檢漏容器的密封性能對航天器總漏率測試的影響研究
采用非真空氦質(zhì)譜累積法進(jìn)行航天器密封系統的總漏率測試時(shí)，需要檢漏容器對密封系統泄漏出的氦氣進(jìn)行收集。本文通過(guò)理論分析，并用正壓氦漏孔模擬航天器密封系統的泄漏進(jìn)行試驗驗證，得出了檢漏容器的密封性能對航天器密封系統總漏率測試的影響，為檢漏容器的泄漏給出了建議指標。
采用非真空氦質(zhì)譜累積法進(jìn)行航天器密封系統總漏率測試時(shí)，需要檢漏容器在大氣環(huán)境下對泄漏出的氦氣進(jìn)行收集，以便通過(guò)一定時(shí)間內氦氣在檢漏容器內的濃度變化得到系統總漏率，因此檢漏容器的密封性能是總漏率測試的重要影響因素之一。
最理想的情況是檢漏容器完全不漏，密封系統泄漏出的氦氣被全部收集和檢測，可最大限度地保證測試的準確度。但完全不漏的密封容器是不存在的，同時(shí)過(guò)高的漏率指標會(huì )大大增加檢漏容器的制造和維護成本。目前國內航天器進(jìn)行非真空氦質(zhì)譜累積法檢漏時(shí)，一般要求密封容器泄漏指標為密封容器內充氣2 kPa，24 h 后壓降值不大于200 Pa。
本研究利用正壓漏孔和小型密封容器模擬航天器密封系統在檢漏容器中的泄漏，通過(guò)理論分析和試驗驗證，得到檢漏容器的密封性能對航天器總漏率測試的影響，提出檢漏容器的漏率指標和建議。
1、理論分析
1.1、壓力關(guān)系分析
在航天器密封系統進(jìn)行總漏率測試的初始時(shí)刻，檢漏容器內壓力P1 等于當地大氣環(huán)境壓力P0。在測試周期內，因環(huán)境溫度變化、檢漏容器泄漏等的影響，P1 與P0 的關(guān)系可以分為以下幾種：
a)P1 一直不高于P0，即P1≤P0；
b)P1 一直不低于P0，即P1≥P0；
c)P1 與P0 關(guān)系不確定，即P1≤P0 與P1≥P0 交替出現。
以下針對上述3 種關(guān)系，對檢漏容器泄漏造成的總漏率測試影響進(jìn)行分析。
1.2、泄漏影響分析
1.2.1、P1 不高于P0 的情況下
大氣中的氦濃度約為5 ppm，記為γ0，航天器泄漏引起的檢漏容器內氦濃度的增量記為γ1，一般不超過(guò)0.5 ppm，由此引起的檢漏容器內壓力的增量與P0 相比可忽略不計。
假設航天器密封系統總漏率測試過(guò)程中，檢漏容器內壓力一直不高于當地大氣壓，即P1≤P0，則檢漏容器外的環(huán)境大氣可通過(guò)檢漏容器上存在的漏孔進(jìn)入檢漏容器內部，使檢漏容器內部壓力增高。假設氣體由檢漏容器外至容器內的擴散為等比擴散，則檢漏容器內部壓力增加ΔP 后的氦濃度γΔP 的估算見(jiàn)公式(1)。
若航天器密封系統總漏率測試周期24 h 內，允許檢漏容器因泄漏造成的總漏率測試相對誤差不大于5%，則可得γΔP 與γ0、γ1 的關(guān)系見(jiàn)公式(2)。
將公式(1)代入公式(2)，經(jīng)計算可得允許的壓力增加值ΔP≤5 332 Pa，由此可知：在航天器密封系統總漏率測試過(guò)程中，滿(mǎn)足P0-P1≤5 332 Pa的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。
1.2.2、P1 不低于P0 的情況下
假設航天器密封系統總漏率測試過(guò)程中，檢漏容器內壓力一直不低于當地大氣壓，即P1≥P0，則檢漏容器內的氣體可通過(guò)檢漏容器上存在的漏孔擴散至環(huán)境大氣中，使檢漏容器內的壓力下降。因航天器泄漏引起的檢漏容器內壓力的增量與P0相比可忽略不計、容器內氦濃度的變化量遠小于環(huán)境大氣的氦濃度γ0，假設氣體由檢漏容器內至容器外的擴散為等比擴散，則檢漏容器因泄漏導致內部壓力降低ΔP 后的氦濃度γΔP 的估算見(jiàn)公式(3)。
若航天器密封系統總漏率測試周期24 h 內，允許檢漏容器因泄漏造成的總漏率測試相對誤差不大于5%，則將公式(3)代入公式(2)，經(jīng)計算可得允許的壓降值ΔP≤4 825 Pa，由此可知：在航天器密封系統總漏率測試過(guò)程中，滿(mǎn)足P0-P1≤4 825 Pa的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。
1.2.3、P1 與P0 不定關(guān)系的情況下
假設航天器型號產(chǎn)品總漏率測試過(guò)程中，檢漏容器內壓力有時(shí)高于環(huán)境大氣壓力，有時(shí)低于環(huán)境大氣壓力，即P1≤P0 或P1≥P0 的情況交替出現，因此由檢漏容器泄漏造成的氦濃度變化應不大于P1≤P0 和P1≥P0 情況下的最小值。由此可知：在航天器密封系統總漏率測試過(guò)程中，滿(mǎn)足P0-P1≤4 825 Pa或P1-P0≤4 825 Pa 的條件下，由檢漏容器泄漏造成的測量相對誤差不大于5%。
2、試驗系統及方案
2.1、試驗系統
為研究檢漏容器的泄漏對航天器密封系統總漏率測試的影響，特設計一套試驗系統，主要由小型密封容器、標準漏孔、壓力計、氦質(zhì)譜檢漏儀和測試計算機等組成。小型密封容器可收集有源漏孔泄漏出的氦氣，用于模擬航天器檢漏容器；有源漏孔自帶氣室，可向小型密封容器內持續漏出氦氣，用于模擬航天器密封系統在檢漏容器內的泄漏；無(wú)源漏孔安裝在小型密封容器上使小型密封容器獲得不同的漏率，用于模擬檢漏容器的不同泄漏狀態(tài)。試驗系統原理圖見(jiàn)圖1，主要儀器設備性能參數見(jiàn)表1。
圖1 試驗系統原理圖
表1 試驗系統所用儀器設備
2.2、試驗方案
2.2.1、試驗環(huán)境
將試驗系統置于航天器總裝大廳內，以獲得與航天器密封系統總漏率測試時(shí)相同的測試環(huán)境，避免因測試環(huán)境的差異帶來(lái)的影響。
2.2.2 試驗原理
按圖1 搭建試驗系統，在大氣環(huán)境下密封小型密封容器后，對容器內的氦濃度進(jìn)行測試并開(kāi)始計時(shí)，在1 個(gè)測試周期(24 h)內，對容器內的氦氣濃度至少進(jìn)行5 次測試，測得的數據通過(guò)最小二乘法可得到容器內的氦濃度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，其表達見(jiàn)公式(4)。
將k 稱(chēng)為漏率斜率，則容器內氦氣濃度增量Δγ 隨時(shí)間的變化關(guān)系，見(jiàn)公式(5)。
將小型密封容器的容積記為V，當容器內的氦分壓增量ΔPHe<<P1 時(shí)，有源漏孔漏率Q 的計算見(jiàn)公式(6)。
由公式(6)可知，當小型密封容器無(wú)泄漏時(shí)，有源漏孔的真實(shí)漏率Q0=k0P1V；當小型密封容器有泄漏時(shí)，假設因泄漏造成的容器內壓力變化與P1相比可忽略不計，則有源漏孔的測試漏率Qi=kiP1V；因此小型密封容器泄漏造成的有源漏孔漏率的測試相對誤差ηi 的計算見(jiàn)公式(7)。
因此，通過(guò)試驗得到有源漏孔在小型密封容器不同泄漏情況下的漏率斜率，經(jīng)過(guò)比較和計算即可得到容器的密封性能對有源漏孔漏率測試的影響。
2.2.3、試驗步驟
首先在總裝大廳內，與航天器密封系統總漏率測試相同的環(huán)境下進(jìn)行試驗，步驟如下：
a)小型密封容器不接無(wú)源漏孔，即無(wú)泄漏情況下，有源漏孔的標稱(chēng)漏率斜率k0 的測試；
b)小型密封容器依次接入不同漏率的無(wú)源漏孔，使小型密封容器獲得不同的泄漏量Qi，在此情況下進(jìn)行有源漏孔漏率斜率k0i 的測試。
其次，預先向小型密封容器內充入2 kPa 的氮氣，使小型密封容器內壓力高于環(huán)境大氣壓力，在此極限情況下，進(jìn)行小型密封容器不同泄漏量Qi時(shí)有源漏孔漏率斜率k1i 的測試。
3、試驗
3.1、密封容器無(wú)泄漏時(shí)k0 測試
試驗系統不接無(wú)源漏孔，即小型密封容器近似無(wú)泄漏，通過(guò)試驗獲得的有源漏孔的氦濃度-時(shí)間曲線(xiàn)及標稱(chēng)漏率斜率k0 見(jiàn)圖2。圖中氦濃度是試驗系統中氦質(zhì)譜檢漏儀測得的漏率值，是氦濃度大小的間接反映，與實(shí)際氦濃度存在固定的倍數關(guān)系。
由圖2 可得，當小型密封容器無(wú)泄漏時(shí)，有源漏孔的標稱(chēng)漏率斜率k0=2.436×10-14。此斜率為基準斜率，當小型密封容器接入不同的無(wú)源漏孔后，因泄漏的影響，必然會(huì )使測得的斜率值偏離基準斜率。
圖2 k0 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
3.2、密封容器有泄漏時(shí)k0i 測試
3.2.1、密封容器接無(wú)源漏孔
先后將無(wú)源漏孔1、無(wú)源漏孔2 接入小型密封容器，通過(guò)試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)及漏率斜率k01、k02，分別見(jiàn)圖3 和圖4。
圖3 k01 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
圖4 k02 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
由表1 可知，小型密封容器接入無(wú)源漏孔1，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為370 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的1.8 倍；小型密封容器接入無(wú)源漏孔2，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為600 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的3倍。由上圖可得，有源漏孔的漏率斜率k01=2.418×10-14，k02=2.404×10-14， 根據公式7 可得到η01=0.7%，η02=1.3%，即此2 種泄漏情況下，有源漏孔的漏率斜率與標稱(chēng)漏率斜率k0 的相對誤差均不大于5%，說(shuō)明檢漏容器的泄漏量為目前允許漏率的3 倍時(shí)，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。
3.2.2、密封容器接準4×40 通孔
為驗證檢漏容器在大泄漏量下對總漏率測試影響不大于5%的結論，在小型密封容器上接入準4×40 的通孔，通過(guò)試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)及漏率斜率k03 見(jiàn)圖5。
圖5 k03 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
小型密封容器接入準4×40 的通孔后，無(wú)法在容器內部建立高于環(huán)境大氣的壓力，即容器的泄漏遠大于充氣2 kPa、保壓24 h 壓降為2 kPa的情況。由圖5 可知，有源漏孔的漏率斜率k03=2.328×10-14，根據公式7 可得到η03=4.4%，即此狀況下有源漏孔的漏率斜率與標稱(chēng)漏率斜率k0 的相對誤差不大于5%，由此說(shuō)明檢漏容器的泄漏量至少為目前允許漏率的10 倍時(shí)，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。
3.3、極限情況下測試
分別將無(wú)源漏孔3、無(wú)源漏孔2 接入小型密封容器，向容器內預充入2 kPa 的氮氣后，通過(guò)試驗獲得的有源漏孔的氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)及漏率斜率k11、k12，分別見(jiàn)圖6 和圖7。
圖6 k11 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
圖7 k12 氦濃度- 時(shí)間曲線(xiàn)
由表1 可知，小型密封容器接入無(wú)源漏孔3，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為230 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的1.1 倍；小型密封容器接入無(wú)源漏孔2，則容器充氣2 kPa、保壓24 h 后的壓降值為600 Pa，為目前檢漏容器允許漏率的3倍。由上圖可得，有源漏孔的漏率斜率k11=2.391×10-14，k02=2.369×10-14， 根據公式7 可得到η11=1.8%，η12=2.7%，即此2 種極限情況下，有源漏孔的漏率斜率與標稱(chēng)漏率斜率k0 的相對誤差均不大于5%，說(shuō)明在測試的起始時(shí)刻檢漏容器內部壓力高于環(huán)境大氣壓2 kPa 且檢漏容器的泄漏量為目前允許漏率的3 倍時(shí)，由檢漏容器的泄漏引起的總漏率測試的相對誤差不大于5%。此狀態(tài)為假設的極限狀況，在航天器總漏率測試中不可能存在，其測試的相對誤差大于相同試驗系統下正常條件下測試的相對誤差。
4、結論
通過(guò)分析非真空氦質(zhì)譜累積法進(jìn)行航天器密封系統總漏率測試時(shí)，檢漏容器內氣體壓力、氦氣濃度變化與總漏率測試結果之間的關(guān)系，并通過(guò)試驗驗證，得出以下結論：在大氣環(huán)境下進(jìn)行航天器密封系統總漏率測試時(shí)，若檢漏容器漏率滿(mǎn)足充壓2 kPa、壓降不大于2 kPa/24 h 的要求，則密封容器的泄漏對總漏率測試結果的影響不大于5%。對比目前對檢漏容器的密封要求，提出以下建議：
a)對只具有檢漏功能的檢漏容器，放寬漏率要求至充壓2 kPa、壓降不大于2 kPa/24 h；
b)對同時(shí)具有運輸包裝箱功能的檢漏容器維持現有要求，即充壓2 kPa、壓降不大于200 Pa/24 h。
