泄漏監(jiān)測(cè)是在軌空間站長(zhǎng)期可靠運(yùn)行必須解決的難題，本文開(kāi)展了方向規(guī)用于空間站檢漏的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。在地面真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，用小孔向真空室引入氣體模擬空間站泄漏，通過(guò)磁力傳動(dòng)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(diǎn)的方位，通過(guò)調(diào)整方向規(guī)在刻度尺上的位置模擬與空間站泄漏點(diǎn)的距離。在通過(guò)漏孔漏率分布服從余弦定律的條件下，研究結(jié)果表明用方向規(guī)對(duì)可疑泄漏點(diǎn)進(jìn)行掃描，在一定范圍內(nèi)可確定漏孔位置并估計(jì)漏率大小，最后討論了將方向規(guī)用于空間站檢漏需要進(jìn)一步研究解決的相關(guān)問(wèn)題。

　　在軌空間站要長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，泄漏監(jiān)測(cè)是必須解決的重要難題。方向規(guī)是定向分子流的主要測(cè)量工具，用于空間真空度的測(cè)量。由于空間站運(yùn)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(duì)于周圍高真空環(huán)境會(huì)形成定向分子流，如能利用方向規(guī)對(duì)空間站可疑漏點(diǎn)探測(cè)，有望根據(jù)它對(duì)定向分子流的測(cè)量值判斷泄漏是否發(fā)生、確定泄漏點(diǎn)的位置和估算漏率大小。參考文獻(xiàn)提出了采用方向規(guī)監(jiān)測(cè)空間站泄漏的設(shè)想，在空間站艙體連接處設(shè)計(jì)一環(huán)形軌道，通過(guò)電路伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方向規(guī)沿軌道移動(dòng)，根據(jù)掃描信號(hào)的變化判斷泄漏點(diǎn)，因此需要開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。由于空間站艙體泄漏點(diǎn)幾何形狀和結(jié)構(gòu)難以預(yù)料，泄漏后的氣體分子流分布常很復(fù)雜，為此本文以空間站艙體通過(guò)小孔泄漏為研究對(duì)象，假定氣體分子泄漏后服從余弦定律，通過(guò)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(guān)系，研究結(jié)果為方向規(guī)用于空間站檢漏的基礎(chǔ)研究提供了參考數(shù)據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　如果空間站艙體某點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)距離對(duì)檢漏結(jié)果的影響

　　在圖2的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，可在夾角a處于0b~180b任意角度下開(kāi)展研究，本文在a=0b、l在5~45cm條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)真空室(16)抽氣并在真空度進(jìn)入10^-7 Pa量級(jí)后，通過(guò)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(cè)得真空室中穩(wěn)定后的壓力為1.3×10^-4 Pa，通過(guò)CDG測(cè)得小孔入口壓力為2.3Pa，計(jì)算得到相應(yīng)的漏孔漏率Q為2.2×10^-4 Pa.m³/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6中橫坐標(biāo)為方向規(guī)與泄漏點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)是方向規(guī)指示值。

圖6 方向規(guī)指示值與泄漏點(diǎn)距離的關(guān)系

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，計(jì)算所得方向規(guī)指示值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致，當(dāng)方向規(guī)與泄漏小孔距離小于30cm時(shí)，其指示值大于真空室平衡后的壓力，且隨著與泄漏點(diǎn)距離的增大呈指數(shù)遞減，計(jì)算所得指示值略大于實(shí)測(cè)值；當(dāng)方向規(guī)與泄漏小孔距離大于30cm時(shí)計(jì)算得到的方向規(guī)指示值略小于實(shí)測(cè)值，且實(shí)測(cè)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(shí)方向規(guī)分辨不出從小孔泄漏后直接進(jìn)入檢測(cè)器中的氣體分子。由此可以得出，在上述條件下方向規(guī)對(duì)漏孔的可檢測(cè)距離為30cm，若增大對(duì)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(chǔ)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(diǎn)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(diǎn)，若已知方向規(guī)和漏孔方位及距離的條件下，可通過(guò)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(shí)際用于在軌空間站泄漏監(jiān)測(cè)中，還需要解決一些復(fù)雜的技術(shù)難題。首先，在軌空間站泄漏點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)難以預(yù)料，泄漏后的氣體分子流場(chǎng)分布比較復(fù)雜，要根據(jù)方向規(guī)指示值估算泄漏漏率大小，需進(jìn)一步研究氣體泄漏后的分子流場(chǎng)分布；其次，在軌空間站上的方向規(guī)相對(duì)周圍環(huán)境氣體分子具有很高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jié)合在軌空間站飛行姿態(tài)開(kāi)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(yùn)行速度方向及泄漏位置相關(guān)，方向規(guī)檢漏結(jié)果與泄漏點(diǎn)的方位和距離相關(guān)，因此需合理設(shè)計(jì)出方向規(guī)在空間站上的運(yùn)行軌道及安裝位置，保證在檢漏過(guò)程中方向規(guī)入口盡可能的對(duì)準(zhǔn)艙體泄漏后形成的定向分子流，以提高檢漏結(jié)果的正確性。總之，要將方向規(guī)用于空間站泄漏監(jiān)測(cè)中，需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究工作。

3、結(jié)論

　　本文探討了方向規(guī)用于空間站檢漏的基礎(chǔ)，通過(guò)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(jié)果與泄漏點(diǎn)方位、距離的關(guān)系。地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定條件下計(jì)算得到方向規(guī)指示值與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)一致，采用方向規(guī)對(duì)可疑泄漏點(diǎn)在一定角度和距離范圍內(nèi)掃描，可通過(guò)方向規(guī)指示值的變化判斷泄漏是否發(fā)生并估計(jì)漏孔漏率大小，檢漏結(jié)主要取決于方向規(guī)與泄漏點(diǎn)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(cè)中，由于泄漏后氣體分子分布復(fù)雜，并且檢漏結(jié)果與方向規(guī)和泄漏點(diǎn)方位、距離、空間站運(yùn)行速度等相關(guān)，因此需要進(jìn)一步突破多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)出方向規(guī)用于空間站泄漏監(jiān)測(cè)的整體方案，有望使其成為一種新的空間站泄漏監(jiān)測(cè)工具。