基于萊寶檢漏儀的航天器總漏率測試技術研究

真空檢漏 劉興悅、竇仁超 北京衛星環境工程研究所

  目前航天器總裝期間的泄漏檢測內容主要有單點檢漏(螺接頭和焊縫)、系統總漏率和部分閥門組件的真空檢漏,單點和真空檢漏過程中主要使用萊寶的L300/L200系列、普發ASM系列以及少量的愛德華、英?诞a品,而航天器系統總漏率測試過程中主要使用北京中科科儀生產的ZQJ-291系列和ZQJ-30系列檢漏儀。

  因此航天器單點檢漏設備和系統檢漏設備屬于各自獨立的狀態,對于眾多的型號檢漏任務,需要配置更多的檢漏設備,增加工作成本。特別在發射場檢漏時需要將多臺檢漏儀運輸至基地,使得檢漏儀的使用效率降低。為了控制并降低檢漏儀的質量風險,節約成本,增強檢漏儀技術掌握,對現有進口檢漏儀進行研究,研究并改進現有檢漏方式,研制一種基于萊寶檢漏儀的總漏率測試方法和測試系統。

1、航天器總漏率檢漏原理

  航天器系統總漏率的測試原理是非真空氦質譜累積法,測試方法為先用氦質譜檢漏儀測試收集室(或包裝箱)內的氦氣濃度U1(初值),累積一定時間t后再次測試收集室(或包裝箱)內氦氣濃度U2(終值),通過放樣系統向收集室(或包裝箱)內充入一定量的氦氣W,再次測試收集室(或包裝箱)內濃度U3。則衛星的總漏率Q的計算公式如(1)所示。

航天器總漏率測試系統

  在此原理基礎上建立的總漏率測試系統如圖1所示?偮┞蕼y試系統主要由檢漏儀、測試計算機、基準氣罐(或標準氣罐)、收集室(或包裝箱)等組成。該測試系統可以測試10-5Pa·m3/s~10-2Pa·m3/s范圍內的航天器總漏率,能夠滿足現有航天器泄漏檢測任務需求。

航天器總漏率測試系統

圖1 航天器總漏率測試系統

2、總漏率測試系統

  現有航天器總漏率檢測檢漏儀是北京衛星環境工程研究所在北京中科科儀氦質譜檢漏儀的基礎上進行改進的,適用于航天器總漏率測試任務。進口檢漏儀如萊寶、普發、愛發科等國外檢漏儀具有信號穩定、性能可靠等優點,但是其在非真空檢漏領域主要應用于各類單點檢漏,如吸槍嗅探法、噴吹法、背壓法等,不能直接用于航天器的總漏率測試工作。為了提升進口檢漏儀使用效率,擴大檢漏儀功能,我們對進口檢漏儀總漏率測試方法進行了研究,通過研制進口檢漏儀的總漏率測試系統,使得進口檢漏儀既可以進行單點漏率測試,又可以進行航天器總漏率測試工作。

  本文選取數量較多的萊寶檢漏儀作為總漏率測試系統研究對象,因此總漏率測試系統主要是由萊寶L300/L200系列檢漏儀、標準氣罐柜、收集室、網線或串口線以及部分真空管道組成,系統結構如圖1所示。標準氣罐柜中集成了工控計算機、真空罐、循環泵、電磁閥、限流孔、過濾器以及真空管道組成。通過工控計算機內運行自研的檢漏軟件,控制標準氣罐內的電器元件,完成航天器總漏率測試過程中的初值、終值和樣值的測試以及最終總漏率的計算、存儲、歷史數據查詢等工作。

系統結構原理圖

圖2 系統結構原理圖

3、總漏率測試核心設備

  總漏率測試系統中核心硬件設備是標準氣罐柜,該設備完成了總漏率測試的絕大多數工作,如標準氣體的取樣、待測氣體的取樣(又稱樣氣)、標準氣體和樣氣的切換、將氣體壓力由一個大氣壓降壓至幾Pa、測試參數的設置和修改、測試數據的計算、測試數據的保存和查詢以及與檢漏儀數據通信等。標準氣罐柜的實物如圖3所示。標準器罐整體外形設計美觀,符合一定的人體工程力學,操作方便、容易。標準氣罐的前面裝有工控計算機,用來控制內部電磁閥和循環泵,并實時顯示漏率數據以及數據存儲和歷史數據查詢;控制柜的下方裝有標準氣罐,用于密封一定體積的空氣(可以簡稱為標準氣);控制柜內部裝有特殊研制的氣體切換法、取樣系統和電路系統,用以完成氣體的取樣、切換和控制等功能。

標準氣罐柜的實物圖

圖3 標準氣罐柜的實物圖

4、總漏率測試軟件

  萊寶檢漏儀自帶的檢漏軟件只適用于普通的工業生產過程中的檢漏任務,不適用于航天器系統總漏率測試。因此需要重新研發一套既適用于航天器系統總漏率的檢測軟件。通過近一年的研發,已經成功研制了適用于航天器總漏率測試的檢漏軟件,軟件的主界面如圖4所示。軟件包含5大功能,分別是參數設置功能、數據采集功能、數據顯示功能、電磁閥和循環泵控制功能以及歷史數據查詢功能。參數設置功能主要用于設置每次檢漏任務的任務號、測試階段、操作者、基準值、標底值、放樣量等參數。數據采集功能主要是將檢漏儀的檢測數據、電磁閥和循環泵的狀態數據采集進軟件內并對部分硬件進行控制。數據顯示功能主要是將測試過程中主要的檢漏數據顯示在工控電腦上,用于操作者查看和判斷。歷史數據查詢功能主要用于歷次檢漏結果查詢,進行數據比對,檢查、判斷航天器密封性能狀態。

總漏率測試軟件主界面

圖4 總漏率測試軟件主界面

  航天器總漏率測試的步驟是:測試初值(本底值),測試終值(泄漏累積反應值),測試樣值(標準樣氣反應值),然后再通過計算公式,計算出航天器泄漏漏率。軟件不僅具備以上功能,而且還具有數據存儲和數據歷史查詢、顯示等功能。軟件主界面中包含了當前檢漏儀的漏率值、檢漏口壓力、測試階段、時間、總漏率測試曲線以及測試相關的確認按鈕。自研的總漏率測試軟件界面不僅能夠清晰明確反映出測試過程和儀器設備的狀態,而且便于操作和測試過程的監控。

  測試過程中產生的數據和最后計算結果存儲在SQL的數據庫里,可以在“列表數據”和“圖形數據”中進行查詢。其中“圖形數據”中存儲的是總漏率測試過程中所有的完整數據,而“列表數據”僅保存經過計算后的總漏率關鍵數據,如初值差值、終值差值、樣值差值和最終計算結果。圖形數據查詢界面中可以直觀地看到每次總漏率測試過程中的過程圖,可以自由選擇初值、終值和樣值,共計有27種組合,并可以計算出選擇組合的總漏率值,計算結果可以進行保存。同時也可以將整個測試過程的數據從SQL數據庫中導出,生成excel文件(.scv)。在列表數據界面中可以直接查看每次總漏率測試過程中的具體參數信息,在本界面中不能進行總漏率計算,只能進行總漏率計算結果的保存和查看。數據的導出功能和圖形數據界面中一樣。

5、測試結果

5.1、對比試驗系統搭建

  為了驗證基于萊寶檢漏儀的總漏率測試系統的性能,隨機選取航天器單點檢漏常用的萊寶L300檢漏儀一臺。將標氣罐柜、L300檢漏儀和收集室(收集室尺寸為4223×4205×5200mm,體積約為88.32m3)進行連接。為了對比測試效果,將一臺ZQJ-291H檢漏儀分別與收集室和標氣罐柜進行連接。即L300檢漏儀和ZQJ-291H檢漏儀的標氣均取自標氣罐柜中的氣罐,共用同一標氣。試驗系統連接的實物圖,如圖5所示。

基于萊寶檢漏儀的航天器總漏率測試技術研究

圖5 對比試驗系統的實物圖

5.2、對比測試結果

  為了驗證L300和ZQJ-291H檢漏儀測試結果,進行總漏率測試試驗。測試方法采用直接向收集室放樣(放入一定量的高純氦氣)等效航天器充入高純氦氣后累積一定時間氦氣泄漏出來的量。測試過程為:收集室大門關閉后測試初值;向收集室放入0.0691MPa×12.5mL的高純氦氣,開啟循環風機,待濃度均勻后測試終值;向收集室放入0.0693MPa×12.5mL的高純氦氣,開啟循環風機,待濃度均勻后測試樣值,測試結果分別如圖6和圖7所示。

ZQJ-291H測試初值、終值和樣值結果圖

圖6 ZQJ-291H測試初值、終值和樣值結果圖

L300測試初值、終值和樣值結果圖

圖7 L300測試初值、終值和樣值結果圖

5.3、數據分析對比

  在比對試驗中將在收集室內放置一臺正壓標準漏孔(CL004 編號:90001188073,校準值6.1×10-6Pa·m3/s),使用正壓漏孔在收集室內長時間累積試驗共做了2次,試驗數據分別見表1和表2所示。兩次測量不同檢漏儀的重復誤差分別為:L300檢漏儀1.72%,291H檢漏儀20.76%。

  從表1和表2中可以看出,基于L300檢漏儀的總漏率測試系統測試的準確性、離散性、精度均高于ZQJ-291H檢漏儀。通過相關的公式計算得到L300檢漏儀的總漏率測試靈敏度優于1×10-6Pa·m3/s。

表1 測試結果1#對照表

基于萊寶檢漏儀的航天器總漏率測試技術研究

表2 測試結果2#對照表

基于萊寶檢漏儀的航天器總漏率測試技術研究

6、結語

  本文對萊寶L300系列檢漏儀的非真空氦質譜總漏率泄漏檢測方法和技術進行研究,研制了一種航天器總漏率測試方法和測試系統,并進行多次試驗驗證。試驗結果表明:

  基于萊寶檢漏儀的總漏率測試方法和測試系統具有測量精度高(最小可檢總漏率優于1×10-6Pa·m3/s)、性能穩定,降低了航天器系統總漏率最小可檢值,具有一定的工程應用價值。

  同時基于萊寶檢漏儀的總漏率測試系統適用于非真空狀態下各類氦氣累積法產品總漏率測試的工業應用,如航天器總漏率檢測、電池泄漏檢測、電子元器件泄漏檢測以及各類高精尖產品的泄漏檢測工作。