檢漏容器的密封性能對航天器總漏率測試的影響研究

　　采用非真空氦質(zhì)譜累積法進行航天器密封系統(tǒng)的總漏率測試時，需要檢漏容器對密封系統(tǒng)泄漏出的氦氣進行收集。本文通過理論分析，并用正壓氦漏孔模擬航天器密封系統(tǒng)的泄漏進行試驗驗證，得出了檢漏容器的密封性能對航天器密封系統(tǒng)總漏率測試的影響，為檢漏容器的泄漏給出了建議指標。

　　采用非真空氦質(zhì)譜累積法進行航天器密封系統(tǒng)總漏率測試時，需要檢漏容器在大氣環(huán)境下對泄漏出的氦氣進行收集，以便通過一定時間內(nèi)氦氣在檢漏容器內(nèi)的濃度變化得到系統(tǒng)總漏率，因此檢漏容器的密封性能是總漏率測試的重要影響因素之一。

　　最理想的情況是檢漏容器完全不漏，密封系統(tǒng)泄漏出的氦氣被全部收集和檢測，可最大限度地保證測試的準確度。但完全不漏的密封容器是不存在的，同時過高的漏率指標會大大增加檢漏容器的制造和維護成本。目前國內(nèi)航天器進行非真空氦質(zhì)譜累積法檢漏時，一般要求密封容器泄漏指標為密封容器內(nèi)充氣2 kPa，24 h 后壓降值不大于200 Pa。

　　本研究利用正壓漏孔和小型密封容器模擬航天器密封系統(tǒng)在檢漏容器中的泄漏，通過理論分析和試驗驗證，得到檢漏容器的密封性能對航天器總漏率測試的影響，提出檢漏容器的漏率指標和建議。

1、理論分析

　　1.1、壓力關(guān)系分析

　　在航天器密封系統(tǒng)進行總漏率測試的初始時刻，檢漏容器內(nèi)壓力P1 等于當?shù)卮髿猸h(huán)境壓力P0。在測試周期內(nèi)，因環(huán)境溫度變化、檢漏容器泄漏等的影響，P1 與P0 的關(guān)系可以分為以下幾種：

　　a)P1 一直不高于P0，即P1≤P0；

　　b)P1 一直不低于P0，即P1≥P0；

　　c)P1 與P0 關(guān)系不確定，即P1≤P0 與P1≥P0 交替出現(xiàn)。

　　以下針對上述3 種關(guān)系，對檢漏容器泄漏造成的總漏率測試影響進行分析。

　　1.2、泄漏影響分析

　　1.2.1、P1 不高于P0 的情況下

　　大氣中的氦濃度約為5 ppm，記為γ0，航天器泄漏引起的檢漏容器內(nèi)氦濃度的增量記為γ1，一般不超過0.5 ppm，由此引起的檢漏容器內(nèi)壓力的增量與P0 相比可忽略不計。

　　假設(shè)航天器密封系統(tǒng)總漏率測試過程中，檢漏容器內(nèi)壓力一直不高于當?shù)卮髿鈮�，即P1≤P0，則檢漏容器外的環(huán)境大氣可通過檢漏容器上存在的漏孔進入檢漏容器內(nèi)部，使檢漏容器內(nèi)部壓力增高。假設(shè)氣體由檢漏容器外至容器內(nèi)的擴散為等比擴散，則檢漏容器內(nèi)部壓力增加ΔP 后的氦濃度γΔP 的估算見公式(1)。

　　若航天器密封系統(tǒng)總漏率測試周期24 h 內(nèi)，允許檢漏容器因泄漏造成的總漏率測試相對誤差不大于5%，則可得γΔP 與γ0、γ1 的關(guān)系見公式(2)。

　　將公式(1)代入公式(2)，經(jīng)計算可得允許的壓力增加值ΔP≤5 332 Pa，由此可知：在航天器密封系統(tǒng)總漏率測試過程中，滿足P0-P1≤5 332 Pa的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。

　　1.2.2、P1 不低于P0 的情況下

　　假設(shè)航天器密封系統(tǒng)總漏率測試過程中，檢漏容器內(nèi)壓力一直不低于當?shù)卮髿鈮�，即P1≥P0，則檢漏容器內(nèi)的氣體可通過檢漏容器上存在的漏孔擴散至環(huán)境大氣中，使檢漏容器內(nèi)的壓力下降。因航天器泄漏引起的檢漏容器內(nèi)壓力的增量與P0相比可忽略不計、容器內(nèi)氦濃度的變化量遠小于環(huán)境大氣的氦濃度γ0，假設(shè)氣體由檢漏容器內(nèi)至容器外的擴散為等比擴散，則檢漏容器因泄漏導(dǎo)致內(nèi)部壓力降低ΔP 后的氦濃度γΔP 的估算見公式(3)。

　　若航天器密封系統(tǒng)總漏率測試周期24 h 內(nèi)，允許檢漏容器因泄漏造成的總漏率測試相對誤差不大于5%，則將公式(3)代入公式(2)，經(jīng)計算可得允許的壓降值ΔP≤4 825 Pa，由此可知：在航天器密封系統(tǒng)總漏率測試過程中，滿足P0-P1≤4 825 Pa的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。

　　1.2.3、P1 與P0 不定關(guān)系的情況下

　　假設(shè)航天器型號產(chǎn)品總漏率測試過程中，檢漏容器內(nèi)壓力有時高于環(huán)境大氣壓力，有時低于環(huán)境大氣壓力，即P1≤P0 或P1≥P0 的情況交替出現(xiàn)，因此由檢漏容器泄漏造成的氦濃度變化應(yīng)不大于P1≤P0 和P1≥P0 情況下的最小值。由此可知：在航天器密封系統(tǒng)總漏率測試過程中，滿足P0-P1≤4 825 Pa或P1-P0≤4 825 Pa 的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。

2、試驗系統(tǒng)及方案

　　2.1、試驗系統(tǒng)

　　為研究檢漏容器的泄漏對航天器密封系統(tǒng)總漏率測試的影響，特設(shè)計一套試驗系統(tǒng)，主要由小型密封容器、標準漏孔、壓力計、氦質(zhì)譜檢漏儀和測試計算機等組成。小型密封容器可收集有源漏孔泄漏出的氦氣，用于模擬航天器檢漏容器；有源漏孔自帶氣室，可向小型密封容器內(nèi)持續(xù)漏出氦氣，用于模擬航天器密封系統(tǒng)在檢漏容器內(nèi)的泄漏；無源漏孔安裝在小型密封容器上使小型密封容器獲得不同的漏率，用于模擬檢漏容器的不同泄漏狀態(tài)。試驗系統(tǒng)原理圖見圖1，主要儀器設(shè)備性能參數(shù)見表1。

圖1 試驗系統(tǒng)原理圖

表1 試驗系統(tǒng)所用儀器設(shè)備

　　2.2、試驗方案

　　2.2.1、試驗環(huán)境

　　將試驗系統(tǒng)置于航天器總裝大廳內(nèi)，以獲得與航天器密封系統(tǒng)總漏率測試時相同的測試環(huán)境，避免因測試環(huán)境的差異帶來的影響。

　　2.2.2 試驗原理

　　按圖1 搭建試驗系統(tǒng)，在大氣環(huán)境下密封小型密封容器后，對容器內(nèi)的氦濃度進行測試并開始計時，在1 個測試周期(24 h)內(nèi)，對容器內(nèi)的氦氣濃度至少進行5 次測試，測得的數(shù)據(jù)通過最小二乘法可得到容器內(nèi)的氦濃度隨時間的變化曲線，其表達見公式(4)。

　　將k 稱為漏率斜率，則容器內(nèi)氦氣濃度增量Δγ 隨時間的變化關(guān)系，見公式(5)。

　　將小型密封容器的容積記為V，當容器內(nèi)的氦分壓增量ΔPHe<<P1 時，有源漏孔漏率Q 的計算見公式(6)。

　　由公式(6)可知，當小型密封容器無泄漏時，有源漏孔的真實漏率Q0=k0P1V；當小型密封容器有泄漏時，假設(shè)因泄漏造成的容器內(nèi)壓力變化與P1相比可忽略不計，則有源漏孔的測試漏率Qi=kiP1V；因此小型密封容器泄漏造成的有源漏孔漏率的測試相對誤差ηi 的計算見公式(7)。

　　因此，通過試驗得到有源漏孔在小型密封容器不同泄漏情況下的漏率斜率，經(jīng)過比較和計算即可得到容器的密封性能對有源漏孔漏率測試的影響。

　　2.2.3、試驗步驟

　　首先在總裝大廳內(nèi)，與航天器密封系統(tǒng)總漏率測試相同的環(huán)境下進行試驗，步驟如下：

　　a)小型密封容器不接無源漏孔，即無泄漏情況下，有源漏孔的標稱漏率斜率k0 的測試；

　　b)小型密封容器依次接入不同漏率的無源漏孔，使小型密封容器獲得不同的泄漏量Qi，在此情況下進行有源漏孔漏率斜率k0i 的測試。

　　其次，預(yù)先向小型密封容器內(nèi)充入2 kPa 的氮氣，使小型密封容器內(nèi)壓力高于環(huán)境大氣壓力，在此極限情況下，進行小型密封容器不同泄漏量Qi時有源漏孔漏率斜率k1i 的測試。

3、試驗

　　3.1、密封容器無泄漏時k0 測試

　　試驗系統(tǒng)不接無源漏孔，即小型密封容器近似無泄漏，通過試驗獲得的有源漏孔的氦濃度-時間曲線及標稱漏率斜率k0 見圖2。圖中氦濃度是試驗系統(tǒng)中氦質(zhì)譜檢漏儀測得的漏率值，是氦濃度大小的間接反映，與實際氦濃度存在固定的倍數(shù)關(guān)系。

　　由圖2 可得，當小型密封容器無泄漏時，有源漏孔的標稱漏率斜率k0=2.436×10^-14。此斜率為基準斜率，當小型密封容器接入不同的無源漏孔后，因泄漏的影響，必然會使測得的斜率值偏離基準斜率。

圖2 k0 氦濃度- 時間曲線

　　3.2、密封容器有泄漏時k0i 測試

　　3.2.1、密封容器接無源漏孔

　　先后將無源漏孔1、無源漏孔2 接入小型密封容器，通過試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時間曲線及漏率斜率k01、k02，分別見圖3 和圖4。

圖3 k01 氦濃度- 時間曲線

圖4 k02 氦濃度- 時間曲線

　　由表1 可知，小型密封容器接入無源漏孔1，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為370 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的1.8 倍；小型密封容器接入無源漏孔2，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為600 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的3倍。由上圖可得，有源漏孔的漏率斜率k01=2.418×10^-14，k02=2.404×10^-14， 根據(jù)公式7 可得到η01=0.7%，η02=1.3%，即此2 種泄漏情況下，有源漏孔的漏率斜率與標稱漏率斜率k0 的相對誤差均不大于5%，說明檢漏容器的泄漏量為目前允許漏率的3 倍時，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。

　　3.2.2、密封容器接準4×40 通孔

　　為驗證檢漏容器在大泄漏量下對總漏率測試影響不大于5%的結(jié)論，在小型密封容器上接入準4×40 的通孔，通過試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時間曲線及漏率斜率k03 見圖5。

圖5 k03 氦濃度- 時間曲線

　　小型密封容器接入準4×40 的通孔后，無法在容器內(nèi)部建立高于環(huán)境大氣的壓力，即容器的泄漏遠大于充氣2 kPa、保壓24 h 壓降為2 kPa的情況。由圖5 可知，有源漏孔的漏率斜率k03=2.328×10^-14，根據(jù)公式7 可得到η03=4.4%，即此狀況下有源漏孔的漏率斜率與標稱漏率斜率k0 的相對誤差不大于5%，由此說明檢漏容器的泄漏量至少為目前允許漏率的10 倍時，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。

　　3.3、極限情況下測試

　　分別將無源漏孔3、無源漏孔2 接入小型密封容器，向容器內(nèi)預(yù)充入2 kPa 的氮氣后，通過試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時間曲線及漏率斜率k11、k12，分別見圖6 和圖7。

圖6 k11 氦濃度- 時間曲線

圖7 k12 氦濃度- 時間曲線

　　由表1 可知，小型密封容器接入無源漏孔3，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為230 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的1.1 倍；小型密封容器接入無源漏孔2，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為600 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的3倍。由上圖可得，有源漏孔的漏率斜率k11=2.391×10^-14，k02=2.369×10^-14， 根據(jù)公式7 可得到η11=1.8%，η12=2.7%，即此2 種極限情況下，有源漏孔的漏率斜率與標稱漏率斜率k0 的相對誤差均不大于5%，說明在測試的起始時刻檢漏容器內(nèi)部壓力高于環(huán)境大氣壓2 kPa 且檢漏容器的泄漏量為目前允許漏率的3 倍時，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。此狀態(tài)為假設(shè)的極限狀況，在航天器總漏率測試中不可能存在，其測試的相對誤差大于相同試驗系統(tǒng)下正常條件下測試的相對誤差。

4、結(jié)論

　　通過分析非真空氦質(zhì)譜累積法進行航天器密封系統(tǒng)總漏率測試時，檢漏容器內(nèi)氣體壓力、氦氣濃度變化與總漏率測試結(jié)果之間的關(guān)系，并通過試驗驗證，得出以下結(jié)論：在大氣環(huán)境下進行航天器密封系統(tǒng)總漏率測試時，若檢漏容器漏率滿足充壓2 kPa、壓降不大于2 kPa/24 h 的要求，則密封容器的泄漏對總漏率測試結(jié)果的影響不大于5%。對比目前對檢漏容器的密封要求，提出以下建議：

　　a)對只具有檢漏功能的檢漏容器，放寬漏率要求至充壓2 kPa、壓降不大于2 kPa/24 h；

　　b)對同時具有運輸包裝箱功能的檢漏容器維持現(xiàn)有要求，即充壓2 kPa、壓降不大于200 Pa/24 h。