大型空間環(huán)境模擬器熱沉泄漏定位方式研究
熱沉作為空間環(huán)境模擬器的重要組成部分，其內(nèi)表面涂以高吸收率的黑漆，內(nèi)部通液氮，在航天器熱試驗(yàn)過(guò)程中起著模擬空間冷黑環(huán)境的關(guān)鍵作用，一旦泄漏不但熱試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，甚至可能對(duì)航天器造成危害。本文針對(duì)大型環(huán)境模擬器熱沉泄漏的定位方式進(jìn)行研究，得出了在熱沉泄漏早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏部位的方法，并將其應(yīng)用在KM6空間環(huán)境模擬器上，取得了良好的效果。
空間冷黑環(huán)境是空間環(huán)境模擬設(shè)備中必不可少的模擬環(huán)境條件之一。在太空中衛(wèi)星所遇到的是等效溫度為3K和吸收率近似為1的空間環(huán)境，它不僅意味著衛(wèi)星發(fā)出的任何能量都將被周?chē)h(huán)境全部吸收，而且這個(gè)無(wú)際空間給予它的能量幾乎等于零。這一冷黑環(huán)境又稱(chēng)之為熱沉環(huán)境，它將影響衛(wèi)星的熱性能和其內(nèi)部各種儀器工作的特性。因此衛(wèi)星發(fā)射前必須在地面模擬的冷黑環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證與檢驗(yàn)衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)與熱性能。為模擬空間冷黑環(huán)境，通常用鋁、銅或不銹鋼制成冷卻構(gòu)件，其內(nèi)部通液氮，內(nèi)表面涂以高吸收率的黑漆，這種裝置稱(chēng)為熱沉。
熱沉作為空間環(huán)境模擬器低溫流程的單點(diǎn)失效設(shè)備，其性能的好壞直接關(guān)系到熱試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，一旦試驗(yàn)過(guò)程中熱沉出現(xiàn)故障，例如泄漏(根據(jù)熱沉設(shè)計(jì)要求，一般其漏率應(yīng)優(yōu)于1.0×10-8Pa·m3/s)，整個(gè)熱試驗(yàn)將受到很大的影響，甚至可能對(duì)航天器造成危害。因此，如何在熱沉泄漏早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏部位，對(duì)其進(jìn)行有效處理，使其漏率不再進(jìn)一步增大，就顯得尤為重要。
1、熱沉異常情況分析
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空間環(huán)境模擬器啟動(dòng)階段，熱沉內(nèi)部壓力升高，溫度降低，對(duì)容器內(nèi)氣體吸附能力增強(qiáng)，容器真空度應(yīng)逐漸變好；空間環(huán)境模擬器停止階段，熱沉內(nèi)部壓力降低，溫度升高，對(duì)容器內(nèi)氣體吸附能力減弱，容器真空度應(yīng)逐漸變壞。
如果熱試驗(yàn)開(kāi)機(jī)與停機(jī)階段，出現(xiàn)容器真空度的異常變化，例如，熱試驗(yàn)開(kāi)機(jī)階段，隨著液氮泵的啟動(dòng)，熱沉內(nèi)部壓力升高，溫度降低，真空度變壞之后又變好，這說(shuō)明由于液氮泵的啟動(dòng)，熱沉內(nèi)部壓力升高，導(dǎo)致其漏率變大，容器真空度先變壞，然后隨著熱沉溫度的降低，其吸附氣體的能力增強(qiáng)，容器真空度又不斷變好；熱試驗(yàn)停機(jī)階段，隨著液氮泵的停止，熱沉內(nèi)部壓力降低，溫度升高，真空度變好之后又變壞，這說(shuō)明由于液氮泵的停止，熱沉內(nèi)部壓力降低，導(dǎo)致其漏率變小，容器真空度先變好，然后隨著熱沉溫度的不斷升高，吸附在其表面上的氣體大量析出，容器真空度又不斷變壞。
此外，也可以根據(jù)四極質(zhì)譜計(jì)測(cè)量的容器內(nèi)氮分壓的變化來(lái)判斷熱沉的泄漏情況，但是在空間環(huán)境模擬器的啟動(dòng)與停止階段，容器內(nèi)真空度一般較低，可能有時(shí)四極質(zhì)譜計(jì)無(wú)法開(kāi)啟。因此，如果熱試驗(yàn)開(kāi)機(jī)與停機(jī)階段，發(fā)現(xiàn)容器真空度稍有異常變化時(shí)，應(yīng)高度重視，找出原因，如果定位到是熱沉的問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)檢漏，找出泄漏部位，在其漏率還沒(méi)有影響熱試驗(yàn)進(jìn)行之前，及時(shí)處理，防止泄漏部位因反復(fù)使用，漏率不斷增大。
2、熱沉泄漏定位方式研究
通過(guò)分析，一旦確認(rèn)空間環(huán)境模擬器開(kāi)機(jī)與停機(jī)階段容器真空度的異常變化是由于熱沉泄漏所導(dǎo)致，就必須采取適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)熱沉進(jìn)行檢漏，準(zhǔn)確定位出泄漏部位，由于熱沉工作時(shí)一般承受0.3MPa~0.4MPa左右的壓力，因此考慮用氦質(zhì)譜吸槍法來(lái)定位漏點(diǎn)(氦質(zhì)譜吸槍法原理詳見(jiàn)2.1)，又空間環(huán)境模擬器的熱沉一般面積都相對(duì)較大(按照空間環(huán)境模擬設(shè)備的定義，模擬室直徑應(yīng)大于2m，其中KM6主容器熱沉有效直徑10.5m，有效高度16.9m，包括底部熱沉、下部熱沉、隔震平臺(tái)熱沉、活動(dòng)熱沉S1、活動(dòng)熱沉S2、運(yùn)動(dòng)模擬器熱沉、頸部熱沉、防污染板熱沉、中部熱沉、側(cè)門(mén)熱沉、上部熱沉、頂部熱沉等12個(gè)部分)，這么大面積的被檢件使用吸槍檢漏顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此我們考慮首先采用氦質(zhì)譜真空室法(氦質(zhì)譜真空室法原理詳見(jiàn)2.2)，分別對(duì)空間環(huán)境模擬器的各路熱沉進(jìn)行檢漏，初步判斷是哪一路(哪幾路)熱沉漏率不滿(mǎn)足要求，這樣就將大面積的被檢件變成了一路(幾路)小面積的被檢件了，然后，我們使用氦質(zhì)譜吸槍法在漏率不滿(mǎn)足要求的小面積熱沉上準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)即可。
2.1、氦質(zhì)譜吸槍法原理
氦質(zhì)譜吸槍法亦稱(chēng)充氦吸嘴法，是將被檢件預(yù)先抽成真空再對(duì)其內(nèi)部充入氦氣，然后用以軟管與檢漏儀相連的吸槍在被檢件外表面可疑處逐點(diǎn)掃描，若有漏孔，由被檢件內(nèi)流出的氦隨周?chē)諝庖黄鸨怀槿霗z漏儀，從而產(chǎn)生漏氣的輸出指示，其檢漏裝置如圖1所示。
1.檢漏儀；2.吸槍?zhuān)?.被檢件；4.氦氣瓶；5.軟管
圖1 氦質(zhì)譜吸槍法原理圖
2.2、氦質(zhì)譜真空室法原理
氦質(zhì)譜真空室法是將被檢容器放入一個(gè)真空室中，真空室與質(zhì)譜儀相連，如圖2所示。檢漏時(shí)，先用輔助泵將真空室抽至低真空，然后關(guān)閉輔助泵，打開(kāi)檢漏閥使真空室與早已抽至極限真空的質(zhì)譜室相通，儀器達(dá)到工作真空度后，將儀器調(diào)到檢漏工作狀態(tài)，然后被檢容器中充入氦氣(為提高濃度，有時(shí)用泵先將被檢容器抽空后再充氦氣)。當(dāng)儀器輸出指示數(shù)值增大時(shí)，證明被檢容器有漏，由輸出指示變化的大小可以確定被檢容器總漏率的大小，這種檢漏方法可以通過(guò)增加被檢容器中的氦壓力來(lái)降低有效最小可檢漏率。
1.檢漏儀；2.輔助閥；3.輔助泵；4.被檢容器；5.真空室；6.氦氣瓶
圖2 氦質(zhì)譜真空室法原理圖
3、KM6空間環(huán)境模擬器熱沉泄漏的定位
下面以KM6空間環(huán)境模擬器為例，詳細(xì)介紹了容器真空度異常變化的分析情況,以及采用氦質(zhì)譜真空室法與氦質(zhì)譜吸槍法相結(jié)合的檢漏方式準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)的過(guò)程。
3.1、異常情況分析
2011年7月-2012年1月，KM6空間環(huán)境模擬器三次整星熱試驗(yàn)開(kāi)機(jī)與停機(jī)階段，容器真空度均出現(xiàn)如上面第1部分所述的異常變化，表1詳細(xì)列出了試驗(yàn)啟停液氮泵前后容器真空度的變化情況，由表1可以看出，真空度在液氮泵開(kāi)機(jī)與停機(jī)階段不正常的變化是逐步出現(xiàn)的，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為熱沉有漏。
表1 液氮泵開(kāi)機(jī)停機(jī)階段真空度變化
3.2、檢漏總體方案
本次檢漏的目的是準(zhǔn)確找到漏點(diǎn)，對(duì)泄漏部位進(jìn)行有效的處理，使其漏率滿(mǎn)足后續(xù)熱試驗(yàn)的要求。被檢熱沉一共12路(包括底部熱沉、下部熱沉、隔震平臺(tái)熱沉、活動(dòng)熱沉S1、活動(dòng)熱沉S2、運(yùn)動(dòng)模擬器熱沉、頸部熱沉、防污染板熱沉、中部熱沉、側(cè)門(mén)熱沉、上部熱沉、頂部沉)而且每路沉的表面積非常大，根據(jù)第2部分的研究結(jié)論，應(yīng)首先采用氦質(zhì)譜真空室檢漏法確定是哪一路熱沉漏率不符合要求，然后采氦質(zhì)譜吸槍法準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)記，采取有效措施，使其漏率滿(mǎn)足要求。
3.2.1、單路熱沉總體漏率檢測(cè)
采用氦質(zhì)譜真空室法，依次對(duì)12路熱沉進(jìn)行充壓，由于熱沉在熱試驗(yàn)過(guò)程中承受的壓力為0.3MPa~0.4MPa，本次檢漏模擬熱沉在熱試驗(yàn)過(guò)程中的承壓狀態(tài)，所以采取了每路熱沉通入0.3MPa混合氣體(氮?dú)馀c氦氣，氦氣濃度約為50%)的方式，檢漏系統(tǒng)如下圖3所示。具體檢漏過(guò)程如下：
(a)系統(tǒng)準(zhǔn)備
�、俚蜏叵到y(tǒng)氮?dú)庠淳邆涔鉅顟B(tài)；
②真空流程依次啟動(dòng)粗抽系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)(三臺(tái)低溫泵抽氣)將容器真空度抽到10-3 Pa量級(jí)；
③分別啟動(dòng)分子泵檢漏系統(tǒng)以及四極質(zhì)譜計(jì)，氦質(zhì)譜檢漏儀、四極質(zhì)譜計(jì)分別處于良好工作狀態(tài)；
�、艽べ|(zhì)譜檢漏儀本低穩(wěn)定后，具備檢漏狀態(tài)。
(b)系統(tǒng)靈敏度測(cè)試
檢漏時(shí)，開(kāi)啟三臺(tái)低溫泵、三臺(tái)TPH2200分子泵，檢漏儀與羅茨泵機(jī)組并聯(lián)，進(jìn)行分流檢漏。標(biāo)準(zhǔn)漏孔標(biāo)稱(chēng)值為2.0×10-6 Pa·m3/s，其在檢漏系統(tǒng)中的反應(yīng)值為1.20×10-7→3.30×10-7，檢漏靈敏度為1.9×10-7 Pa·m3/s。
(c)分別對(duì)12路熱沉通入0.3MPa的混合氣體(氦氣濃度約為50%)，保壓5min；
(d)分別觀(guān)察容器上四極質(zhì)譜計(jì)的氦氣分壓與氮?dú)夥謮褐�，以及氦質(zhì)譜檢漏儀的反應(yīng)值并記錄；
(e)12路熱沉全部檢漏完成后，對(duì)漏率不符合要求的熱沉進(jìn)行氦質(zhì)譜吸槍檢漏。
圖3 檢漏系統(tǒng)
3.2.2、漏點(diǎn)定位測(cè)試
對(duì)漏率不滿(mǎn)足熱試驗(yàn)要求的單路熱沉，采用氦質(zhì)譜吸槍法準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)。
具體檢漏過(guò)程如下：
(a)充入氦氣濃度不小于50%的混合氣體0.3MPa；
(b)檢漏儀本底穩(wěn)定后，利用吸槍在被檢熱沉外部進(jìn)行掃描，記錄檢漏儀的反應(yīng)值，找到漏點(diǎn)后進(jìn)行標(biāo)記。
3.3、檢漏結(jié)論
按3.2的檢漏總體方案對(duì)KM6空間環(huán)境模擬器的熱沉進(jìn)行檢漏，得出結(jié)論如下。
3.3.1、單路熱沉總體漏率檢測(cè)
單路熱沉總體漏率檢測(cè)結(jié)果主要包括兩個(gè)方面，分別為檢漏儀以及四極質(zhì)譜計(jì)的結(jié)果。
3.3.1.1、檢漏儀漏率測(cè)試
采用氦質(zhì)譜真空室法，依次對(duì)12路熱沉進(jìn)行充壓真空檢漏，其結(jié)果如下表所示。
表2 KM6熱沉檢漏數(shù)據(jù)
3.3.1.2、四極質(zhì)譜計(jì)漏率測(cè)試
下部熱沉加壓檢漏過(guò)程中，容器上四極質(zhì)譜計(jì)的氮分壓升高，如下圖4所示，氦分壓不變；其它11路熱沉檢漏過(guò)程中容器上四極質(zhì)譜計(jì)的氮分壓、氦分壓均無(wú)波動(dòng)，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了下部熱沉的漏率最大，因此應(yīng)對(duì)下部熱沉進(jìn)行漏點(diǎn)定位測(cè)試。
圖4 氮離子流隨時(shí)間變化示意圖
3.3.2、漏點(diǎn)定位測(cè)試
采用氦質(zhì)譜吸槍法對(duì)下部熱沉進(jìn)行檢漏，依次對(duì)可疑部位進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)KM6容器小門(mén)進(jìn)液管路波紋管連接處反應(yīng)值較大，從1.82×10-7 Pa·m3/s變化到7.50×10-5 Pa·m3/s，待檢漏儀恢復(fù)至本底后，對(duì)下部熱沉其它可疑部位進(jìn)行了檢漏，反應(yīng)值幾乎不變，可以認(rèn)為漏率滿(mǎn)足要求，至此漏點(diǎn)得到準(zhǔn)確定位。
4、結(jié)論
本文對(duì)大型空間環(huán)境模擬器熱沉早期泄漏的定位方式進(jìn)行了研究，提出采用氦質(zhì)譜真空室法與氦質(zhì)譜吸槍法相結(jié)合的檢漏方式，將大面積的熱沉檢漏變成一路或幾路小面積熱沉的漏率檢測(cè)，并將其應(yīng)用在了KM6空間環(huán)境模擬器上，取得了良好的效果。
