方向规用于空间站检漏的探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学 作者:卢耀文

  泄漏监测是在轨空间站长期可靠运行必须解决的难题,本文开展了方向规用于空间站检漏的应用基础研究。在地面真空实验系统上,用小孔向真空室引入气体模拟空间站泄漏,通过磁力传动系统改变方向规入口法线与小孔中心线夹角模拟与空间站泄漏点的方位,通过调整方向规在刻度尺上的位置模拟与空间站泄漏点的距离。在通过漏孔漏率分布服从余弦定律的条件下,研究结果表明用方向规对可疑泄漏点进行扫描,在一定范围内可确定漏孔位置并估计漏率大小,最后讨论了将方向规用于空间站检漏需要进一步研究解决的相关问题。

  在轨空间站要长期可靠运行,泄漏监测是必须解决的重要难题。方向规是定向分子流的主要测量工具,用于空间真空度的测量。由于空间站运行高度一般为200~500km,轨道环境真空度约为10-7~10-4 Pa,从空间站舱内泄漏出的气体分子相对于周围高真空环境会形成定向分子流,如能利用方向规对空间站可疑漏点探测,有望根据它对定向分子流的测量值判断泄漏是否发生、确定泄漏点的位置和估算漏率大小。参考文献提出了采用方向规监测空间站泄漏的设想,在空间站舱体连接处设计一环形轨道,通过电路伺服系统驱动方向规沿轨道移动,根据扫描信号的变化判断泄漏点,因此需要开展相应的实验研究。由于空间站舱体泄漏点几何形状和结构难以预料,泄漏后的气体分子流分布常很复杂,为此本文以空间站舱体通过小孔泄漏为研究对象,假定气体分子泄漏后服从余弦定律,通过地面真空系统研究了方向规指示值与漏孔方位、距离的关系,研究结果为方向规用于空间站检漏的基础研究提供了参考数据。

1、实验系统的设计

  如果空间站舱体某点通过小孔泄漏后,气体分子分布服从余弦定律

方向规用于空间站检漏的探讨

  2.2、方向规与泄漏点距离对检漏结果的影响

  在图2的实验系统上,可在夹角a处于0b~180b任意角度下开展研究,本文在a=0b、l在5~45cm条件下进行实验。对真空室(16)抽气并在真空度进入10-7 Pa量级后,通过小孔(12)向真空室中引入N2气作为示漏气体,采用真空规(13)测得真空室中稳定后的压力为1.3×10-4 Pa,通过CDG测得小孔入口压力为2.3Pa,计算得到相应的漏孔漏率Q为2.2×10-4 Pa.m3/s。实验结果如图6所示,图6中横坐标为方向规与泄漏点的距离,纵坐标是方向规指示值。

方向规指示值与泄漏点距离的关系

图6 方向规指示值与泄漏点距离的关系

  从实验结果可以看出,计算所得方向规指示值与实验结果相当一致,当方向规与泄漏小孔距离小于30cm时,其指示值大于真空室平衡后的压力,且随着与泄漏点距离的增大呈指数递减,计算所得指示值略大于实测值;当方向规与泄漏小孔距离大于30cm时计算得到的方向规指示值略小于实测值,且实测值不随距离的增大而变化,其值接近真空室中气体压力pV值,此时方向规分辨不出从小孔泄漏后直接进入检测器中的气体分子。由此可以得出,在上述条件下方向规对漏孔的可检测距离为30cm,若增大对真空室的有效抽速,在相同条件下可提高真空室中的真空度,从而在现有基础上能拓展方向规的检漏距离。

  综合2.1和2.2节可知,在方向规所处真空室压力不变的条件下、方向规与泄漏点在一定的夹角和距离范围内,依据其指示值的变化能判断出可疑泄漏点,若已知方向规和漏孔方位及距离的条件下,可通过式(8)估算出泄漏漏率大小。

  2.3、讨论

  以上研究是在气体分子泄漏后服从余弦定理的条件下、实验过程中漏孔漏率和真空泵抽速都保持不变、方向规所处真空室中压力也保持不变的情况下,通过方向规指示值的变化判断泄漏是否发生。若方向规实际用于在轨空间站泄漏监测中,还需要解决一些复杂的技术难题。首先,在轨空间站泄漏点几何结构难以预料,泄漏后的气体分子流场分布比较复杂,要根据方向规指示值估算泄漏漏率大小,需进一步研究气体泄漏后的分子流场分布;其次,在轨空间站上的方向规相对周围环境气体分子具有很高的相对运动速度,空间站周围环境气体在方向规内形成的平衡压力取决于方向规入口法线与空间站飞行方向的夹角、空间站飞行速率及高度等,以上参数的变化将引起方向规指示值的变化,因此需结合在轨空间站飞行姿态开展研究;此外,在轨空间站发生泄漏后形成的定向分子流,其方向与空间站运行速度方向及泄漏位置相关,方向规检漏结果与泄漏点的方位和距离相关,因此需合理设计出方向规在空间站上的运行轨道及安装位置,保证在检漏过程中方向规入口尽可能的对准舱体泄漏后形成的定向分子流,以提高检漏结果的正确性。总之,要将方向规用于空间站泄漏监测中,需要进一步开展相关研究工作。

3、结论

  本文探讨了方向规用于空间站检漏的基础,通过薄壁小孔模拟空间站泄漏漏孔,在气体分子泄漏后服从余弦定律的前提下,研究了方向规检漏结果与泄漏点方位、距离的关系。地面实验结果表明,在一定条件下计算得到方向规指示值与实验值相当一致,采用方向规对可疑泄漏点在一定角度和距离范围内扫描,可通过方向规指示值的变化判断泄漏是否发生并估计漏孔漏率大小,检漏结主要取决于方向规与泄漏点的方位、距离以及方向规所处真空室的压力。若方向规用于空间站泄漏监测中,由于泄漏后气体分子分布复杂,并且检漏结果与方向规和泄漏点方位、距离、空间站运行速度等相关,因此需要进一步突破多项技术瓶颈,设计出方向规用于空间站泄漏监测的整体方案,有望使其成为一种新的空间站泄漏监测工具。

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