近几十年来，在众多真空科学与技术工作者的努力下，真空科学与技术得到迅速的发展。形成了真空技术基础、真空获得设备、真空测量与检漏、真空技术应用等几大领域。其中，真空技术应用的范围越来越广，而且发展越来越快。可以预计将会为国民经济的发展做出更大的贡献。本文通过温故知新的方式，回顾真空技术在航空航天领域中的应用现状，展望真空技术在航空航天领域应用的前景，期望与从事真空科学与技术的工作者们共同推进真空科学与技术在航空航天领域的快速发展。
真空钎焊
真空钎焊技术从上世纪40年代发展至今，已经成为一种极有发展前途的钎焊技术，其在航空领域的应用已经越来越普及。在对航空用合金如铝合金、不锈钢、高温合金、钛、铌、钽以及其他一些高熔点金属进行钎焊时，一般采用真空钎焊，航空发动机是真空钎焊应用最广泛的领域之一。为满足航空发动机高推重比、高可靠性、长寿命、低成本的设计和制造要求，新材料、新结构、新工艺在航空航天领域得到越来越多的应用，这就对加工制造手段提出了更高的要求，与此同时也促进了航空航天制造技术的不断发展，作为航空航天制造工艺手段的焊接技术也得到了快速发展。钎焊技术对于新材料的连接和复杂精密结构件的制造具有独特的优越性和灵活性。对于某些难熔焊材料与复杂构件来说，钎焊是其唯一可行且有效的连接技术，甚至可以做到无需加工钎焊接头就能使其焊接效果达到“天衣无缝”。因此，真空钎焊技术在航空工业及其他工业领域的应用越来越广泛，航空发动机上的很多重要部件，如涡轮叶片、压气机叶片、燃烧室部件、蜂窝封严结构、不锈钢热交换器、燃油总管及其他管路等构件的制造都涉及到真空钎焊技术。
国外，美国普·惠公司的JT9D发动机蜂窝封严环，由环件和蜂窝夹芯用真空钎焊制成；该发动机燃油总管由主管和多个支管、喷嘴用真空钎焊组成；此机发动机不锈钢热交换器由300多根不锈钢管、隔板、壳体用真空钎焊组成；JT8D发动机12、13级压气机静子环由内外环和几十个叶片用真空钎焊制成。美国GE的发动机机匣由240多个0.25~0.7mm厚的因康镍合金零件分三次阶梯真空钎焊而成。国内，沈阳黎明发动机公司、成都发动机公司分别真空钎焊静子环，用于海军飞机上；成都发动机公司真空钎焊燃油总管，并通过发动机试车。
某厂生产一种航空精密零件，该零件是由0.3mm厚的GH3536蜂窝材料采用真空钎焊焊接而成。焊接技术要求：芯格变形的数量不大于30%，蜂窝芯体表面无明显的氧化及宏观缺陷，钎缝的连续性大于98%，每处不连续钎缝的长度不大于5mm，焊接后焊接处及焊接热影响区的晶粒等级不低于6级。按储能点焊能量550J、钎焊温度1055℃、保温时间14min、随炉冷却的工艺进行生产试加工。首件零件经相关部门检验合格，投入批量生产一段时间后，产品的合格率达到99%以上。实际生产表明，采用此工艺生产周期短、成本低、可靠性高、效率高。
随着我国的航天任务逐步由近地探测向深空探测转变，对于小行星和火星等深空探测采样任务来说，对采样样品的密封方式需要满足远距离采样和长距离运输的要求。钎焊作为一种材料的连接方法，具有悠久的历史，但是，世界上目前还没有国家成功使用钎焊技术进行深空探测样品采样密封。因此我国开展真空钎焊密封技术的研究，对未来进行火星、小行星等深空探测采样具有重要意义。针对我国现有的技术，在采样任务中钎焊密封的漏率是否满足要求；钎焊材料、电热丝布置方式等对最终密封效果的影响；粉尘或其他碎片对钎焊接头质量的影响以及密封装置的可靠性等都有待研究。
真空热处理
真空热处理是航空发动机热处理的重要方式之一，由早期的真空退火、真空除气，慢慢向真空淬火、真空回火、真空化学热处理和特种真空热处理方向发展，真空热处理炉设计制造、元器件水平和性能不断提高，并发展了真空热处理生产线。
目前常用的工艺有真空油淬、真空加压气淬、真空渗碳、真空磁场热处理等。真空油淬是目前真空热处理的主要工艺，发展过程中曾遇到的技术难点是真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能降低，近30年解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术关键。真空加压气淬具有工件表面光洁、无需清洗、避免环境污染等很多优点，是近年来真空热处理重要和迅速发展领域。目前航空工业中真空加压气淬在不锈钢、高温合金、钛合金、精密合金和部分结构钢等零件的热处理中发挥了重要作用。真空渗碳可以圆满解决不锈钢钝化膜的去除问题并且不需要添加任何化学物、没有任何操作上的困难和污染物质的产生；还解决了航空零件无内氧化高质量渗碳要求和小孔、盲孔均匀渗碳的难题，提高了渗速和效率。近年来真空渗碳设备数量迅速增加，应用范围不断扩大。真空磁场热处理把真空热处理技术与电磁场技术结合起来，形成真空热处理的又一个分支。
对于航空领域常用的钛合金，其钣金件和铸件的去应力退火、紧固标准件的固溶处理和时效处理、除氢退火以及高强度钛合金钣金零件的约束时效处理均必须在真空炉中进行。广泛应用在航空发动机和燃气轮机中的热障涂层（Thermalbarriercoating，TBC）通过在真空或不同的氧气分压气氛下对热障涂层进行热处理可以预制致密的TGO，从而抑制TGO生长，达到延长热障涂层热循环寿命的效果。
真空热试验
3.1航天器整星级的试验
对航天器进行真空环境下的热试验，目的是要验证航天器热设计的正确性，确保星上的仪器设备的温度控制在许可范围内。同时，还需要对制造出来的航天器组件、分系统乃至整星进行设计和制造质量验证，确保它们能够在预计的轨道运行时的真空热环境下正常工作。因此，真空热试验对航天器研制来说，也是极为重要而且数量很大的一类试验。而且，从试验的费用和时间来看，在整个航天器的试验工作中都是占最大分量的。对于载人航天器，其真空热实验还需要验证其安全性及适飞性、航天员操作和检查程序和航天员在座舱内外执行任务的能力，以及评价航天员空间活动支持设备的性能。
3.2航天器部件级的试验
3.2.1航天服测试
热真空实验还常用于航天服的测试。系统漏热和热控能力是舱外航天服热控设计的重要指标，有必要进行热真空试验以检验舱外航天服热控设计性能，提高舱外航天服的可靠性、安全性、舒适性。热真空试验模拟舱外航天服所处的空间环境和内部人体、设备产热情况，考虑人体代谢热难以稳定控制、热真空危险性等因素，用代谢产热模拟装置暖体假人替代人体，定量控制服装内部热负荷和环境状态。
3.2.2火星着陆巡视器发动机测试
为了满足火星环境及火星探测器试验研究，20世纪80年代以来，美国、欧洲、日本相继建立了火星风洞，开展火星风环境和风蚀过程等研究工作。尽管国外学者与研究机构对火星风洞环境的模拟已开展了研究，主要还是针对风洞环境下飞行器静止部件的气动性能分析，对于发动机在真空舱内迎着模拟火星大气来流点火的情况还鲜有研究。根据我国火星着陆巡视器工作过程，其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反，目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性，西安航天动力试验技术研究所建立了发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。如图1所示，在真空舱内发动机安装保持固定，前端设置环形喷气装置，该装置喷气在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流。该装置考核了7500N发动机火星着陆环境下的启动响应特性和环境适应性。
▲图17500N发动机与来流模拟装置试验安装状态
3.2.3航天器推进系统测试
2016~2017年，针对空间应用需求，NASA约翰逊航天中心（JSC）将Morpheus着陆器演变为低温推进系统集成试验平台（ICPTA），并在GRC的梅溪试验站（PlumBrookStation）空间推进热真空舱（B-2）内顺利完成了一系列模拟真空及热真空环境下的推进系统集成热试车。ICPTA被安装在重新改造的空间推进热真空舱内，如图2所示，这是一种能在各种热条件下对整个航天器上面级进行长程高模热试车的试验设施，试验舱容积约1700m3，喷管排气雾化室容积约9900m3，能够支持最高推力约达1780kN发动机在约30km模拟高度条件下进行稳态点火，同时维持航天器在低温深空（液氮冷壁）到太阳辐照（太阳能灯）的环境温度范围内。
▲图2ICPTA在空间推进热真空舱内的安装示意图
3.2.4地外天体起飞的真空羽流导流技术试验
2008年，上海空间推进研究所基于国外羽流试验经验和国内实际，设计了一套主要由空间环境模拟设备、电加热气体模拟发动机、稳压气源、轴向与径向移动装置、测量系统和温控系统等组成的空间羽流试验系统，并测试了试验系统的温度、压力稳定度等参数。测量结果表明：系统满足发动机模拟空间高度大于100km长程试车的要求，测试过程中真空舱内压力维持在1×10-3Pa量级，冷阱温度为（93±5）K。系统测量准确可靠，达到设计要求。
2018年，北京航天试验技术研究所为了验证发动机羽流对航天器的综合力、热效应，验证发动机与羽流导流装置的相容性，考核羽流热防护材料性能及防护效果，开展了发动机燃气羽流导流综合验证试验工作。为了完成本次试验，对现有大型高空模拟试验台进行改造，新增试验件结构安装系统、位姿调整系统、温度控制系统，改造真空舱系统、真空抽气系统、测量系统、监控系统及推进剂加注系统等。采用机械真空泵与低温泵组合工作的方式获得试验所需真空环境，利用压电测力仪测量羽流扰动作用力，利用基于六自由度平台模式的位姿调整系统实现相对运动的模拟，试验系统经调试与试验验证满足各项技术要求。通过试验获得了试验验证器所受羽流扰动力数据以及试验验证器表面压力、温度及热流密度等参数分布数据，试验取得成功。
2020年，总体部针对航天器发动机羽流导流问题，对导流锥形式的导流装置型面开展了羽流导流试验。试验在北京航天试验技术研究所的GS-3高空模拟试车台内进行，主要针对大导流锥状态开展试验。航天器安装在真空舱内的承力架上，导流装置和起飞平台安装在底部的位姿调整装置上，通过调整底部的位姿平台来模拟航天器、发动机与起飞平台的相对位置。航天器内部通过加热片确保推进剂温度和压力传感器温度。
在试验过程中发动机通过地面试验台发控制指令点火。通过真空泵引射和液氢热沉吸附来保证真空度满足试验要求。地面试验原理见图3，采用北京威斯特中航科技有限公司的压力传感器，测量不确定度在1%以内。通过在航天器底部布置压力传感器来测量航天器底部的表面压强分布，通过数据采集系统来收集，最后通过数据分析来完成对数值模拟算法的修正。
▲图3地面试验示意图
真空技术在飞行模拟实验中的应用
风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具，它的产生和发展是同航空技术的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律，以验证和发展有关理论，并直接为各种飞行器的研制服务，通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大，中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等多种形式和用途的风洞。其中低压风洞近年来发展尤其迅速。
低压风洞，又称低密度风洞，主要用于模拟各种飞行器在不同高空飞行时的压力、温度、速度乃至气体成分环境，其共同特征是风洞试验段的气体压力低于地表大气压力，处于真空状态。最常见的压力区间如处于12kPa~27kPa之间，对应飞行高度15km~10km；更低压力的有1Pa~6kPa的超低压低速风洞，用于高度介于100km~20km的临近空间飞行器的实验。因此，低压风洞都需要在出口端设置庞大的真空系统，以便为风洞产生必要的低压环境。连续式低压风洞的出口直接连接真空泵，工作时通过调节风洞入口的气体流量，从而在风洞试验段获得指定压力和流速下的稳定气流。然而，近年来随着我国飞行器研究中所需要的尺寸越来越大、速度越来越快、飞行高度越来越高，风洞所要求的真空系统也随之真空度提高、流量增大，以至于所需配置的真空系统过于庞大而无法实现。为此，暂冲式风洞在出口端连接有容积超大的真空缓冲罐，在准备阶段先将其预抽至尽可能低的压力，然后在实验阶段，令风洞排出的大流量气体暂时存入缓冲罐之中，直至罐内气体压力接近试验段指定测试压力时停止。在我国已建成的大型低压风洞中，最大配备有数个5000至10000立方米容积的球形真空缓冲罐。
全世界的风洞总数已达千余座，最大的低速风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的国家全尺寸设备（NFSF），实验段尺寸为24.4m×36.6m，足以实验一架完整的真飞机；雷诺数最高的大型跨音速风洞是美国兰利中心的国家跨音速设备（NTF），它是一座实验段尺寸为2.5×2.5m2的低温风洞，采用了喷注液氮的技术，用以降低实验气体温度，从而使风洞实验的雷诺数达到或接近飞行器的实际飞行值。
孔祥龙等为某连续式风洞设计了真空系统，该风洞进行试验时，在马赫数（飞行器所受空气的惯性力与弹性力之比，0.1马赫数对应的气流速度约为30m/s）转换和波动、温度波动、特种试验等状态下，风洞总压均会发生变化，需要真空系统对风洞压力进行调节并维持稳定。
真空测量
真空测量技术的发展是与真空获得同步发展的，近年来航天事业飞速发展，真空测量又出现了如何应用于航天技术的问题。工作用真空计主要有热传导真空计、电容薄膜真空计、压敏电阻真空计、石英真空计、热阴极电离真空计等。真空测量在航空航天事业应用很广，比如在地面工程风洞中测量压强，以及航天器的热真空环境试验测量压强，由于一般热真空环境试验设备尺寸较大，因此一般采用布置多个传感器方式，多位置监测判断试验设备内压强，传感器量程一般为：大气压~10-5Pa。
兰州空间技术物理研究所近年来为了满足航天型号工程对真空计量的急需，不失时机地开展了真空测量与校准技术研究，突破了多项关键计量测试技术，已在我过载人航天、月球探测等航天任务中发挥了重要计量保障作用。
▲静态膨胀法真空标准装置实物图
▲超高/极高真空校准装置实物图
结论与展望
文章总结了真空技术在航空航天领域的应用现状，特别是真空热试验领域，真空技术的应用极大地推进了我国航天事业的发展与进步。
展望未来，真空技术必将在航空航天领域发挥更大的作用：
❶随着航天事业的发展，对空间环境模拟的需求也会越来越多，可以开展大型真空容器稳定性设计研究方面的工作；
❷随着载人航天的发展，在地面开展航天员对空间环境适应性模拟与评价研究极为迫切，除了载人空间环境模拟器，还需要配套紧急复压系统，保障地面模拟试验航天员的生命安全；
❸随着深空探测的发展，小天体探测器上需要配套真空测量载荷，测量探测器内部真空度变化情况；
❹其他方面：真空冶金用于生产加工飞行器、航空发动机所需要的金属材料；真空镀膜用于加工航空航天领域所用元器件如光学玻璃，电子元件的导电膜、绝缘膜等等，也可用于航空发动机叶片的镀膜；宇航员训练密封舱用于训练宇航员的空间环境适应性和飞行事故处理能力，航天服性能研究、宇宙医学研究；离子推力器用于测试其性能和寿命；测试材料及元器件，如温控材料、太阳能电池、飞船隔热材料、耐高温材料、润滑材料、光学斑消旋轴承等；卫星表面带电模拟，研究卫星表面的充放电效应。
