方向規(guī)用于空間站檢漏的探討
泄漏監(jiān)測是在軌空間站長期可靠運行必須解決的難題，本文開展了方向規(guī)用于空間站檢漏的應用基礎研究。在地面真空實驗系統(tǒng)上，用小孔向真空室引入氣體模擬空間站泄漏，通過磁力傳動系統(tǒng)改變方向規(guī)入口法線與小孔中心線夾角模擬與空間站泄漏點的方位，通過調(diào)整方向規(guī)在刻度尺上的位置模擬與空間站泄漏點的距離。在通過漏孔漏率分布服從余弦定律的條件下，研究結果表明用方向規(guī)對可疑泄漏點進行掃描，在一定范圍內(nèi)可確定漏孔位置并估計漏率大小，最后討論了將方向規(guī)用于空間站檢漏需要進一步研究解決的相關問題。
在軌空間站要長期可靠運行，泄漏監(jiān)測是必須解決的重要難題。方向規(guī)是定向分子流的主要測量工具，用于空間真空度的測量。由于空間站運行高度一般為200~500km，軌道環(huán)境真空度約為10-7~10-4 Pa，從空間站艙內(nèi)泄漏出的氣體分子相對于周圍高真空環(huán)境會形成定向分子流，如能利用方向規(guī)對空間站可疑漏點探測，有望根據(jù)它對定向分子流的測量值判斷泄漏是否發(fā)生、確定泄漏點的位置和估算漏率大小。參考文獻提出了采用方向規(guī)監(jiān)測空間站泄漏的設想，在空間站艙體連接處設計一環(huán)形軌道，通過電路伺服系統(tǒng)驅(qū)動方向規(guī)沿軌道移動，根據(jù)掃描信號的變化判斷泄漏點，因此需要開展相應的實驗研究。由于空間站艙體泄漏點幾何形狀和結構難以預料，泄漏后的氣體分子流分布常很復雜，為此本文以空間站艙體通過小孔泄漏為研究對象，假定氣體分子泄漏后服從余弦定律，通過地面真空系統(tǒng)研究了方向規(guī)指示值與漏孔方位、距離的關系，研究結果為方向規(guī)用于空間站檢漏的基礎研究提供了參考數(shù)據(jù)。
1、實驗系統(tǒng)的設計
如果空間站艙體某點通過小孔泄漏后，氣體分子分布服從余弦定律
2.2、方向規(guī)與泄漏點距離對檢漏結果的影響
在圖2的實驗系統(tǒng)上，可在夾角a處于0b~180b任意角度下開展研究，本文在a=0b、l在5~45cm條件下進行實驗。對真空室(16)抽氣并在真空度進入10-7 Pa量級后，通過小孔(12)向真空室中引入N2氣作為示漏氣體，采用真空規(guī)(13)測得真空室中穩(wěn)定后的壓力為1.3×10-4 Pa，通過CDG測得小孔入口壓力為2.3Pa，計算得到相應的漏孔漏率Q為2.2×10-4 Pa.m3/s。實驗結果如圖6所示，圖6中橫坐標為方向規(guī)與泄漏點的距離，縱坐標是方向規(guī)指示值。
圖6 方向規(guī)指示值與泄漏點距離的關系
從實驗結果可以看出，計算所得方向規(guī)指示值與實驗結果相當一致，當方向規(guī)與泄漏小孔距離小于30cm時，其指示值大于真空室平衡后的壓力，且隨著與泄漏點距離的增大呈指數(shù)遞減，計算所得指示值略大于實測值；當方向規(guī)與泄漏小孔距離大于30cm時計算得到的方向規(guī)指示值略小于實測值，且實測值不隨距離的增大而變化，其值接近真空室中氣體壓力pV值，此時方向規(guī)分辨不出從小孔泄漏后直接進入檢測器中的氣體分子。由此可以得出，在上述條件下方向規(guī)對漏孔的可檢測距離為30cm，若增大對真空室的有效抽速，在相同條件下可提高真空室中的真空度，從而在現(xiàn)有基礎上能拓展方向規(guī)的檢漏距離。
綜合2.1和2.2節(jié)可知，在方向規(guī)所處真空室壓力不變的條件下、方向規(guī)與泄漏點在一定的夾角和距離范圍內(nèi)，依據(jù)其指示值的變化能判斷出可疑泄漏點，若已知方向規(guī)和漏孔方位及距離的條件下，可通過式(8)估算出泄漏漏率大小。
2.3、討論
以上研究是在氣體分子泄漏后服從余弦定理的條件下、實驗過程中漏孔漏率和真空泵抽速都保持不變、方向規(guī)所處真空室中壓力也保持不變的情況下，通過方向規(guī)指示值的變化判斷泄漏是否發(fā)生。若方向規(guī)實際用于在軌空間站泄漏監(jiān)測中，還需要解決一些復雜的技術難題。首先，在軌空間站泄漏點幾何結構難以預料，泄漏后的氣體分子流場分布比較復雜，要根據(jù)方向規(guī)指示值估算泄漏漏率大小，需進一步研究氣體泄漏后的分子流場分布；其次，在軌空間站上的方向規(guī)相對周圍環(huán)境氣體分子具有很高的相對運動速度，空間站周圍環(huán)境氣體在方向規(guī)內(nèi)形成的平衡壓力取決于方向規(guī)入口法線與空間站飛行方向的夾角、空間站飛行速率及高度等，以上參數(shù)的變化將引起方向規(guī)指示值的變化，因此需結合在軌空間站飛行姿態(tài)開展研究；此外，在軌空間站發(fā)生泄漏后形成的定向分子流，其方向與空間站運行速度方向及泄漏位置相關，方向規(guī)檢漏結果與泄漏點的方位和距離相關，因此需合理設計出方向規(guī)在空間站上的運行軌道及安裝位置，保證在檢漏過程中方向規(guī)入口盡可能的對準艙體泄漏后形成的定向分子流，以提高檢漏結果的正確性。總之，要將方向規(guī)用于空間站泄漏監(jiān)測中，需要進一步開展相關研究工作。
3、結論
本文探討了方向規(guī)用于空間站檢漏的基礎，通過薄壁小孔模擬空間站泄漏漏孔，在氣體分子泄漏后服從余弦定律的前提下，研究了方向規(guī)檢漏結果與泄漏點方位、距離的關系。地面實驗結果表明，在一定條件下計算得到方向規(guī)指示值與實驗值相當一致，采用方向規(guī)對可疑泄漏點在一定角度和距離范圍內(nèi)掃描，可通過方向規(guī)指示值的變化判斷泄漏是否發(fā)生并估計漏孔漏率大小，檢漏結主要取決于方向規(guī)與泄漏點的方位、距離以及方向規(guī)所處真空室的壓力。若方向規(guī)用于空間站泄漏監(jiān)測中，由于泄漏后氣體分子分布復雜，并且檢漏結果與方向規(guī)和泄漏點方位、距離、空間站運行速度等相關，因此需要進一步突破多項技術瓶頸，設計出方向規(guī)用于空間站泄漏監(jiān)測的整體方案，有望使其成為一種新的空間站泄漏監(jiān)測工具。
