目前航天器總裝期間的泄漏檢測(cè)內(nèi)容主要有單點(diǎn)檢漏(螺接頭和焊縫)、系統(tǒng)總漏率和部分閥門組件的真空檢漏，單點(diǎn)和真空檢漏過程中主要使用萊寶的L300/L200系列、普發(fā)ASM系列以及少量的愛德華、英福康產(chǎn)品，而航天器系統(tǒng)總漏率測(cè)試過程中主要使用北京中科科儀生產(chǎn)的ZQJ-291系列和ZQJ-30系列檢漏儀。

　　因此航天器單點(diǎn)檢漏設(shè)備和系統(tǒng)檢漏設(shè)備屬于各自獨(dú)立的狀態(tài)，對(duì)于眾多的型號(hào)檢漏任務(wù)，需要配置更多的檢漏設(shè)備，增加工作成本。特別在發(fā)射場(chǎng)檢漏時(shí)需要將多臺(tái)檢漏儀運(yùn)輸至基地，使得檢漏儀的使用效率降低。為了控制并降低檢漏儀的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本，增強(qiáng)檢漏儀技術(shù)掌握，對(duì)現(xiàn)有進(jìn)口檢漏儀進(jìn)行研究，研究并改進(jìn)現(xiàn)有檢漏方式，研制一種基于萊寶檢漏儀的總漏率測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)。

1、航天器總漏率檢漏原理

　　航天器系統(tǒng)總漏率的測(cè)試原理是非真空氦質(zhì)譜累積法，測(cè)試方法為先用氦質(zhì)譜檢漏儀測(cè)試收集室(或包裝箱)內(nèi)的氦氣濃度U1(初值)，累積一定時(shí)間t后再次測(cè)試收集室(或包裝箱)內(nèi)氦氣濃度U2(終值)，通過放樣系統(tǒng)向收集室(或包裝箱)內(nèi)充入一定量的氦氣W，再次測(cè)試收集室(或包裝箱)內(nèi)濃度U3。則衛(wèi)星的總漏率Q的計(jì)算公式如(1)所示。

　　在此原理基礎(chǔ)上建立的總漏率測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。總漏率測(cè)試系統(tǒng)主要由檢漏儀、測(cè)試計(jì)算機(jī)、基準(zhǔn)氣罐(或標(biāo)準(zhǔn)氣罐)、收集室(或包裝箱)等組成。該測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試10-5Pa·m3/s~10-2Pa·m3/s范圍內(nèi)的航天器總漏率，能夠滿足現(xiàn)有航天器泄漏檢測(cè)任務(wù)需求。

圖1 航天器總漏率測(cè)試系統(tǒng)

2、總漏率測(cè)試系統(tǒng)

　　現(xiàn)有航天器總漏率檢測(cè)檢漏儀是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在北京中科科儀氦質(zhì)譜檢漏儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，適用于航天器總漏率測(cè)試任務(wù)。進(jìn)口檢漏儀如萊寶、普發(fā)、愛發(fā)科等國外檢漏儀具有信號(hào)穩(wěn)定、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其在非真空檢漏領(lǐng)域主要應(yīng)用于各類單點(diǎn)檢漏，如吸槍嗅探法、噴吹法、背壓法等，不能直接用于航天器的總漏率測(cè)試工作。為了提升進(jìn)口檢漏儀使用效率，擴(kuò)大檢漏儀功能，我們對(duì)進(jìn)口檢漏儀總漏率測(cè)試方法進(jìn)行了研究，通過研制進(jìn)口檢漏儀的總漏率測(cè)試系統(tǒng)，使得進(jìn)口檢漏儀既可以進(jìn)行單點(diǎn)漏率測(cè)試，又可以進(jìn)行航天器總漏率測(cè)試工作。

　　本文選取數(shù)量較多的萊寶檢漏儀作為總漏率測(cè)試系統(tǒng)研究對(duì)象，因此總漏率測(cè)試系統(tǒng)主要是由萊寶L300/L200系列檢漏儀、標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜、收集室、網(wǎng)線或串口線以及部分真空管道組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜中集成了工控計(jì)算機(jī)、真空罐、循環(huán)泵、電磁閥、限流孔、過濾器以及真空管道組成。通過工控計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行自研的檢漏軟件，控制標(biāo)準(zhǔn)氣罐內(nèi)的電器元件，完成航天器總漏率測(cè)試過程中的初值、終值和樣值的測(cè)試以及最終總漏率的計(jì)算、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等工作。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3、總漏率測(cè)試核心設(shè)備

　　總漏率測(cè)試系統(tǒng)中核心硬件設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜，該設(shè)備完成了總漏率測(cè)試的絕大多數(shù)工作，如標(biāo)準(zhǔn)氣體的取樣、待測(cè)氣體的取樣(又稱樣氣)、標(biāo)準(zhǔn)氣體和樣氣的切換、將氣體壓力由一個(gè)大氣壓降壓至幾Pa、測(cè)試參數(shù)的設(shè)置和修改、測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算、測(cè)試數(shù)據(jù)的保存和查詢以及與檢漏儀數(shù)據(jù)通信等。標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜的實(shí)物如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)器罐整體外形設(shè)計(jì)美觀，符合一定的人體工程力學(xué)，操作方便、容易。標(biāo)準(zhǔn)氣罐的前面裝有工控計(jì)算機(jī)，用來控制內(nèi)部電磁閥和循環(huán)泵，并實(shí)時(shí)顯示漏率數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢;控制柜的下方裝有標(biāo)準(zhǔn)氣罐，用于密封一定體積的空氣(可以簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)氣);控制柜內(nèi)部裝有特殊研制的氣體切換法、取樣系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，用以完成氣體的取樣、切換和控制等功能。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜的實(shí)物圖

4、總漏率測(cè)試軟件

　　萊寶檢漏儀自帶的檢漏軟件只適用于普通的工業(yè)生產(chǎn)過程中的檢漏任務(wù)，不適用于航天器系統(tǒng)總漏率測(cè)試。因此需要重新研發(fā)一套既適用于航天器系統(tǒng)總漏率的檢測(cè)軟件。通過近一年的研發(fā)，已經(jīng)成功研制了適用于航天器總漏率測(cè)試的檢漏軟件，軟件的主界面如圖4所示。軟件包含5大功能，分別是參數(shù)設(shè)置功能、數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)顯示功能、電磁閥和循環(huán)泵控制功能以及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。參數(shù)設(shè)置功能主要用于設(shè)置每次檢漏任務(wù)的任務(wù)號(hào)、測(cè)試階段、操作者、基準(zhǔn)值、標(biāo)底值、放樣量等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集功能主要是將檢漏儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)、電磁閥和循環(huán)泵的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集進(jìn)軟件內(nèi)并對(duì)部分硬件進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示功能主要是將測(cè)試過程中主要的檢漏數(shù)據(jù)顯示在工控電腦上，用于操作者查看和判斷。歷史數(shù)據(jù)查詢功能主要用于歷次檢漏結(jié)果查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，檢查、判斷航天器密封性能狀態(tài)。

圖4 總漏率測(cè)試軟件主界面

　　航天器總漏率測(cè)試的步驟是：測(cè)試初值(本底值)，測(cè)試終值(泄漏累積反應(yīng)值)，測(cè)試樣值(標(biāo)準(zhǔn)樣氣反應(yīng)值)，然后再通過計(jì)算公式，計(jì)算出航天器泄漏漏率。軟件不僅具備以上功能，而且還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)歷史查詢、顯示等功能。軟件主界面中包含了當(dāng)前檢漏儀的漏率值、檢漏口壓力、測(cè)試階段、時(shí)間、總漏率測(cè)試曲線以及測(cè)試相關(guān)的確認(rèn)按鈕。自研的總漏率測(cè)試軟件界面不僅能夠清晰明確反映出測(cè)試過程和儀器設(shè)備的狀態(tài)，而且便于操作和測(cè)試過程的監(jiān)控。

　　測(cè)試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和最后計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在SQL的數(shù)據(jù)庫里，可以在“列表數(shù)據(jù)”和“圖形數(shù)據(jù)”中進(jìn)行查詢。其中“圖形數(shù)據(jù)”中存儲(chǔ)的是總漏率測(cè)試過程中所有的完整數(shù)據(jù)，而“列表數(shù)據(jù)”僅保存經(jīng)過計(jì)算后的總漏率關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如初值差值、終值差值、樣值差值和最終計(jì)算結(jié)果。圖形數(shù)據(jù)查詢界面中可以直觀地看到每次總漏率測(cè)試過程中的過程圖，可以自由選擇初值、終值和樣值，共計(jì)有27種組合，并可以計(jì)算出選擇組合的總漏率值，計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)行保存。同時(shí)也可以將整個(gè)測(cè)試過程的數(shù)據(jù)從SQL數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出，生成excel文件(.scv)。在列表數(shù)據(jù)界面中可以直接查看每次總漏率測(cè)試過程中的具體參數(shù)信息，在本界面中不能進(jìn)行總漏率計(jì)算，只能進(jìn)行總漏率計(jì)算結(jié)果的保存和查看。數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能和圖形數(shù)據(jù)界面中一樣。

5、測(cè)試結(jié)果

5.1、對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

　　為了驗(yàn)證基于萊寶檢漏儀的總漏率測(cè)試系統(tǒng)的性能，隨機(jī)選取航天器單點(diǎn)檢漏常用的萊寶L300檢漏儀一臺(tái)。將標(biāo)氣罐柜、L300檢漏儀和收集室(收集室尺寸為4223×4205×5200mm，體積約為88.32m3)進(jìn)行連接。為了對(duì)比測(cè)試效果，將一臺(tái)ZQJ-291H檢漏儀分別與收集室和標(biāo)氣罐柜進(jìn)行連接。即L300檢漏儀和ZQJ-291H檢漏儀的標(biāo)氣均取自標(biāo)氣罐柜中的氣罐，共用同一標(biāo)氣。試驗(yàn)系統(tǒng)連接的實(shí)物圖，如圖5所示。

圖5 對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖

5.2、對(duì)比測(cè)試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證L300和ZQJ-291H檢漏儀測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行總漏率測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試方法采用直接向收集室放樣(放入一定量的高純氦氣)等效航天器充入高純氦氣后累積一定時(shí)間氦氣泄漏出來的量。測(cè)試過程為：收集室大門關(guān)閉后測(cè)試初值;向收集室放入0.0691MPa×12.5mL的高純氦氣，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)，待濃度均勻后測(cè)試終值;向收集室放入0.0693MPa×12.5mL的高純氦氣，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)，待濃度均勻后測(cè)試樣值，測(cè)試結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 ZQJ-291H測(cè)試初值、終值和樣值結(jié)果圖

圖7 L300測(cè)試初值、終值和樣值結(jié)果圖

5.3、數(shù)據(jù)分析對(duì)比

　　在比對(duì)試驗(yàn)中將在收集室內(nèi)放置一臺(tái)正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔(CL004 編號(hào)：90001188073，校準(zhǔn)值6.1×10-6Pa·m3/s)，使用正壓漏孔在收集室內(nèi)長時(shí)間累積試驗(yàn)共做了2次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表1和表2所示。兩次測(cè)量不同檢漏儀的重復(fù)誤差分別為：L300檢漏儀1.72%，291H檢漏儀20.76%。

　　從表1和表2中可以看出，基于L300檢漏儀的總漏率測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性、離散性、精度均高于ZQJ-291H檢漏儀。通過相關(guān)的公式計(jì)算得到L300檢漏儀的總漏率測(cè)試靈敏度優(yōu)于1×10-6Pa·m3/s。

表1 測(cè)試結(jié)果1#對(duì)照表

表2 測(cè)試結(jié)果2#對(duì)照表

6、結(jié)語

　　本文對(duì)萊寶L300系列檢漏儀的非真空氦質(zhì)譜總漏率泄漏檢測(cè)方法和技術(shù)進(jìn)行研究，研制了一種航天器總漏率測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：

　　基于萊寶檢漏儀的總漏率測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)量精度高(最小可檢總漏率優(yōu)于1×10-6Pa·m3/s)、性能穩(wěn)定，降低了航天器系統(tǒng)總漏率最小可檢值，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

　　同時(shí)基于萊寶檢漏儀的總漏率測(cè)試系統(tǒng)適用于非真空狀態(tài)下各類氦氣累積法產(chǎn)品總漏率測(cè)試的工業(yè)應(yīng)用，如航天器總漏率檢測(cè)、電池泄漏檢測(cè)、電子元器件泄漏檢測(cè)以及各類高精尖產(chǎn)品的泄漏檢測(cè)工作。