放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:师立侠

  航天器的总漏率测试一般采用氦质谱大气累积检漏法,为了提高总漏率测试的准确度,对目前航天器总漏率测试过程放样时间对测试结果的影响进行了研究分析,并对总漏率计算公式提出相应的修正。

  航天器的密封性能指标是衡量航天器质量高低的一个重要参数,它直接关系到航天器发射和在轨运行的成功与否。氦质谱大气累积检漏法是目前航天器总装阶段总漏率测试采用的最主要的检漏方法。该方法已经使用将近20年,成功完成了近百颗卫星和飞船的总漏率测试任务。在多年的测试实践中发现氦质谱大气累积检漏法在测试航天器总漏率时真值与测量值间的误差会随着航天器漏率增大而增大。为找到误差来源并解决该问题本文特对航天器总漏率测试过程进行分析研究,研究放样时间对测试结果的影响,并对总漏率计算公式提出修正,以期能提高航天器总漏率测试的准确度。

1、测试系统工作原理

  航天器总漏率测试系统由收集容器、循环泵、截止阀、流量计、检漏阀、标准气体、检漏仪及连接管路等组成,其工作原理如图1 所示。测试系统主要由标准气体循环(标准气体、流量计及相应的管道)和被测气体循环(收集容器、循环泵及相应的管道)两部分组成,标准气的流量靠流量计来调节,被测气体流量由循环泵实现。其中检漏阀是控制进入检漏仪的气体量,阀门开度过大,检漏仪达不到正常工作需要的真空度,无法正常工作;开度过小,进入检漏仪的气量太小会降低测试的灵敏度,检漏阀需要选择合适的开度。标准气体由氦气和氮气按照正常大气环境下空气中的氦气浓度配置而成,密封储存在标准气瓶中,用来对检漏仪进行校准操作,确保检漏仪对相同的气体有相同的反应值。

氦质谱大气累积检漏法的测试原理图

图1 氦质谱大气累积检漏法的测试原理图

2、测试过程

  测试时将被检件充入一定压力(与被检件工作压力一致)的氦气,放入密闭的收集容器中,当收集容器内气体扩散混合均匀后(如果收集容器较大,可采用风机或风扇等进行搅拌),测试收集容器内的氦浓度本底值。具体操作是,先打开标准气体的阀门,用标准气体对仪器进行校准,使仪器对标准气体反应的值作为基准值;在此状态下通过切换两个截止阀测试容器内的氦浓度本底相对于标准气体的差值,作为总漏率的初值μ1,并记录测试时间t1。如果需要测试较小的差值可利用检漏仪的清零或调零功能,将标准气体作为零点来进行测试。

  保持收集容器密封,如果被检件有泄漏,会造成收集容器内氦气浓度的升高,为了能够测量到氦浓度变化量,需要累积一定时间t(航天器检漏过程中一般需要累积24 h)。通过风机搅拌使收集容器内的气体混合均匀后,先用标准气体校准仪器,确保仪器对标准气体反应的值同测试总漏率初值的基准值一致,确保检漏仪在相同的状态下进行测量,再测试收集容器内的氦浓度相对于标准气体的差值,作为总漏率的终值μ2,并记录测试时间t2。

  终值测试结束后,进行系统的标定工作,为了保证测试与标定过程的状态一致,不打开收集容器,将已知压力和体积气体量(P0V0)的纯氦气注入收集容器内,通过风机搅拌使收集容器内的大气混合均匀后,用标准气体校准仪器,方法同测试初值一样,测试收集容器内的氦浓度相对于标准气体的差值,作为样值μ3,并记录测试时间t3。则被检件的总漏率Q 的计算公式如(1)所示。

放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

3、放样时间对测试结果的影响

  在航天器检漏过程中,终值测试结束后到测试放样值这段时间,被检件维持自身的漏率在继续泄漏,为了对此部分的泄漏进行详细分析,假设从终值测试结束到样值测试结束的时间段(t3- t2),被检件的泄漏为线性关系,此段时间的泄漏值μ'

放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

  被检件的真实漏率Q'

放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

  由公式(1)、(2)、(3)联立可得到公式(4):

放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

  为了更加容易看出测试漏率值Q 与真实漏率值Q' 之间的关系,对公式(4)进行变换,得到公式(5):

放样时间对航天器总漏率测试结果影响的研究

  根据目前航天器检漏实践, 再结合公式(5),在航天器检漏过程中放样量通常取P0V0 为0.5 MPa×18 mL,检漏累积时间(t2- t1)为24 h,放样时间(t3- t2)为1 h。则测试漏率值与航天器的真实漏率值之间的关系,如图2 所示。

航天器测试漏率与真实漏率之间的关系

图2 航天器测试漏率与真实漏率之间的关系

  由图2 可以看出当航天器的漏率小于10- 4 Pa·m3/s 量级时测试漏率值与真实漏率值曲线基本重合,即两者之间的误差较小;当航天器的漏率值大于10- 4 Pa·m3/s 量级时测试漏率值与真实漏率值曲线误差逐渐增加并迅速变大,并且测试漏率值不再呈现线性变化;当航天器的漏率值大于10- 2 Pa·m3/s 量级时测试漏率值严重偏离真实值。航天器产品测试过程中,不同量级下的测试值与航天器真实泄漏值的误差变化,如表1 所示。通过表1 可以看出真实漏率在从10- 6 Pa·m3/s 至10- 2 Pa·m3/s 之间增加时,相对误差值也在逐渐增加,当测试量级为10- 2 Pa·m3/s时,相对误差已经接近100%。

表1 真实漏率与测试漏率之间的误差关系

真实漏率与测试漏率之间的误差关系

  根据目前航天器检漏经验,假设航天器的总漏率真值是1×10- 4 Pa·m3/s,检漏过程中的放样量为0.5 MPa×18 mL,则放样时间与总漏率测试值和总漏率真实值之间的关系,如图3 所示。由图3 可知放样时间越长,测量值就会越小,测量结果与真值之间的误差就越大。这是因为在放样时间内,航天器泄漏仍在继续,而新泄漏出来的示漏气体量并没有计算到终值结果内,而是被当做放样量的一部分,使得放样量高于真值要求,所以航天器泄漏量越大,测量结果与真值之间误差也就越大。

放样时间对总漏率测试的影响

图3 放样时间对总漏率测试的影响

4、结束语

  通过以上分析,可以得到以下结论:

  (1) 造成航天器检漏测试过程中的测试不准确的众多影响因素中,放样时间是一个重要的影响因素,在测试过程中必须尽量缩短放样时间;

  (2) 通过对原有的航天器总漏率计算公式进行分析,发现其真实漏率略大于测试漏率,当放样时间小于1 h,测试小于10- 4 Pa·m3/s 量级漏率值时,相对误差范围在工程应用中可以接受,而在测试大于10- 4 Pa·m3/s 量级漏率值时,相对误差太大,需要进行修正;

  (3) 在未来的航天器检漏测试过程中采用公式(4)对总漏率测试值进行修或采取公式(3)进行总漏率计算能提高测试值的准确性。

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