包裝箱正壓環(huán)境下航天器總漏率檢測(cè)技術(shù)

竇 威，楊定魁，崔寓淏，孟冬輝，喻新發(fā)，馬永強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

氦質(zhì)譜非真空累積檢漏方法采用密封的航天器包裝箱作為示漏氦氣收集容器，對(duì)被測(cè)航天器子系統(tǒng)充入工作壓力的高純氦氣，并封入包裝箱，通過(guò)檢漏儀測(cè)試包裝箱中氦氣體積分?jǐn)?shù)的累積變化得到被測(cè)航天器子系統(tǒng)的總漏率。

現(xiàn)階段，該技術(shù)是在常壓環(huán)境下開(kāi)始累積，在累積過(guò)程中，航天器包裝箱內(nèi)、外壓力差會(huì)受箱體內(nèi)、外溫度和大氣壓變化影響，可能出現(xiàn)包裝箱處于正壓或負(fù)壓的工況?；诖耍教炱靼b箱需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，而承載負(fù)壓的設(shè)計(jì)會(huì)造成航天器包裝箱質(zhì)量的大幅增加。

本文研究在正壓環(huán)境下利用氦質(zhì)譜非真空累積檢漏方法進(jìn)行航天器總漏率測(cè)試的可行性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，判斷這一新的檢漏方法是否滿足航天器總漏率檢測(cè)的需求，進(jìn)而為航天器包裝箱的減重設(shè)計(jì)和利用正壓環(huán)境進(jìn)行檢漏測(cè)試的可行性提供參考。

1 工程現(xiàn)狀與研究目標(biāo)

1.1 常壓環(huán)境下總漏率檢測(cè)

目前，通常利用航天器包裝箱進(jìn)行示漏氣體累積收集，采用氦質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行常壓環(huán)境下總漏率檢測(cè)[1]，系統(tǒng)原理如圖1所示。

總漏率檢測(cè)方法如下：

圖1 常壓環(huán)境下航天器總漏率檢測(cè)系統(tǒng)原理示意Fig. 1 Principle of the total leakage rate testing of spacecraft under ordinary pressure environment

1）以工作壓力的氦氣作為示漏氣體充入航天器子系統(tǒng)中并放入密閉包裝箱內(nèi)；利用包裝箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)使其內(nèi)部氣體混合均勻，以標(biāo)準(zhǔn)氣體的氦體積分?jǐn)?shù)作為基準(zhǔn)值，用檢漏儀測(cè)量包裝箱內(nèi)的氦體積分?jǐn)?shù)本底值，記為測(cè)量初值u1，記錄測(cè)量時(shí)間t1。

2）保持航天器包裝箱密封，如果被檢系統(tǒng)有泄漏，則包裝箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)升高，為測(cè)得箱內(nèi)氦體積分?jǐn)?shù)變化量，需要累積一定時(shí)間t（一般為24 h）。

3）通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使包裝箱內(nèi)的氣體混合均勻，用與步驟1）相同的測(cè)試方法測(cè)量包裝箱內(nèi)的氦體積分?jǐn)?shù)，記為終值u2，記錄測(cè)量時(shí)間t2。

4）終值測(cè)量結(jié)束后，將一定量w（w=PV，即一定體積、一定壓力）的氦氣放入包裝箱中進(jìn)行標(biāo)定[2]，通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使箱內(nèi)氣體混合均勻后用相同測(cè)試方法測(cè)量此時(shí)包裝箱內(nèi)的氦體積分?jǐn)?shù)，記為樣值，記錄測(cè)量時(shí)間。

5）計(jì)算被檢件的總漏率

在總漏率檢測(cè)過(guò)程中，環(huán)境溫度變化量很小，在±2 ℃范圍內(nèi)；同時(shí)，整個(gè)檢漏過(guò)程中，外界大氣壓是波動(dòng)的，24 h內(nèi)最大值和最小值之差可達(dá)3000 Pa。綜合溫度變化與外界大氣壓變化，隨著檢漏累積時(shí)間的增長(zhǎng)，包裝箱內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生正或負(fù)的壓差，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，包裝箱內(nèi)外壓差的最大量值約為2000 Pa。

1.2 研究目標(biāo)

為避免出現(xiàn)包裝箱負(fù)壓工況使航天器包裝箱在設(shè)計(jì)時(shí)不得不加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而導(dǎo)致箱體重量過(guò)大，改進(jìn)現(xiàn)有常壓總漏率檢測(cè)方法，在航天器放入包裝箱并完成密封后向箱內(nèi)充入2000 Pa的高純氮?dú)?，?chuàng)造正壓環(huán)境，之后再進(jìn)行初值、終值和樣值的測(cè)量，這樣，在24 h累積的過(guò)程中，即使外部大氣壓不斷變化，包裝箱內(nèi)相對(duì)外部始終處于正壓狀態(tài)。

由于航天器被檢系統(tǒng)多種多樣，總漏率要求也各不相同，分布量級(jí)較廣，我們選取典型漏率量級(jí)1×10-4Pa·m3/s進(jìn)行研究。按照檢漏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度需要優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)1個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，針對(duì)包裝箱正壓環(huán)境下航天器總漏率檢漏技術(shù)的研究，需以通過(guò)校準(zhǔn)的漏率為1×10-5Pa·m3/s左右的標(biāo)準(zhǔn)漏孔作為研究和被測(cè)對(duì)象。通過(guò)理論分析研究和試驗(yàn)測(cè)試，擬達(dá)到以下研究目標(biāo)：

1）理論分析正壓環(huán)境下氦質(zhì)譜總漏率檢測(cè)技術(shù)的可行性（以誤差不大于5%作為理論分析邊界條件）；

2）建立試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)正壓和常壓環(huán)境下氦質(zhì)譜總漏率檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷2種方法對(duì)于校準(zhǔn)量值為1×10-5Pa·m3/s左右標(biāo)準(zhǔn)漏孔的實(shí)測(cè)值偏差是否在±20%以內(nèi)，以驗(yàn)證正壓環(huán)境下的總漏率檢測(cè)方法是否可行。

2 理論分析

包裝箱正壓環(huán)境下進(jìn)行的航天器總漏率檢測(cè)方法，相對(duì)常壓環(huán)境檢測(cè)方法，主要區(qū)別為包裝箱內(nèi)初始就存在高于外部2000 Pa的壓力，會(huì)造成以下影響[4]：

1）包裝箱內(nèi)原有氣體和航天器泄漏至箱內(nèi)的示漏氣體存在隨壓差泄漏出包裝箱外的可能[5]，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，因此必須從理論上分析包裝箱本體密封性與航天器總漏率測(cè)試結(jié)果的關(guān)系，并給出包裝箱密封性需要達(dá)到的指標(biāo)；

2）包裝箱內(nèi)2000 Pa的初始高純氮?dú)鈺?huì)增加箱內(nèi)氣體的量，對(duì)總漏率檢測(cè)程序中的各個(gè)相關(guān)測(cè)量值和標(biāo)定過(guò)程中的放樣（即式(1)中的各個(gè)參數(shù)）產(chǎn)生何種影響，也需要進(jìn)行理論分析。

2.1 航天器包裝箱本體密封性影響分析

航天器包裝箱本身不是絕對(duì)密封的，各接口處和密封處均存在微小漏孔，且其內(nèi)外存在2000 Pa的壓差，內(nèi)部氣體比常壓時(shí)更容易向箱外泄漏。經(jīng)分析可知，包裝箱在24 h內(nèi)由內(nèi)部泄漏至外部的氣體含有部分初始空氣（充入2000 Pa氮?dú)夂蟮幕旌峡諝猓┖筒糠趾教炱鞅粶y(cè)系統(tǒng)中泄漏出的示漏氣體。

一般情況下，航天器總漏率檢測(cè)時(shí)包裝箱所處環(huán)境均在測(cè)試廠房?jī)?nèi)，溫度可控，因此我們進(jìn)行理論分析時(shí)視包裝箱內(nèi)溫度維持恒定。建立總漏率檢測(cè)系統(tǒng)模型：設(shè)包裝箱內(nèi)部容積為V1，初始階段箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)為大氣中氦的體積分?jǐn)?shù)——r0=5×10-6，大氣壓為P0=1×105Pa，箱內(nèi)初始?jí)毫1=(105+2000) Pa。為了簡(jiǎn)化，進(jìn)行理論分析時(shí)，視箱內(nèi)氣體泄漏到箱外的漏率為恒定的Q1，且假設(shè)氣體由箱內(nèi)至箱外的泄漏為等比泄漏（任意時(shí)刻泄漏出包裝箱的氣體中氦氣體積分?jǐn)?shù)等同當(dāng)時(shí)箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)），航天器泄漏漏率為恒定的Q0，任意時(shí)刻t包裝箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)為r，則在初始時(shí)刻，包裝箱內(nèi)的氦氣絕對(duì)量為

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，航天器泄漏出的氦氣會(huì)造成包裝箱內(nèi)部氦氣絕對(duì)量的增加，而隨壓差由包裝箱向外泄漏的氣體會(huì)降低這一增量的速率[6]，因此，在某一時(shí)刻t，包裝箱內(nèi)的氦氣絕對(duì)量為

在同一時(shí)刻，包裝箱內(nèi)的總的氣體量為

通常情況下，航天器在進(jìn)行高指標(biāo)檢漏前已經(jīng)過(guò)大漏初檢，因此其泄漏量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包裝箱內(nèi)的總的氣體量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包裝箱向外的泄漏量，因此，式(4)中的Q0t可以忽略。綜上，在任意時(shí)刻t，包裝箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)為

氦質(zhì)譜非真空累積檢漏法的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24 h，以目標(biāo)靈敏度1×10-5Pa·m3/s量級(jí)作為目標(biāo)值，設(shè)Q0=1×10-5Pa·m3/s；一般航天器檢漏采用的包裝箱內(nèi)部容積在100 m3左右，因此設(shè)V1=100 m3；將P1、V1、Q0和r0的數(shù)值代入式(5)可得，當(dāng)Q1=0時(shí)，即航天器包裝箱完全密封的情況下，24 h后箱內(nèi)的氦氣體積分?jǐn)?shù)r增長(zhǎng)為 5.084 7×10-6，增長(zhǎng)量 Δr=r?r0為 0.084 7×10-6。

由于包裝箱內(nèi)氦氣體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)是線性的，則24 h后，泄漏出包裝箱外的所有氣體總和中氦氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為24 h時(shí)箱內(nèi)氦氣體積分?jǐn)?shù)與大氣氦氣體積分?jǐn)?shù)之和的一半，即(r+r0)/2?；诶碚摲治鼋嵌?，檢漏結(jié)果需滿足誤差不大于5%，因此包裝箱內(nèi)氦氣體積分?jǐn)?shù)變化量Δr需滿足95%×0.084 7×10-6≤Δr≤105%×0.0847×10-6，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Q1的最大值就是理論上容許的航天器包裝箱泄漏率。

依上述數(shù)值和方法計(jì)算可得，-12.44 Pa·m3/s≤Q1≤11.22 Pa·m3/s，11.22 Pa·m3/s對(duì)應(yīng)的 100 m3包裝箱漏率指標(biāo)為9 694 Pa/24 h，而實(shí)際包裝箱正壓環(huán)境下（充入2000 Pa高純氮?dú)猓┑男孤﹨?shù)均不大于300 Pa/24 h。由此可得出結(jié)論：在正壓環(huán)境下利用航天器包裝箱進(jìn)行總漏率檢測(cè)時(shí)，對(duì)檢漏過(guò)程和結(jié)果造成的理論偏差影響遠(yuǎn)小于5%。

2.2 正壓因素影響分析

由式(1)可知，影響航天器總漏率檢測(cè)的因素主要包括：檢漏儀的3個(gè)測(cè)量值（初值u1、終值u2和樣值u3）以及標(biāo)定過(guò)程中的取樣和放樣量w。u1、u2和u3是包裝箱內(nèi)氦氣體積分?jǐn)?shù)的線性反應(yīng)，因此在對(duì)包裝箱內(nèi)充入2000 Pa高純氮?dú)夂?，這3個(gè)測(cè)量值會(huì)較常壓環(huán)境下有所不同，但僅僅是絕對(duì)數(shù)值的不同，由于測(cè)試時(shí)包裝箱內(nèi)的環(huán)境是相同的，且航天器泄漏氦氣的漏率一般是恒定的，所以，(u2?u1)和 (u3?u2)的比值在正壓與常壓環(huán)境下保持不變，不受2000 Pa高純氮?dú)獾挠绊?。?duì)于標(biāo)定過(guò)程中的取樣和放樣量w，通常標(biāo)定采用標(biāo)準(zhǔn)容器（容積V），將其內(nèi)部抽空后，充入一定壓力P的氦氣，之后通過(guò)循環(huán)泵放入包裝箱內(nèi)。但由于取樣環(huán)節(jié)是在包裝箱外進(jìn)行，取樣的壓力是相對(duì)于外界大氣壓的壓力，而包裝箱內(nèi)相對(duì)已經(jīng)存在2000 Pa的壓差，所以取樣量PV放入包裝箱內(nèi)時(shí)，受壓差影響不會(huì)完全進(jìn)入箱內(nèi)，實(shí)際上的放樣量應(yīng)為(P?2000)V，會(huì)對(duì)標(biāo)定造成一定的誤差。因此，實(shí)際操作中可以將標(biāo)準(zhǔn)容器的容積做得足夠小（mL量級(jí)），使取樣時(shí)的氦氣壓力P處在MPa量級(jí)，則可以將上述誤差控制在1%內(nèi)，從而消除其對(duì)測(cè)量的影響。

2.3 理論分析小結(jié)

綜合上述理論分析可知：包裝箱正壓環(huán)境下氦質(zhì)譜非真空累積檢漏技術(shù)理論可行，在對(duì)包裝箱密封性和取/放樣環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制的前提下可滿足誤差不大于5%的理論可行邊界條件。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及驗(yàn)證

將校準(zhǔn)漏率為8.8×10-6Pa·m3/s的正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔作為模擬被檢航天器，利用最小可檢漏率為1.0×10-10Pa·m3/s的檢漏儀作為測(cè)試儀，用一個(gè)90 m3的剛性收集容器作為模擬包裝箱（在試驗(yàn)前，先通過(guò)對(duì)收集容器內(nèi)充入2000 Pa高純氮?dú)獾姆绞綔y(cè)量收集容器本體的漏率為266 Pa/24 h，滿足正壓環(huán)境下總漏率檢測(cè)條件），分別在常壓和正壓環(huán)境下進(jìn)行總漏率檢測(cè)并對(duì)比測(cè)得的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證包裝箱正壓環(huán)境下氦質(zhì)譜非真空累積檢漏技術(shù)的可行性。

化學(xué)需氧量（COD）：450mg/l；生化需氧量（BOD5）：200mg/l；懸浮物（SS）：300mg/l；氨氮（以 N 計(jì)）：35mg/l；總氮（以 N 計(jì)）：50mg/l；總磷（以 P 計(jì)）：5mg/l。（2）一期設(shè)計(jì)出水指標(biāo)

正壓和常壓環(huán)境下的總漏率測(cè)量結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，正壓和常壓環(huán)境下測(cè)得的被測(cè)漏孔漏率均圍繞真值上下波動(dòng)（見(jiàn)圖2），其中，正壓環(huán)境數(shù)據(jù)組中的最大絕對(duì)誤差為1.1×10-6Pa·m3/s；常壓環(huán)境數(shù)據(jù)組中的最大絕對(duì)誤差為 1.0×10-6Pa·m3/s，2組數(shù)據(jù)的數(shù)值和量級(jí)均相當(dāng)，最大絕對(duì)誤差基本相同。

表1 總漏率檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 The leakage rate testing by different methods

圖2 不同工況漏率對(duì)比Fig. 2 Leakage rate testing curves for different pressure environment

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)與誤差分析理論對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括2組數(shù)據(jù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、標(biāo)準(zhǔn)不確定度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、相對(duì)真值標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值的相對(duì)誤差等。具體計(jì)算公式如下：

均值為

標(biāo)準(zhǔn)偏差為

其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

相對(duì)真值標(biāo)準(zhǔn)偏差為

均值相對(duì)誤差為

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果見(jiàn)表2。2組數(shù)據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度均在1%左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5×10-7Pa·m3/s左右，2種方法的最大單一測(cè)量值的相對(duì)誤差也均在±20%以內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，可以得出結(jié)論：2組數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度相當(dāng)，2種工況下的總漏率測(cè)試數(shù)值誤差均極小。

表2 漏率對(duì)比數(shù)組統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics of leakage test results

4 結(jié)論

本文針對(duì)常壓環(huán)境下航天器總漏率檢測(cè)方法中航天器包裝箱無(wú)法承受負(fù)壓的特種工況，提出一種基于正壓環(huán)境的氦質(zhì)譜累積檢漏技術(shù)，并進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)綜合考慮計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：包裝箱正壓環(huán)境下利用氦質(zhì)譜非真空累積檢漏技術(shù)進(jìn)行的航天器總漏率檢測(cè)，相對(duì)真值標(biāo)準(zhǔn)偏差在5×10-7Pa·m3/s左右，測(cè)量漏孔漏率相對(duì)校準(zhǔn)漏孔實(shí)際漏率值的測(cè)量最大誤差在±20%以內(nèi)，與目前用于航天器總漏率檢測(cè)的常壓環(huán)境下氦質(zhì)譜非真空累積法誤差相當(dāng)。

綜上，包裝箱正壓環(huán)境下航天器總漏率檢測(cè)技術(shù)可行，可以滿足航天器總漏率檢測(cè)的需求，能夠?yàn)楹教炱靼b箱的減重設(shè)計(jì)提供參考。