航天器的總漏率測(cè)試一般采用氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法，為了提高總漏率測(cè)試的準(zhǔn)確度，對(duì)目前航天器總漏率測(cè)試過(guò)程放樣時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究分析，并對(duì)總漏率計(jì)算公式提出相應(yīng)的修正。

　　航天器的密封性能指標(biāo)是衡量航天器質(zhì)量高低的一個(gè)重要參數(shù)，它直接關(guān)系到航天器發(fā)射和在軌運(yùn)行的成功與否。氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法是目前航天器總裝階段總漏率測(cè)試采用的最主要的檢漏方法。該方法已經(jīng)使用將近20年，成功完成了近百顆衛(wèi)星和飛船的總漏率測(cè)試任務(wù)。在多年的測(cè)試實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法在測(cè)試航天器總漏率時(shí)真值與測(cè)量值間的誤差會(huì)隨著航天器漏率增大而增大。為找到誤差來(lái)源并解決該問(wèn)題本文特對(duì)航天器總漏率測(cè)試過(guò)程進(jìn)行分析研究，研究放樣時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并對(duì)總漏率計(jì)算公式提出修正，以期能提高航天器總漏率測(cè)試的準(zhǔn)確度。

1、測(cè)試系統(tǒng)工作原理

　　航天器總漏率測(cè)試系統(tǒng)由收集容器、循環(huán)泵、截止閥、流量計(jì)、檢漏閥、標(biāo)準(zhǔn)氣體、檢漏儀及連接管路等組成，其工作原理如圖1 所示。測(cè)試系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)氣體循環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)氣體、流量計(jì)及相應(yīng)的管道)和被測(cè)氣體循環(huán)(收集容器、循環(huán)泵及相應(yīng)的管道)兩部分組成，標(biāo)準(zhǔn)氣的流量靠流量計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)，被測(cè)氣體流量由循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)。其中檢漏閥是控制進(jìn)入檢漏儀的氣體量，閥門開(kāi)度過(guò)大，檢漏儀達(dá)不到正常工作需要的真空度，無(wú)法正常工作;開(kāi)度過(guò)小，進(jìn)入檢漏儀的氣量太小會(huì)降低測(cè)試的靈敏度，檢漏閥需要選擇合適的開(kāi)度。標(biāo)準(zhǔn)氣體由氦氣和氮?dú)獍凑照�常大氣環(huán)境下空氣中的氦氣濃度配置而成，密封儲(chǔ)存在標(biāo)準(zhǔn)氣瓶中，用來(lái)對(duì)檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)操作，確保檢漏儀對(duì)相同的氣體有相同的反應(yīng)值。

圖1 氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法的測(cè)試原理圖

2、測(cè)試過(guò)程

　　測(cè)試時(shí)將被檢件充入一定壓力(與被檢件工作壓力一致)的氦氣，放入密閉的收集容器中，當(dāng)收集容器內(nèi)氣體擴(kuò)散混合均勻后(如果收集容器較大，可采用風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等進(jìn)行攪拌)，測(cè)試收集容器內(nèi)的氦濃度本底值。具體操作是，先打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)氣體的閥門，用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，使儀器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體反應(yīng)的值作為基準(zhǔn)值;在此狀態(tài)下通過(guò)切換兩個(gè)截止閥測(cè)試容器內(nèi)的氦濃度本底相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為總漏率的初值μ1，并記錄測(cè)試時(shí)間t1。如果需要測(cè)試較小的差值可利用檢漏儀的清零或調(diào)零功能，將標(biāo)準(zhǔn)氣體作為零點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

　　保持收集容器密封，如果被檢件有泄漏，會(huì)造成收集容器內(nèi)氦氣濃度的升高，為了能夠測(cè)量到氦濃度變化量，需要累積一定時(shí)間t(航天器檢漏過(guò)程中一般需要累積24 h)。通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的氣體混合均勻后，先用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器，確保儀器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體反應(yīng)的值同測(cè)試總漏率初值的基準(zhǔn)值一致，確保檢漏儀在相同的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，再測(cè)試收集容器內(nèi)的氦濃度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為總漏率的終值μ2，并記錄測(cè)試時(shí)間t2。

　　終值測(cè)試結(jié)束后，進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定工作，為了保證測(cè)試與標(biāo)定過(guò)程的狀態(tài)一致，不打開(kāi)收集容器，將已知壓力和體積氣體量(P0V0)的純氦氣注入收集容器內(nèi)，通過(guò)風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的大氣混合均勻后，用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器，方法同測(cè)試初值一樣，測(cè)試收集容器內(nèi)的氦濃度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為樣值μ3，并記錄測(cè)試時(shí)間t3。則被檢件的總漏率Q 的計(jì)算公式如(1)所示。

3、放樣時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

　　在航天器檢漏過(guò)程中，終值測(cè)試結(jié)束后到測(cè)試放樣值這段時(shí)間，被檢件維持自身的漏率在繼續(xù)泄漏，為了對(duì)此部分的泄漏進(jìn)行詳細(xì)分析，假設(shè)從終值測(cè)試結(jié)束到樣值測(cè)試結(jié)束的時(shí)間段(t3- t2)，被檢件的泄漏為線性關(guān)系，此段時(shí)間的泄漏值μ'

　　被檢件的真實(shí)漏率Q'

　　由公式(1)、(2)、(3)聯(lián)立可得到公式(4)：

　　為了更加容易看出測(cè)試漏率值Q 與真實(shí)漏率值Q' 之間的關(guān)系，對(duì)公式(4)進(jìn)行變換，得到公式(5)：

　　根據(jù)目前航天器檢漏實(shí)踐， 再結(jié)合公式(5)，在航天器檢漏過(guò)程中放樣量通常取P0V0 為0.5 MPa×18 mL，檢漏累積時(shí)間(t2- t1)為24 h，放樣時(shí)間(t3- t2)為1 h。則測(cè)試漏率值與航天器的真實(shí)漏率值之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 航天器測(cè)試漏率與真實(shí)漏率之間的關(guān)系

　　由圖2 可以看出當(dāng)航天器的漏率小于10^{- 4} Pa·m³/s 量級(jí)時(shí)測(cè)試漏率值與真實(shí)漏率值曲線基本重合，即兩者之間的誤差較小;當(dāng)航天器的漏率值大于10^{- 4} Pa·m³/s 量級(jí)時(shí)測(cè)試漏率值與真實(shí)漏率值曲線誤差逐漸增加并迅速變大，并且測(cè)試漏率值不再呈現(xiàn)線性變化;當(dāng)航天器的漏率值大于10^{- 2} Pa·m³/s 量級(jí)時(shí)測(cè)試漏率值嚴(yán)重偏離真實(shí)值。航天器產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中，不同量級(jí)下的測(cè)試值與航天器真實(shí)泄漏值的誤差變化，如表1 所示。通過(guò)表1 可以看出真實(shí)漏率在從10^{- 6} Pa·m3/s 至10^{- 2} Pa·m³/s 之間增加時(shí)，相對(duì)誤差值也在逐漸增加，當(dāng)測(cè)試量級(jí)為10^{- 2} Pa·m³/s時(shí)，相對(duì)誤差已經(jīng)接近100%。

表1 真實(shí)漏率與測(cè)試漏率之間的誤差關(guān)系

　　根據(jù)目前航天器檢漏經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)航天器的總漏率真值是1×10^{- 4} Pa·m³/s，檢漏過(guò)程中的放樣量為0.5 MPa×18 mL，則放樣時(shí)間與總漏率測(cè)試值和總漏率真實(shí)值之間的關(guān)系，如圖3 所示。由圖3 可知放樣時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量值就會(huì)越小，測(cè)量結(jié)果與真值之間的誤差就越大。這是因?yàn)樵诜艠訒r(shí)間內(nèi)，航天器泄漏仍在繼續(xù)，而新泄漏出來(lái)的示漏氣體量并沒(méi)有計(jì)算到終值結(jié)果內(nèi)，而是被當(dāng)做放樣量的一部分，使得放樣量高于真值要求，所以航天器泄漏量越大，測(cè)量結(jié)果與真值之間誤差也就越大。

圖3 放樣時(shí)間對(duì)總漏率測(cè)試的影響

4、結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)以上分析，可以得到以下結(jié)論：

　　(1) 造成航天器檢漏測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試不準(zhǔn)確的眾多影響因素中，放樣時(shí)間是一個(gè)重要的影響因素，在測(cè)試過(guò)程中必須盡量縮短放樣時(shí)間;

　　(2) 通過(guò)對(duì)原有的航天器總漏率計(jì)算公式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其真實(shí)漏率略大于測(cè)試漏率，當(dāng)放樣時(shí)間小于1 h，測(cè)試小于10^{- 4} Pa·m³/s 量級(jí)漏率值時(shí)，相對(duì)誤差范圍在工程應(yīng)用中可以接受，而在測(cè)試大于10^{- 4} Pa·m³/s 量級(jí)漏率值時(shí)，相對(duì)誤差太大，需要進(jìn)行修正;

　　(3) 在未來(lái)的航天器檢漏測(cè)試過(guò)程中采用公式(4)對(duì)總漏率測(cè)試值進(jìn)行修或采取公式(3)進(jìn)行總漏率計(jì)算能提高測(cè)試值的準(zhǔn)確性。