基于莱宝检漏仪的航天器总漏率测试技术研究

真空检漏 刘兴悦、窦仁超 北京卫星环境工程研究所

  目前航天器总装期间的泄漏检测内容主要有单点检漏(螺接头和焊缝)、系统总漏率和部分阀门组件的真空检漏,单点和真空检漏过程中主要使用莱宝的L300/L200系列、普发ASM系列以及少量的爱德华、英福康产品,而航天器系统总漏率测试过程中主要使用北京中科科仪生产的ZQJ-291系列和ZQJ-30系列检漏仪。

  因此航天器单点检漏设备和系统检漏设备属于各自独立的状态,对于众多的型号检漏任务,需要配置更多的检漏设备,增加工作成本。特别在发射场检漏时需要将多台检漏仪运输至基地,使得检漏仪的使用效率降低。为了控制并降低检漏仪的质量风险,节约成本,增强检漏仪技术掌握,对现有进口检漏仪进行研究,研究并改进现有检漏方式,研制一种基于莱宝检漏仪的总漏率测试方法和测试系统。

1、航天器总漏率检漏原理

  航天器系统总漏率的测试原理是非真空氦质谱累积法,测试方法为先用氦质谱检漏仪测试收集室(或包装箱)内的氦气浓度U1(初值),累积一定时间t后再次测试收集室(或包装箱)内氦气浓度U2(终值),通过放样系统向收集室(或包装箱)内充入一定量的氦气W,再次测试收集室(或包装箱)内浓度U3。则卫星的总漏率Q的计算公式如(1)所示。

航天器总漏率测试系统

  在此原理基础上建立的总漏率测试系统如图1所示。总漏率测试系统主要由检漏仪、测试计算机、基准气罐(或标准气罐)、收集室(或包装箱)等组成。该测试系统可以测试10-5Pa·m3/s~10-2Pa·m3/s范围内的航天器总漏率,能够满足现有航天器泄漏检测任务需求。

航天器总漏率测试系统

图1 航天器总漏率测试系统

2、总漏率测试系统

  现有航天器总漏率检测检漏仪是北京卫星环境工程研究所在北京中科科仪氦质谱检漏仪的基础上进行改进的,适用于航天器总漏率测试任务。进口检漏仪如莱宝、普发、爱发科等国外检漏仪具有信号稳定、性能可靠等优点,但是其在非真空检漏领域主要应用于各类单点检漏,如吸枪嗅探法、喷吹法、背压法等,不能直接用于航天器的总漏率测试工作。为了提升进口检漏仪使用效率,扩大检漏仪功能,我们对进口检漏仪总漏率测试方法进行了研究,通过研制进口检漏仪的总漏率测试系统,使得进口检漏仪既可以进行单点漏率测试,又可以进行航天器总漏率测试工作。

  本文选取数量较多的莱宝检漏仪作为总漏率测试系统研究对象,因此总漏率测试系统主要是由莱宝L300/L200系列检漏仪、标准气罐柜、收集室、网线或串口线以及部分真空管道组成,系统结构如图1所示。标准气罐柜中集成了工控计算机、真空罐、循环泵、电磁阀、限流孔、过滤器以及真空管道组成。通过工控计算机内运行自研的检漏软件,控制标准气罐内的电器元件,完成航天器总漏率测试过程中的初值、终值和样值的测试以及最终总漏率的计算、存储、历史数据查询等工作。

系统结构原理图

图2 系统结构原理图

3、总漏率测试核心设备

  总漏率测试系统中核心硬件设备是标准气罐柜,该设备完成了总漏率测试的绝大多数工作,如标准气体的取样、待测气体的取样(又称样气)、标准气体和样气的切换、将气体压力由一个大气压降压至几Pa、测试参数的设置和修改、测试数据的计算、测试数据的保存和查询以及与检漏仪数据通信等。标准气罐柜的实物如图3所示。标准器罐整体外形设计美观,符合一定的人体工程力学,操作方便、容易。标准气罐的前面装有工控计算机,用来控制内部电磁阀和循环泵,并实时显示漏率数据以及数据存储和历史数据查询;控制柜的下方装有标准气罐,用于密封一定体积的空气(可以简称为标准气);控制柜内部装有特殊研制的气体切换法、取样系统和电路系统,用以完成气体的取样、切换和控制等功能。

标准气罐柜的实物图

图3 标准气罐柜的实物图

4、总漏率测试软件

  莱宝检漏仪自带的检漏软件只适用于普通的工业生产过程中的检漏任务,不适用于航天器系统总漏率测试。因此需要重新研发一套既适用于航天器系统总漏率的检测软件。通过近一年的研发,已经成功研制了适用于航天器总漏率测试的检漏软件,软件的主界面如图4所示。软件包含5大功能,分别是参数设置功能、数据采集功能、数据显示功能、电磁阀和循环泵控制功能以及历史数据查询功能。参数设置功能主要用于设置每次检漏任务的任务号、测试阶段、操作者、基准值、标底值、放样量等参数。数据采集功能主要是将检漏仪的检测数据、电磁阀和循环泵的状态数据采集进软件内并对部分硬件进行控制。数据显示功能主要是将测试过程中主要的检漏数据显示在工控电脑上,用于操作者查看和判断。历史数据查询功能主要用于历次检漏结果查询,进行数据比对,检查、判断航天器密封性能状态。

总漏率测试软件主界面

图4 总漏率测试软件主界面

  航天器总漏率测试的步骤是:测试初值(本底值),测试终值(泄漏累积反应值),测试样值(标准样气反应值),然后再通过计算公式,计算出航天器泄漏漏率。软件不仅具备以上功能,而且还具有数据存储和数据历史查询、显示等功能。软件主界面中包含了当前检漏仪的漏率值、检漏口压力、测试阶段、时间、总漏率测试曲线以及测试相关的确认按钮。自研的总漏率测试软件界面不仅能够清晰明确反映出测试过程和仪器设备的状态,而且便于操作和测试过程的监控。

  测试过程中产生的数据和最后计算结果存储在SQL的数据库里,可以在“列表数据”和“图形数据”中进行查询。其中“图形数据”中存储的是总漏率测试过程中所有的完整数据,而“列表数据”仅保存经过计算后的总漏率关键数据,如初值差值、终值差值、样值差值和最终计算结果。图形数据查询界面中可以直观地看到每次总漏率测试过程中的过程图,可以自由选择初值、终值和样值,共计有27种组合,并可以计算出选择组合的总漏率值,计算结果可以进行保存。同时也可以将整个测试过程的数据从SQL数据库中导出,生成excel文件(.scv)。在列表数据界面中可以直接查看每次总漏率测试过程中的具体参数信息,在本界面中不能进行总漏率计算,只能进行总漏率计算结果的保存和查看。数据的导出功能和图形数据界面中一样。

5、测试结果

5.1、对比试验系统搭建

  为了验证基于莱宝检漏仪的总漏率测试系统的性能,随机选取航天器单点检漏常用的莱宝L300检漏仪一台。将标气罐柜、L300检漏仪和收集室(收集室尺寸为4223×4205×5200mm,体积约为88.32m3)进行连接。为了对比测试效果,将一台ZQJ-291H检漏仪分别与收集室和标气罐柜进行连接。即L300检漏仪和ZQJ-291H检漏仪的标气均取自标气罐柜中的气罐,共用同一标气。试验系统连接的实物图,如图5所示。

基于莱宝检漏仪的航天器总漏率测试技术研究

图5 对比试验系统的实物图

5.2、对比测试结果

  为了验证L300和ZQJ-291H检漏仪测试结果,进行总漏率测试试验。测试方法采用直接向收集室放样(放入一定量的高纯氦气)等效航天器充入高纯氦气后累积一定时间氦气泄漏出来的量。测试过程为:收集室大门关闭后测试初值;向收集室放入0.0691MPa×12.5mL的高纯氦气,开启循环风机,待浓度均匀后测试终值;向收集室放入0.0693MPa×12.5mL的高纯氦气,开启循环风机,待浓度均匀后测试样值,测试结果分别如图6和图7所示。

ZQJ-291H测试初值、终值和样值结果图

图6 ZQJ-291H测试初值、终值和样值结果图

L300测试初值、终值和样值结果图

图7 L300测试初值、终值和样值结果图

5.3、数据分析对比

  在比对试验中将在收集室内放置一台正压标准漏孔(CL004 编号:90001188073,校准值6.1×10-6Pa·m3/s),使用正压漏孔在收集室内长时间累积试验共做了2次,试验数据分别见表1和表2所示。两次测量不同检漏仪的重复误差分别为:L300检漏仪1.72%,291H检漏仪20.76%。

  从表1和表2中可以看出,基于L300检漏仪的总漏率测试系统测试的准确性、离散性、精度均高于ZQJ-291H检漏仪。通过相关的公式计算得到L300检漏仪的总漏率测试灵敏度优于1×10-6Pa·m3/s。

表1 测试结果1#对照表

基于莱宝检漏仪的航天器总漏率测试技术研究

表2 测试结果2#对照表

基于莱宝检漏仪的航天器总漏率测试技术研究

6、结语

  本文对莱宝L300系列检漏仪的非真空氦质谱总漏率泄漏检测方法和技术进行研究,研制了一种航天器总漏率测试方法和测试系统,并进行多次试验验证。试验结果表明:

  基于莱宝检漏仪的总漏率测试方法和测试系统具有测量精度高(最小可检总漏率优于1×10-6Pa·m3/s)、性能稳定,降低了航天器系统总漏率最小可检值,具有一定的工程应用价值。

  同时基于莱宝检漏仪的总漏率测试系统适用于非真空状态下各类氦气累积法产品总漏率测试的工业应用,如航天器总漏率检测、电池泄漏检测、电子元器件泄漏检测以及各类高精尖产品的泄漏检测工作。