電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

趙 瀾，成永軍，孫雯君，張瑞芳，李亞麗，管保國(guó)，丁 棟

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

推進(jìn)系統(tǒng)是航天器的核心，電推進(jìn)技術(shù)是一種先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)。電推進(jìn)系統(tǒng)是通過(guò)電熱/靜電/電磁作用將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)氣體動(dòng)能的裝置[1]。以高比沖、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)已經(jīng)在姿態(tài)控制、南北位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、大氣阻尼補(bǔ)償、深空探測(cè)主推進(jìn)等空間各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

比沖和總體效率是電推進(jìn)系統(tǒng)重要的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量與比沖成反比、與推力成正比[2]，與推力器的總體效率成反比。因此，一方面工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度在比沖一定情況下影響電推進(jìn)系統(tǒng)推力的準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響到航天器的姿態(tài)和軌道控制精度；另一方面，工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度影響電推進(jìn)系統(tǒng)的總體效率，即意味著可以通過(guò)減少工質(zhì)氣體的總攜帶量增加有效載荷的比重，或者在相同情況下增加電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命。總之，工質(zhì)氣體微流量精確校準(zhǔn)關(guān)系到航天器的推力的準(zhǔn)確度，也影響航天器的姿態(tài)和軌道控制精度、壽命、效率、成本和承載能力等，需要在實(shí)際工況下采用真實(shí)的工質(zhì)氣體對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)氣體微流量進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

1 設(shè)計(jì)原理

在氣體流量測(cè)量技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)、理論分析，結(jié)合電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量實(shí)際使用情況，確定了基于定容法校準(zhǔn)電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量的技術(shù)方案，提出絕壓定容升壓法和差壓定容升壓法兩種校準(zhǔn)電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量的方法。

1.1 絕壓定容升壓法

絕壓定容升壓法是一種通過(guò)直接測(cè)量校準(zhǔn)室內(nèi)壓力變化而獲得流量的校準(zhǔn)方法[3]。電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量測(cè)量?jī)x器微流量計(jì)的出口端為真空（一般＜1 000 Pa）?？紤]到溫度修正，絕壓定容升壓法校準(zhǔn)流量的計(jì)算如式（1）。

式中：Q為被校微流量計(jì)氣體流量，Pa·m3/s；V為校準(zhǔn)室有效容積，m3；Δp為校準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)校準(zhǔn)室壓力的變化，Pa；Δt為校準(zhǔn)時(shí)間，s；T為校準(zhǔn)室內(nèi)氣體溫度，℃。

圖1為絕壓定容升壓法校準(zhǔn)微流量計(jì)的原理圖。在時(shí)間間隔Δt內(nèi)，流量為Q氣體通過(guò)微流量計(jì)流入已知容積V的校準(zhǔn)室中，引起的壓力變化為Δp。根據(jù)公式（1），實(shí)現(xiàn)對(duì)被校儀器的校準(zhǔn)。

圖1 絕壓定容升壓法校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of absolutely pressure constant volume rise pressure method

絕壓定容升壓法校準(zhǔn)過(guò)程中，當(dāng)校準(zhǔn)室容積V設(shè)計(jì)為0.01 m3，流量Q與容積V、測(cè)量時(shí)間Δt、壓力變化Δp之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

1.2 差壓定容升壓法

差壓定容升壓法是通過(guò)測(cè)量校準(zhǔn)室與參考室之間的壓力變化而獲得流量校準(zhǔn)的方法，被校儀器的出口壓力可調(diào)節(jié)，一般出口壓力小于0.2 MPa。圖2為差壓定容升壓法校準(zhǔn)微流量計(jì)的原理圖。校準(zhǔn)時(shí)，向參考室和校準(zhǔn)室充入具有額定壓力的氣體，關(guān)閉參考室與校準(zhǔn)室之間的閥門，用差壓電容薄膜真空計(jì)測(cè)量在Δt時(shí)間內(nèi)校準(zhǔn)室中壓力變化值Δp，根據(jù)式（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)被校儀器的校準(zhǔn)。

圖2 差壓定容升壓法校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of differential pressure constant volume rise pressure method

差壓定容升壓法校準(zhǔn)過(guò)程中，校準(zhǔn)室容積V設(shè)計(jì)為0.01 m3，則流量Q與容積V、測(cè)量時(shí)間Δt、壓力變化Δp之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所列。

表2 差壓定容升壓法各參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship of each parameter for differential pressure constant volume rise pressure method

2 校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)裝置主體采用雙通道對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、容積測(cè)量系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、多工質(zhì)氣路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、恒溫與烘烤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，裝置原理如圖3所示。

2.1 抽氣系統(tǒng)

抽氣系統(tǒng)有兩路，第一路抽氣系統(tǒng)主要由干式機(jī)械泵、分子泵、截止閥及放氣閥組成，用于對(duì)校準(zhǔn)室及參考室抽氣，可避免抽氣機(jī)組對(duì)真空容器的污染，提高對(duì)氫氣等質(zhì)量數(shù)較小的氣體的抽速。第二路抽氣系統(tǒng)主要由干式機(jī)械泵及截止閥組成，用于對(duì)容積測(cè)量系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、多工質(zhì)氣路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)抽氣。

2.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙通道對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由校準(zhǔn)室、參考室、133 kPa絕壓電容薄膜真空計(jì)、1.33 kPa絕壓電容薄膜真空計(jì)、133 kPa差壓電容薄膜真空計(jì)、1.33 kPa差壓電容薄膜真空計(jì)、冷陰極真空計(jì)、全金屬角閥、鉑電阻溫度計(jì)及截止閥等組成。

圖3 電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of working gas micro-flow calibration apparatus for electric propulsion system

校準(zhǔn)室和參考室均采用Φ300的球體制作，容積為10 L，耐壓壓力為0.25 MPa，材料為真空熔煉的SUS316L不銹鋼。內(nèi)表面機(jī)械拋光處理，以提高腔室的潔凈度，外表面噴砂噴丸鈍化處理。腔室接口采用真空焊接，按超高真空密封要求進(jìn)行檢漏處理。校準(zhǔn)室進(jìn)行真空除氣工藝處理，降低腔室材料表面出氣率，減少出氣對(duì)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

校準(zhǔn)室、參考室設(shè)計(jì)多個(gè)測(cè)試接口，分別連接鉑電阻溫度計(jì)、電容薄膜真空計(jì)及真空閥門；底部為DN40的抽真空接口。在校準(zhǔn)室（參考室）和抽氣機(jī)組之間采用DN40CF真空角閥連接。校準(zhǔn)室的接口全部采用VCR或CF法蘭等金屬密封形式。溫度計(jì)采用Φ2絲、VCR固定的結(jié)構(gòu)，傳感器伸入校準(zhǔn)室及參考室內(nèi)。

2.3 容積測(cè)量系統(tǒng)

容積測(cè)量系統(tǒng)主要包括容積測(cè)量室、標(biāo)準(zhǔn)容器、電容薄膜真空計(jì)、壓力計(jì)及截止閥等。其中容積測(cè)量室上配有多個(gè)外接接口，分別連接標(biāo)準(zhǔn)容器、電容薄膜真空計(jì)、壓力計(jì)、截止閥，接口采用金屬密封形式，降低系統(tǒng)漏放氣率。

工作用容積的測(cè)量采用參考容積法。將一個(gè)已知容積V0的標(biāo)準(zhǔn)容器，用閥門與被測(cè)容器連接，將標(biāo)準(zhǔn)容積中壓力為p0的氣體等溫膨脹到抽成真空的被測(cè)容積V中，測(cè)量出膨脹后的氣體壓力p，根據(jù)波義耳-馬略特定律，按式（2）就可以計(jì)算出被測(cè)容積[4]。

根據(jù)被測(cè)容積（校準(zhǔn)室、參考室）的大小，容積測(cè)量室、標(biāo)準(zhǔn)容器均設(shè)計(jì)為1 L，耐壓壓力為0.25 MPa，標(biāo)準(zhǔn)容器容積由法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)標(biāo)定。用1臺(tái)滿量程為133 kPa電容薄膜真空計(jì)測(cè)量p0和p，通過(guò)式（2）可計(jì)算出校準(zhǔn)室及接頭容積。

為了節(jié)約氙氣，采用高純氮?dú)庾鰹槿莘e測(cè)量用氣體。校準(zhǔn)結(jié)束后，通過(guò)高純氮?dú)馄拷o定容室充高于101 kPa的保護(hù)氮?dú)猓苊舛ㄈ菔沂艿轿廴尽?/p>

2.4 穩(wěn)壓系統(tǒng)

穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓室、壓力計(jì)、放氣閥及截止閥等。穩(wěn)壓室共有3個(gè)，每個(gè)設(shè)計(jì)容積為50 L，耐壓壓力0.60 MPa，采用SUS304不銹鋼材料，側(cè)面連接壓力計(jì)及進(jìn)出氣截止閥、放氣閥。穩(wěn)壓室內(nèi)表面機(jī)械拋光處理，提高腔室的潔凈度。一般情況下，入口壓力為0.2～0.5 MPa，穩(wěn)壓室中始終保持正壓狀態(tài)。如需更換校準(zhǔn)氣體，可通過(guò)與抽氣系統(tǒng)連接的管道及閥門，對(duì)穩(wěn)壓室抽真空，保證校準(zhǔn)氣體的純度。

2.5 多工質(zhì)氣路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

多工質(zhì)氣路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為一套高純氣體供氣系統(tǒng)，包括2路工質(zhì)氣體管路及3路試驗(yàn)氣體管路，由高壓氣瓶、壓力表、截止閥及管道等組成，主要提供Xe、Kr、Ar、He和N2等5種高純氣體，通過(guò)閥門開關(guān)，可分別將單一高純氣體引入穩(wěn)壓室，氣瓶與閥門之間采用金屬軟管連接。轉(zhuǎn)換閥門布置在臺(tái)面。通過(guò)閥門及管道與抽氣系統(tǒng)連接，對(duì)供給校準(zhǔn)氣體的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)及控制，實(shí)現(xiàn)多工質(zhì)氣體的轉(zhuǎn)換，保證工質(zhì)氣體的純度。抽氣系統(tǒng)配備獨(dú)立的干泵，用于抽除管道內(nèi)的氣體。

2.6 恒溫與烘烤系統(tǒng)

恒溫與烘烤系統(tǒng)主要是為了減小校準(zhǔn)過(guò)程中校準(zhǔn)室、參考室溫度波動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)室、參考室內(nèi)的高潔凈度。在設(shè)計(jì)中，恒溫及烘烤系統(tǒng)采用夾克式形狀，校準(zhǔn)室、參考室外側(cè)夾克內(nèi)包裹加熱絲，加熱絲根據(jù)所需功率大小均勻分布于夾克式加熱套內(nèi)，減小真空室器壁上的溫度變化，保證加熱過(guò)程中溫度受熱分布均勻。溫度控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)，用溫度計(jì)測(cè)量溫度，溫度控制范圍23～300℃。試驗(yàn)測(cè)試之前，通過(guò)烘烤加熱系統(tǒng)對(duì)校準(zhǔn)室及參考室進(jìn)行48 h烘烤，以提高系統(tǒng)潔凈度，減小系統(tǒng)中H2O、H2等氣體成分。

2.7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括控制柜和數(shù)據(jù)采集工控機(jī)。控制柜前板有觸摸屏、PLC、交流接觸器、壓力顯示、真空計(jì)、溫度顯示等。控制柜后板裝有交流接觸器、繼電器等電氣元器件，可以打開后門板方便的進(jìn)行維護(hù)操作?？刂撇僮靼ǚ肿颖?、機(jī)械泵的啟停，系統(tǒng)烘烤加熱的啟停。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)以研華工控機(jī)為上位機(jī)，通過(guò)PCI1610串口擴(kuò)展卡、PCI1716多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電容薄膜真空計(jì)、壓力計(jì)、冷陰極真空計(jì)、溫度傳感器等的控制及數(shù)據(jù)采集?？刂萍皵?shù)據(jù)處理軟件采用LabVIEW軟件編寫，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，可將不同校準(zhǔn)內(nèi)容設(shè)計(jì)成單獨(dú)的功能模塊，由主界面程序構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架，各子模塊分別完成一定的功能，在主界面程序或其他的子程序中調(diào)用。各功能模塊間的獨(dú)立性較強(qiáng)，都可單獨(dú)調(diào)試、修改、移植、更新。

3 測(cè)量不確定度評(píng)估

嚴(yán)格按照J(rèn)JF1059.1-2012《測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示》的要求[5]，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，分析測(cè)量不確定度來(lái)源，確定各個(gè)測(cè)量不確定度分量大小，最后評(píng)定校準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度。

3.1 不確定度來(lái)源

依據(jù)不確定度傳遞率，流量Q的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度用式（3）計(jì)算：

其中：

校準(zhǔn)裝置的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1按式（8）計(jì)算。

流量Q的不確定度來(lái)源主要由容積的測(cè)量、壓力差的測(cè)量、時(shí)間間隔的測(cè)量、溫度的測(cè)量等因素引入。

3.2 不確定度分量分析

（1）定容室容積測(cè)量準(zhǔn)確度

根據(jù)式（2）可得容積V的測(cè)量不確定度用式（9）計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算，容積測(cè)量不確定度為0.5%。

（2）壓力測(cè)量準(zhǔn)確度

壓力p用電容薄膜真空計(jì)測(cè)量，根據(jù)校準(zhǔn)證書不確定度為0.8%。

（3）時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度

時(shí)間t用秒表測(cè)量，流量測(cè)量過(guò)程所需時(shí)間為300～2 000 s，秒表的不確定度為0.1%。

（4）溫度測(cè)量準(zhǔn)確度

溫度用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量，根據(jù)鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)證書，溫度測(cè)量不確定度為0.2%。

3.3 不確定度合成

將不確定度分量按方和根法合成，并計(jì)算出校準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氣體微流量校準(zhǔn)裝置采用雙通道對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要包括抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、容積測(cè)量系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、多工質(zhì)氣路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、恒溫及烘烤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等7部分。校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)范圍為5×10-5～5×10-1Pa·m3/s，入口壓力為0.2～0.5 MPa，出口壓力為100 Pa～0.2 MPa，擴(kuò)展不確定度小于2.0%（k=2），校準(zhǔn)氣體為Xe、Kr、Ar、He和N2，可以滿足電推進(jìn)系統(tǒng)研制任務(wù)的計(jì)量需求。