大型空间环境模拟器热沉泄漏定位方式研究

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

  热沉作为空间环境模拟器的重要组成部分,其内表面涂以高吸收率的黑漆,内部通液氮,在航天器热试验过程中起着模拟空间冷黑环境的关键作用,一旦泄漏不但热试验无法进行,甚至可能对航天器造成危害。本文针对大型环境模拟器热沉泄漏的定位方式进行研究,得出了在热沉泄漏早期及时发现泄漏部位的方法,并将其应用在KM6空间环境模拟器上,取得了良好的效果。

  空间冷黑环境是空间环境模拟设备中必不可少的模拟环境条件之一。在太空中卫星所遇到的是等效温度为3K和吸收率近似为1的空间环境,它不仅意味着卫星发出的任何能量都将被周围环境全部吸收,而且这个无际空间给予它的能量几乎等于零。这一冷黑环境又称之为热沉环境,它将影响卫星的热性能和其内部各种仪器工作的特性。因此卫星发射前必须在地面模拟的冷黑环境中进行试验,其目的是验证与检验卫星的热设计与热性能。为模拟空间冷黑环境,通常用铝、铜或不锈钢制成冷却构件,其内部通液氮,内表面涂以高吸收率的黑漆,这种装置称为热沉。

  热沉作为空间环境模拟器低温流程的单点失效设备,其性能的好坏直接关系到热试验能否顺利进行,一旦试验过程中热沉出现故障,例如泄漏(根据热沉设计要求,一般其漏率应优于1.0×10-8Pa·m3/s),整个热试验将受到很大的影响,甚至可能对航天器造成危害。因此,如何在热沉泄漏早期及时发现泄漏部位,对其进行有效处理,使其漏率不再进一步增大,就显得尤为重要。

1、热沉异常情况分析

  根据经验,空间环境模拟器启动阶段,热沉内部压力升高,温度降低,对容器内气体吸附能力增强,容器真空度应逐渐变好;空间环境模拟器停止阶段,热沉内部压力降低,温度升高,对容器内气体吸附能力减弱,容器真空度应逐渐变坏。

  如果热试验开机与停机阶段,出现容器真空度的异常变化,例如,热试验开机阶段,随着液氮泵的启动,热沉内部压力升高,温度降低,真空度变坏之后又变好,这说明由于液氮泵的启动,热沉内部压力升高,导致其漏率变大,容器真空度先变坏,然后随着热沉温度的降低,其吸附气体的能力增强,容器真空度又不断变好;热试验停机阶段,随着液氮泵的停止,热沉内部压力降低,温度升高,真空度变好之后又变坏,这说明由于液氮泵的停止,热沉内部压力降低,导致其漏率变小,容器真空度先变好,然后随着热沉温度的不断升高,吸附在其表面上的气体大量析出,容器真空度又不断变坏。

  此外,也可以根据四极质谱计测量的容器内氮分压的变化来判断热沉的泄漏情况,但是在空间环境模拟器的启动与停止阶段,容器内真空度一般较低,可能有时四极质谱计无法开启。因此,如果热试验开机与停机阶段,发现容器真空度稍有异常变化时,应高度重视,找出原因,如果定位到是热沉的问题,应及时检漏,找出泄漏部位,在其漏率还没有影响热试验进行之前,及时处理,防止泄漏部位因反复使用,漏率不断增大。

2、热沉泄漏定位方式研究

  通过分析,一旦确认空间环境模拟器开机与停机阶段容器真空度的异常变化是由于热沉泄漏所导致,就必须采取适当的方式对热沉进行检漏,准确定位出泄漏部位,由于热沉工作时一般承受0.3MPa~0.4MPa左右的压力,因此考虑用氦质谱吸枪法来定位漏点(氦质谱吸枪法原理详见2.1),又空间环境模拟器的热沉一般面积都相对较大(按照空间环境模拟设备的定义,模拟室直径应大于2m,其中KM6主容器热沉有效直径10.5m,有效高度16.9m,包括底部热沉、下部热沉、隔震平台热沉、活动热沉S1、活动热沉S2、运动模拟器热沉、颈部热沉、防污染板热沉、中部热沉、侧门热沉、上部热沉、顶部热沉等12个部分),这么大面积的被检件使用吸枪检漏显然是不现实的,因此我们考虑首先采用氦质谱真空室法(氦质谱真空室法原理详见2.2),分别对空间环境模拟器的各路热沉进行检漏,初步判断是哪一路(哪几路)热沉漏率不满足要求,这样就将大面积的被检件变成了一路(几路)小面积的被检件了,然后,我们使用氦质谱吸枪法在漏率不满足要求的小面积热沉上准确定位漏点即可。

  2.1、氦质谱吸枪法原理

  氦质谱吸枪法亦称充氦吸嘴法,是将被检件预先抽成真空再对其内部充入氦气,然后用以软管与检漏仪相连的吸枪在被检件外表面可疑处逐点扫描,若有漏孔,由被检件内流出的氦随周围空气一起被抽入检漏仪,从而产生漏气的输出指示,其检漏装置如图1所示。

氦质谱吸枪法原理图

1.检漏仪;2.吸枪;3.被检件;4.氦气瓶;5.软管

图1 氦质谱吸枪法原理图

  2.2、氦质谱真空室法原理

  氦质谱真空室法是将被检容器放入一个真空室中,真空室与质谱仪相连,如图2所示。检漏时,先用辅助泵将真空室抽至低真空,然后关闭辅助泵,打开检漏阀使真空室与早已抽至极限真空的质谱室相通,仪器达到工作真空度后,将仪器调到检漏工作状态,然后被检容器中充入氦气(为提高浓度,有时用泵先将被检容器抽空后再充氦气)。当仪器输出指示数值增大时,证明被检容器有漏,由输出指示变化的大小可以确定被检容器总漏率的大小,这种检漏方法可以通过增加被检容器中的氦压力来降低有效最小可检漏率。

氦质谱真空室法原理图

1.检漏仪;2.辅助阀;3.辅助泵;4.被检容器;5.真空室;6.氦气瓶

图2 氦质谱真空室法原理图

3、KM6空间环境模拟器热沉泄漏的定位

  下面以KM6空间环境模拟器为例,详细介绍了容器真空度异常变化的分析情况,以及采用氦质谱真空室法与氦质谱吸枪法相结合的检漏方式准确定位漏点的过程。

  3.1、异常情况分析

  2011年7月-2012年1月,KM6空间环境模拟器三次整星热试验开机与停机阶段,容器真空度均出现如上面第1部分所述的异常变化,表1详细列出了试验启停液氮泵前后容器真空度的变化情况,由表1可以看出,真空度在液氮泵开机与停机阶段不正常的变化是逐步出现的,经过分析认为热沉有漏。

表1 液氮泵开机停机阶段真空度变化

液氮泵开机停机阶段真空度变化

  3.2、检漏总体方案

  本次检漏的目的是准确找到漏点,对泄漏部位进行有效的处理,使其漏率满足后续热试验的要求。被检热沉一共12路(包括底部热沉、下部热沉、隔震平台热沉、活动热沉S1、活动热沉S2、运动模拟器热沉、颈部热沉、防污染板热沉、中部热沉、侧门热沉、上部热沉、顶部沉)而且每路沉的表面积非常大,根据第2部分的研究结论,应首先采用氦质谱真空室检漏法确定是哪一路热沉漏率不符合要求,然后采氦质谱吸枪法准确定位漏点,进行标记,采取有效措施,使其漏率满足要求。

  3.2.1、单路热沉总体漏率检测

  采用氦质谱真空室法,依次对12路热沉进行充压,由于热沉在热试验过程中承受的压力为0.3MPa~0.4MPa,本次检漏模拟热沉在热试验过程中的承压状态,所以采取了每路热沉通入0.3MPa混合气体(氮气与氦气,氦气浓度约为50%)的方式,检漏系统如下图3所示。具体检漏过程如下:

  (a)系统准备

  ①低温系统氮气源具备供气状态;

  ②真空流程依次启动粗抽系统、高真空系统(三台低温泵抽气)将容器真空度抽到10-3 Pa量级;

  ③分别启动分子泵检漏系统以及四极质谱计,氦质谱检漏仪、四极质谱计分别处于良好工作状态;

  ④待氦质谱检漏仪本低稳定后,具备检漏状态。

  (b)系统灵敏度测试

  检漏时,开启三台低温泵、三台TPH2200分子泵,检漏仪与罗茨泵机组并联,进行分流检漏。标准漏孔标称值为2.0×10-6 Pa·m3/s,其在检漏系统中的反应值为1.20×10-7→3.30×10-7,检漏灵敏度为1.9×10-7 Pa·m3/s。

  (c)分别对12路热沉通入0.3MPa的混合气体(氦气浓度约为50%),保压5min;

  (d)分别观察容器上四极质谱计的氦气分压与氮气分压值,以及氦质谱检漏仪的反应值并记录;

  (e)12路热沉全部检漏完成后,对漏率不符合要求的热沉进行氦质谱吸枪检漏。

检漏系统

图3 检漏系统

  3.2.2、漏点定位测试

  对漏率不满足热试验要求的单路热沉,采用氦质谱吸枪法准确定位漏点。

  具体检漏过程如下:

  (a)充入氦气浓度不小于50%的混合气体0.3MPa;

  (b)检漏仪本底稳定后,利用吸枪在被检热沉外部进行扫描,记录检漏仪的反应值,找到漏点后进行标记。

  3.3、检漏结论

  按3.2的检漏总体方案对KM6空间环境模拟器的热沉进行检漏,得出结论如下。

  3.3.1、单路热沉总体漏率检测

  单路热沉总体漏率检测结果主要包括两个方面,分别为检漏仪以及四极质谱计的结果。

  3.3.1.1、检漏仪漏率测试

  采用氦质谱真空室法,依次对12路热沉进行充压真空检漏,其结果如下表所示。

表2 KM6热沉检漏数据

KM6热沉检漏数据

  3.3.1.2、四极质谱计漏率测试

  下部热沉加压检漏过程中,容器上四极质谱计的氮分压升高,如下图4所示,氦分压不变;其它11路热沉检漏过程中容器上四极质谱计的氮分压、氦分压均无波动,这也进一步验证了下部热沉的漏率最大,因此应对下部热沉进行漏点定位测试。

氮离子流随时间变化示意图

图4 氮离子流随时间变化示意图

  3.3.2、漏点定位测试

  采用氦质谱吸枪法对下部热沉进行检漏,依次对可疑部位进行扫描,发现KM6容器小门进液管路波纹管连接处反应值较大,从1.82×10-7 Pa·m3/s变化到7.50×10-5 Pa·m3/s,待检漏仪恢复至本底后,对下部热沉其它可疑部位进行了检漏,反应值几乎不变,可以认为漏率满足要求,至此漏点得到准确定位。

4、结论

  本文对大型空间环境模拟器热沉早期泄漏的定位方式进行了研究,提出采用氦质谱真空室法与氦质谱吸枪法相结合的检漏方式,将大面积的热沉检漏变成一路或几路小面积热沉的漏率检测,并将其应用在了KM6空间环境模拟器上,取得了良好的效果。

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