柔性收集室檢漏技術(shù)可靠性分析與驗(yàn)證

竇 威，王 勇，任國(guó)華，黃錫寧

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

柔性收集室檢漏技術(shù)是一種航天器總漏率檢測(cè)技術(shù)，其工作原理是利用柔性材料制成的罩子作為示漏氣體的收集容器，以氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行航天器總漏率檢測(cè)。該檢漏技術(shù)的檢測(cè)方法和檢測(cè)系統(tǒng)中有許多需要重點(diǎn)注意的環(huán)節(jié)和要素，針對(duì)其可靠性進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證是十分必要的。

1 航天器總漏率檢測(cè)方法

目前，航天器總漏率的檢測(cè)方法主要采用氦質(zhì)譜非真空累積檢漏法，檢測(cè)系統(tǒng)主要包括收集室、檢漏儀、基準(zhǔn)氣體、示漏氣體充放系統(tǒng)、示漏氣體取樣系統(tǒng)和漏率標(biāo)定系統(tǒng)等，檢測(cè)系統(tǒng)以高純氦氣作為示漏氣體，此外需要配備循環(huán)風(fēng)機(jī)、檢測(cè)切換裝置等相應(yīng)工裝設(shè)備，如圖1所示。

圖1 氦質(zhì)譜非真空累積檢漏系統(tǒng)示意圖Fig.1 Non-vacuum accumulation leak detection system with helium mass spectroscopy

非真空累積檢漏法的主要原理為[1]：

1）以氦氣作為示漏氣體，對(duì)被檢件充入一定壓力（與被檢件工作壓力相同）的氦氣，放入密閉的收集容器中，當(dāng)收集容器內(nèi)氣體混合均勻后，以基準(zhǔn)氣體的氦濃度作為基準(zhǔn)值測(cè)量收集容器內(nèi)的氦濃度本底值，記為測(cè)量初值u1，記錄測(cè)量時(shí)間t1。

2）保持收集容器密封，如果被檢件有泄漏，則收集容器內(nèi)的氦氣濃度會(huì)升高，為了能夠測(cè)量到氦濃度變化量，需要累積一定時(shí)間t（一般為24 h）。

3）通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的氣體混合均勻，用基準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)檢漏測(cè)試儀器，在確保檢漏儀狀態(tài)與測(cè)量初值的狀態(tài)相同的情況下，用檢漏儀測(cè)量收集容器內(nèi)的氦濃度，記為總漏率的終值u2，記錄測(cè)量時(shí)間t2。

4）終值測(cè)量結(jié)束后，利用漏率標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。將一定量的氦氣w放入收集容器中，通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的氣體混合均勻，再用基準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器，檢測(cè)方法同初值和終值，測(cè)量收集容器內(nèi)的氦濃度作為樣值u3，記錄測(cè)試時(shí)間t3[2]。

5）計(jì)算被檢件的總漏率為

目前航天器總漏率測(cè)試主要由剛性收集室完成。收集室通常由型鋼和鋼板焊接而成，作為航天器總漏率檢測(cè)的核心設(shè)備，其作用是提供一個(gè)密閉的空間用以收集航天器泄漏的示蹤氣體[2]。收集室的體積不可變化，故稱為剛性收集室。其缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴、研制周期長(zhǎng)。

2 柔性收集室檢漏技術(shù)

2.1 國(guó)內(nèi)外柔性收集室技術(shù)現(xiàn)狀

柔性收集室是指以柔性薄膜為材料，以熱封為密封手段，加工而成的密閉空間。對(duì)于尺寸大于現(xiàn)有剛性收集室尺寸的航天器的總漏率檢漏，宜采用柔性收集室檢漏技術(shù)。

早在 1966年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的J．L．Manganaro 和D．L．Hollinger 就對(duì)柔性收集室進(jìn)行了試驗(yàn)性研究[3-4]。美國(guó)NASA 已研制出一種柔性收集室檢漏系統(tǒng)，并于2002年成功完成了Terra 號(hào)衛(wèi)星發(fā)射前的檢漏工作。

在我國(guó)，北京衛(wèi)星制造廠目前對(duì)柔性收集室進(jìn)行了一些試驗(yàn)性的研究，并開(kāi)發(fā)出了“支架型”和“懸掛型”2 種類型的柔性收集室。

2.2 現(xiàn)有航天器柔性收集室檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)研情況和理論分析，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所設(shè)計(jì)并建立了一套柔性收集室總漏率檢測(cè)系統(tǒng)（圖1），其原理同現(xiàn)有航天器總漏率檢測(cè)方法，實(shí)物見(jiàn)圖2。該柔性收集室尺寸為5 m（長(zhǎng)）×5 m（寬）×6 m（高），體積為150 m3，薄膜厚度為1.5×10-4m，薄膜總面積為170 m2。

圖2 柔性收集室檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 The flexible accumulation chamber leak detection system

這套柔性收集室總漏率檢測(cè)系統(tǒng)采用單面“鍍鋁聚酯膜”作為收集室主體材料；收集室整體結(jié)構(gòu)采用熱塑風(fēng)機(jī)進(jìn)行加熱變形密封，柔性收集室與測(cè)試系統(tǒng)各接口采用真空封泥密封；內(nèi)部加裝了循環(huán)風(fēng)機(jī)用于加速氦氣在收集室內(nèi)部的擴(kuò)散和均勻分布，還配備了內(nèi)部防碰撞護(hù)欄和防靜電接地連線，如圖3所示。

圖3 柔性收集室內(nèi)部安全防護(hù)Fig.3 The safety setting for the flexible accumulation chamber

3 柔性收集室檢測(cè)的可靠性分析

柔性收集室檢測(cè)總漏率的原理同上，但為保證檢漏的準(zhǔn)確性和可靠性，檢漏各環(huán)節(jié)對(duì)收集室內(nèi)氦濃度的影響必須足夠低[5]。

3.1 薄膜材料的滲透性[6]

根據(jù)氣體理論，收集室中的氦氣濃度為

式中：W為氣體的氣體量，Pa·m3；P為氣體的壓力，Pa；Vb為收集室的有效容積，m3；下標(biāo)He、atm 分別代表氦氣和空氣；t表示時(shí)間，s。故

由于柔性收集室中的總氣體量恒定（航天器泄漏而導(dǎo)致的收集室中的氣體量增加量相對(duì)總氣體量而言是絕對(duì)小量，可以忽略），故有Watm(t)=W0，式中W0為柔性收集室中的初始?xì)怏w量，Pa·m3。收集室中的氣體總壓力為

由式(3)、式(4)可得：

非真空累積檢漏法的漏率計(jì)算公式為

式中：γ1、γ2、γ3分別為收集室中的初始濃度、累積時(shí)間t后的濃度以及放樣后的濃度，量綱為1。結(jié)合式(4)、式(5)，可將式(6)寫成

式中：p0為放樣的壓力，Pa；V0為放樣的體積，m3；t為累積時(shí)間，s；ΔpHe2為累積時(shí)間段內(nèi)在收集室中形成氦氣分壓增量，Pa[7]；ΔpHe3為放樣后在收集室中形成氦氣分壓增量，Pa。由于柔性材料的滲透對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響是一個(gè)緩慢的過(guò)程，因此，以上參數(shù)中只有ΔpHe2與材料的滲透性密切相關(guān)。由式(7)還可知，漏率的相對(duì)誤差與ΔpHe2的相對(duì)誤差相同。

從理論上來(lái)說(shuō)，任何一種薄膜都是可滲透的，但是對(duì)于不同氣體其滲透性不同。該柔性收集室采用的是單面鍍鋁聚酯薄膜，從材料特性上可知其對(duì)各種氣體的滲透系數(shù)（見(jiàn)表1）[8]。需要分析的是在此滲透系數(shù)的情況下，是否影響ΔpHe2。

表1 各種氣體對(duì)聚酯材料常溫下的滲透系數(shù)Table 1 Material permeation parameters of different gases against polyester ×10-10 cm3(STP)·(cm-2·s-1·cmHg-1·mm-1)

根據(jù)泄漏原理和材料滲透原理，進(jìn)入柔性收集室中的氦流量為

式中Q為航天器的氦氣泄漏率，Pa·m3/s。因柔性材料的滲透而漏出的氦氣流量為

式中：k為材料的滲透系數(shù)，m2/s；pHe為柔性收集室中的氦氣分壓，Pa；pHe0為柔性收集室中的氦氣分壓的初始量，Pa；A為柔性收集室薄膜內(nèi)表面面積，m2；l為柔性收集室薄膜的厚度，m。故

通常，航天器的總漏率在10-4Pa·m3/s 量級(jí)左右，材料對(duì)氦的滲透系數(shù)選為7.88 m2/s。

由式(10)可以解出pHe與時(shí)間的關(guān)系式：

代入收集室薄膜的各項(xiàng)參數(shù)，可以算出，隨著t的增長(zhǎng)，pHe也在不斷升高，而當(dāng)t為24 h 時(shí)，由于滲透所帶來(lái)的氦氣分壓偏差占氦氣分壓力總量的0.002%，所以柔性材料的滲透對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響微乎其微。

3.2 薄膜對(duì)氦氣的吸附

用柔性收集室進(jìn)行總漏率檢測(cè)要求薄膜材料 必須對(duì)氦氣吸附性盡量小或接近于無(wú)。從形成原理上分析，吸附主要分為物理吸附和化學(xué)吸附，當(dāng)作用力是范德瓦爾引力時(shí)為物理吸附，常溫下其特點(diǎn)是吸附較弱、吸附熱較小、較易脫附、對(duì)吸附氣體一般無(wú)選擇性；化學(xué)吸附由表面剩余價(jià)力引起，可視為松弛的化學(xué)反應(yīng)，常溫下其特點(diǎn)是吸附強(qiáng)、吸附熱大、穩(wěn)定不易脫附、對(duì)吸附氣體有選擇性，只能緊貼材料表面形成單層吸附。由于示漏氣體He 是惰性氣體，常溫下不會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附，因此示漏氣體與收集室主體材料之間發(fā)生的主要是物理吸附。

實(shí)際上，材料所能吸附的氦氣量相對(duì)收集室內(nèi)的氦總量來(lái)說(shuō)很小，在氦濃度相對(duì)較低的情況下，其吸附性對(duì)于測(cè)試的影響可以忽略，但還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[9]。

3.3 收集室整體密封性

該柔性收集室的薄膜與薄膜間采用熱塑變形密封，收集室與檢測(cè)系統(tǒng)接口處采用真空封泥密封。因此，需從薄膜材料的熱封密封性、收集室與檢測(cè)系統(tǒng)接口處密封性兩方面分析其整體密封性。

3.3.1 薄膜材料的熱封性

該收集室的單面鍍鋁聚酯薄膜的熱封是將2 個(gè)非鍍鋁表面貼合，用熱塑風(fēng)機(jī)加熱使聚酯材料熔化貼合而形成密封。密封處的泄漏情況必須保證可靠。從原理上說(shuō)，熱封合利用的是多層結(jié)構(gòu)中的熱封內(nèi)層組分受熱軟化、移掉熱源就固化的性質(zhì)，可以保證一定的密封性，但無(wú)法進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)際效果需要利用單點(diǎn)檢漏進(jìn)行測(cè)試，以確保其可靠性。

3.3.2 接口處密封性

所有測(cè)試接口和風(fēng)機(jī)電源線穿薄膜接口，均采用了真空封泥密封。從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)接口處兩側(cè)壓差為1 個(gè)大氣壓時(shí)，真空封泥可保證該處的漏率（對(duì)氦氣）小于1×10-9Pa·m3/s[10]。而實(shí)際應(yīng)用中，由于柔性收集室的體積會(huì)隨著內(nèi)外氣壓不斷變化使收集室內(nèi)外的壓差為0，所以真空封泥密封后的接口處漏率可小于1×10-9Pa·m3/s。

3.4 體積變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

體積變化可能會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響表現(xiàn)在濃度、總氣量以及檢漏儀的入口壓力3 個(gè)方面。

1）收集室中的氦氣濃度為

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，式(12)可寫成

式中：m為氣體質(zhì)量，kg；M為分子量，g/mol。由式(13)可知：氦氣的濃度可以寫成收集室中的氦氣質(zhì)量與總空氣質(zhì)量的比。事實(shí)上，柔性收集室在保證密封的情形下，空氣總質(zhì)量和其中的氦氣質(zhì)量是不變的，因此，其濃度不會(huì)隨柔性收集室體積的變化而變化。

2）正常情況下，收集室內(nèi)的總氣量為

而航天器泄漏出的氣量很小，按照其通常漏率量級(jí)計(jì)算，24 h 所產(chǎn)生的氣體量約為

由于收集室是密封的，幾乎沒(méi)有氣體泄漏，收集室內(nèi)總氣量的變化是由航天器泄漏產(chǎn)生的，且總量也很小，所以體積變化不會(huì)對(duì)收集室內(nèi)總氣體量產(chǎn)生影響。

3）由于剛性收集室的檢漏儀入口壓力狀態(tài)與柔性收集室的檢漏儀入口壓力狀態(tài)是相同的，所以 此因素對(duì)于測(cè)量可靠性的影響可以忽略。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 薄膜滲透性與熱封性試驗(yàn)

利用薄膜材料熱封制成的一個(gè)小型收集室進(jìn)行材料滲透和熱封性的驗(yàn)證試驗(yàn)（如圖4所示）。向柔性罩子內(nèi)部充一定量（8.64 Pa·m3）的純氦氣，對(duì)充氣口熱封后，從柔性罩子外部利用氦質(zhì)譜吸槍檢漏法測(cè)得各處漏率（含熱封接口）均小于1× 10-8Pa·m3/s[11-12]。說(shuō)明此種薄膜材料對(duì)于氦氣的滲透性相對(duì)于總漏率測(cè)試的影響很小，熱封接口后形成的密封也可保證航天器總漏率測(cè)試需求。

圖4 滲透性和熱封性驗(yàn)證試驗(yàn) Fig.4 The experiment system of penetrability and heat- envelope performance

4.2 氦氣吸附性和柔性收集室密封性試驗(yàn)

向柔性收集室中充入一定量的氦氣，考察其濃度隨時(shí)間的變化，以檢漏儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的反應(yīng)值為0 基準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖5。

圖5 柔性收集室中氦氣濃度的變化趨勢(shì)圖Fig.5 Concentration of helium in flexible accumulation chamber vs.test time

可以看出：柔性收集室中的氦氣濃度在40 h內(nèi)幾乎不變；而柔性罩子打開(kāi)后，收集室內(nèi)氦氣濃度迅速降低。這既說(shuō)明柔性收集室密封性能滿足總漏率檢測(cè)的需要，也說(shuō)明了柔性收集室的薄膜材料幾乎不吸附。

表2 柔性收集室的密封性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Reaction value of leak detector to helium in flexible accumulation chamber in the test

4.3 柔性收集室與剛性收集室對(duì)比試驗(yàn)

用剛性收集室檢漏工藝對(duì)某帶氣瓶的通道型漏孔進(jìn)行檢漏，測(cè)得其總漏率為2.77×10-5Pa·m3/s。 再將該帶氣瓶的通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔用柔性收集室的檢漏工藝進(jìn)行測(cè)試[13]，以檢漏儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的反應(yīng)值為0 基準(zhǔn)，測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 柔性收集室的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Total leak rate detection data by flexible accumulation chamber leak testing technology

由表3可知，采用柔性收集室測(cè)得的漏率均值為2.66×10-5Pa·m3·s-1，與剛性收集室的檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差均優(yōu)于±10%，相對(duì)誤差均值優(yōu)于±5%，直接證明了柔性收集室檢漏技術(shù)的可靠。

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可知，現(xiàn)有研制的柔性收集室能滿足非真空累積方法檢測(cè)航天器總漏率的工程應(yīng)用。綜合來(lái)說(shuō)：

1）鍍鋁聚酯薄膜對(duì)氦氣的滲透性和吸附性對(duì)于總漏率測(cè)試的影響可以忽略；

2）柔性收集室的薄膜與薄膜、薄膜與檢測(cè)系統(tǒng)接口間的密封性能均滿足要求；

3）柔性收集室的體積變化不會(huì)給總漏率檢測(cè)帶來(lái)誤差和影響；

4）采用柔性收集室檢漏，和剛性收集室的結(jié)果相對(duì)誤差均優(yōu)于±10%，但檢漏靈敏度未提升。

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