通过精确控制一级温度在50 K以下的工作区间，实现了氙气抽速的显著提升，达到理想抽速水平，显著提升了低温泵的综合抽气性能。
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低温泵通过低温冷凝、捕集两种方式，达到真空获得的目的[13]。传统的低温泵通常由泵壳、冷屏、障板、吸附阵等组成。如图1所示，为传统低温泵的结构。低温泵冷屏和障板由GM制冷机一级冷却到100 K以下，抽除H2O等气体。吸附阵由二级冷头冷却到15 K以下，其冷凝板抽除N2、Ar、O2等气体，而冷凝板上粘接的活性炭吸附He、Ne、H2等气体。
而氙复合低温泵是一种专门设计用于抽除氙气的设备，同时具备传统低温泵对其他气体的抽气功能。在电力推进实验中，推进器运行时所需要的工作压力通常为10−3−10−2 Pa左右[12]。由式（2）可知，为了满足氙复合低温泵达到氙气的理想抽速，低温泵被抽气体的压力要至少大于气体饱和蒸气压两个数量级且冷凝系数为1才能达到理想抽速。对于氙气而言，在温度低于50 K时，其饱和蒸气压为1×10−6 Pa，其远远小于推进器运行时真空腔最大压力10−3 Pa。为了实现氙气理想抽速，低温泵的一级温度应当被控制在50 K以下。
在分子流状态下，温度为T，分子量为M，平均速度为
${{\overline \nu }}$ 的气体分子全部被冷凝在深冷面上时，冷凝面单位面积的理想抽速应为[13-14]：式中：S0为冷凝面单位面积的理想抽速，L/(s·cm2）；
${{\overline \nu }_{\text{g}}}$ 为平均速度，cm/s；R为气体常数，J/(mol·K)；${{{T}}_{\text{g}}}$ 为被抽气体温度，K；M为摩尔质量，g/mol。式中：S为单位面积抽速，L/(s·cm2）；α为氙气凝结系数；
$ p_{\text{g}} $ 为被抽气体压力，Pa；ps为冷凝面的温度下，被抽气体的蒸气压力，Pa。由文献[15]可知，在低于60 K的情况下，氙气的冷凝系数α=1。同时ps<<pg，根据式（2）得
${{S}}$ =5.5 L/(s·cm2)。CP1250Xe低温泵冷凝面面积为11882 cm2，通过上式计算可得抽氙气抽速为65352 L/S，优于65000 L/s的设计要求。如表1所示，为低温泵的设计要求。 -
为了评估低温泵的性能，本研究依据JB/T 11081-2011《真空技术 制冷机低温泵》行业标准，构建了一套测量系统，如图5测试罩设计和图6测试平台搭建[16]。如图5所示，为测试罩三维剖面图。该测试罩专为1250 mm口径低温泵设计。测试罩集成了1个真空规接口和2个进气接口，用于精确测量低温泵的抽速和抽气容量。
如图6所示，本研究构建了CP1250Xe泵的测试平台，该平台由以下组件构成：泵体、4台GM1100冷头、1台GM415冷头、5台C100W压机、真空规以及温度采集仪。这些组件共同构成了一个测试系统，用于泵性能的全面评估。
当低温泵降到底温时，将气体质量流量控制器与测试罩进气接口相连。待真空压力稳定下来时，开始测试，通过调节气体质量流量控制器的通气大小，实现对抽速的测量。抽速计算公式如下式：
式中，pS=低温泵抽速，L/s；Qs=气体流量，mL/min；pTD=测试腔体的工作气体压力，Pa。
如图7所示，为CP1250Xe低温泵Xe抽速图。通入气体流量从2−10 mL/min，步长为1 mL/min。此时，低温泵为分子流状态，Xe速度为65000 L/s。
如图8所示，为CP1250Xe低温泵N2抽速图。通入气体流量从10−200 mL/min，步长为10 mL/min。在3×10−3 pa以下，抽速随着压力的升高而抽速增加。在3×10−3−6×10−3 Pa之间，此时低温泵为分子流状态，抽速与压差无关，抽速为常数。此时N2抽速为65000 L/s，远超设计要求60000 L/s。
如图9所示，为CP1250Xe低温泵H2抽速图。通入气体流量从10−200 mL/min，步长为10 mL/min。在4×10−3 pa以下，抽速随着压力的升高而抽速增加。在4×10−4 Pa时，此时低温泵为分子流状态，抽速与压差无关，抽速为常数，此时H2抽速为73000 L/s，远超设计要求60000 L/s。
N2和H2抽速超过设计要求，分析是低温泵一级温度偏低，降低了对二级的热负荷。会导致二级温度偏低，提升了冷凝板对N2的冷凝系数和吸附阵对H2的吸附效果[17]。
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本研究通过对新型大抽速CP1250Xe复合低温泵的深入分析，得出了氙泵的抽气机理和温度要求。通过仿真优化结构设计，提升低温泵Xe抽速。试验测得氙泵的抽速为65000 L/s，与理论计算仅差0.5%。N2和H2的抽速分别是65000 L/s和73000 L/s，抽气容量为150 L，极限真空度< 9×10−7 Pa。这些内容对后续的氙泵研究提供一定的重要的理论依据和实践指导。
一种新型大抽速CP1250Xe复合低温泵
New High-Speed CP1250Xe Composite Cryopump
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摘要: 文章成功设计了一种新型大抽速CP1250Xe复合低温泵，通过结构优化显著提高了Xe抽速，并能够有效抽除N2、H2等常规气体。实验结果表明，该低温泵的Xe抽速高达65000 L/s，对N2和H2的抽速也分别达到了60000 L/s，抽氢容量为150 L。这些成果证实了新型大抽速CP1250Xe复合低温泵在提升氙气抽速方面的显著优势，解决了传统低温泵Xe抽速无法达到理想抽速的问题，同时具备常规气体的抽气能力，为真空获得提供了强有力的技术支持。Abstract: In this study, a novel large pumping speed CP1250Xe composite cryopump has been successfully designed. Through structural optimization, the pumping speed of Xe has been significantly increased, and it is capable of effectively pumping out conventional gases such as N2 and H2. The experimental results show that the pumping speed of Xe for this cryopump is as high as 65000 L/s, and the pumping speeds for N2 and H2 reach 60000 L/s respectively. The hydrogen pumping capacity is 150 L. These achievements confirm the remarkable advantages of the novel large pumping speed CP1250Xe composite cryopump in enhancing the pumping speed of xenon gas, solving the problem that the Xe pumping speed of traditional cryopumps fails to reach the desired value, and meanwhile, it has the ability to pump conventional gases, providing strong technical support for vacuum acquisition.
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Key words:
- Cryopump /
- Xe Pumping speed /
- Vacuum acquisition .
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表 1 低温泵技术规格
Table 1. Technical specifications of cryopump
型号 CP1250Xe 极限压力/Pa ＜9×10−7 Pa 抽速/（L/s） Xe ≥65000 L/s N2 ≥60000 L/s H2 ≥60000 L/s 抽气容量/L H2 ≥150 L 
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图( 9) 表( 1)
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