新型空間電推進(jìn)技術(shù)具有高比沖、小推力、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，將廣泛應(yīng)用于新一代衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中。由于氙氣具備較低的電離能和較高的原子能量，是電推進(jìn)主要的推進(jìn)劑。針對(duì)衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣供給子系統(tǒng)在加注氙氣過程中可能造成的泄漏，研制了氙氣泄漏檢測設(shè)備。通過介紹設(shè)備結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)、檢測方法等相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，給出了設(shè)備的性能測試結(jié)果。測試結(jié)果表明：研制的氙氣泄漏檢測設(shè)備完全能夠滿足電推進(jìn)系統(tǒng)加注氙氣時(shí)泄漏檢測的技術(shù)要求。

引言

　　離子電推進(jìn)是利用電能加熱、離解和加速工質(zhì)形成高速射流而產(chǎn)生推力的技術(shù)。此技術(shù)具有高比沖、小推力、長壽命等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)正適合于航天器對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出的高速飛行、長期可靠工作和克服較小阻力的要求。氙氣具有較低電離能和較高原子質(zhì)量，因此通常用氙氣作為離子電推進(jìn)的推進(jìn)劑。電推進(jìn)技術(shù)的核心部件離子推力器利用電子轟擊氙原子產(chǎn)生氙離子，氙離子在電磁場的約束下，通過柵極加速，高速噴出而產(chǎn)生推力。

　　氙氣加注是由氙氣供給子系統(tǒng)完成的。氙氣貯存在貯箱中，經(jīng)過壓力控制系統(tǒng)將貯箱中氙氣輸送到多路流量控制系統(tǒng)中的每一路推力器中。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為氙氣的儲(chǔ)量將直接影響電推進(jìn)的使用壽命。氙氣加注在發(fā)射場進(jìn)行，加注管路的密封性能、氙氣的純度均由氙氣供給子系統(tǒng)保證。為了確保加注過程可靠，衛(wèi)星能夠在軌長壽命運(yùn)行，保證加注人員人身安全以及降低加注成本，需要對(duì)加注過程中氙氣泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

1、氙氣泄漏檢測方法與設(shè)備

　　1.1、幾種氙氣泄漏檢測方法的比較

　　根據(jù)技術(shù)要求，氙氣泄漏檢測設(shè)備應(yīng)該能夠檢測出泄漏在空氣中的氙氣濃度，泄漏量等內(nèi)容。目前常用和成熟的有三種方法：

　　(1)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法。該方法具有定量測量精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，是一種常用的大型分析儀器。在醫(yī)學(xué)研究中，利用該儀器測量血液中的氙濃度。其方法是利用He載氣將樣品引入毛細(xì)管進(jìn)行色譜分析，質(zhì)譜測量129 m/e和132 m/e峰，儀器的測量下限為2×10^-6 Pa；

　　(2)熱導(dǎo)傳感器法。利用不同氣體熱傳導(dǎo)率不同，在不同濃度下改變電阻原理而制成的傳感器，通過電信號(hào)測量檢測該氣體的濃度。類似這種測量儀器如：氫濃度測量儀、CO報(bào)警器等。AP-G-氙氣-2是氙檢測儀，用于醫(yī)用麻醉的氙泄漏檢測，儀器分辨為0.1%；

　　(3)質(zhì)譜檢測法。利用不同氣體具有不同質(zhì)量的特點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)譜分析。質(zhì)譜計(jì)可測量氙氣的同位素峰132 m/e峰的強(qiáng)度并利用氙氣-氮?dú)?氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體驗(yàn)證，可以測量空氣中的氙氣濃度，采用高性能四極質(zhì)譜計(jì)可以測量空氣中氙氣的同位素峰。對(duì)上述氙氣檢測方法的比較，如表1所列。

表1 幾種氙氣檢測方法比較

　　通過表1的綜合比較，擬采用四極質(zhì)譜計(jì)法對(duì)氙氣進(jìn)行泄漏檢測。四極質(zhì)譜計(jì)法鑒別能力強(qiáng)，設(shè)備體積重量適中，非常適合用于發(fā)射場氙氣加注現(xiàn)場泄漏檢測。

　　1.2、設(shè)備結(jié)構(gòu)

　　氙氣泄漏檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括四極質(zhì)譜計(jì)、高真空抽氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等5部分。

圖1 氙氣泄漏檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1. 四極質(zhì)譜計(jì)電源；2. 四極質(zhì)譜計(jì)探頭；3. PKR251 型真空規(guī)；4. 質(zhì)譜室；5. 針閥；6. 標(biāo)準(zhǔn)氣體；7. 取樣管；8. 切換閥門；9. 機(jī)架；10. 取樣泵；11. 前級(jí)泵；12. 渦輪分子泵；13. 真空計(jì)；14. 計(jì)算機(jī)

　　1.3、設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

　　設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)為：

　　(1)質(zhì)譜室的極限壓力≤5×10^-5 Pa，10 min內(nèi)壓力波動(dòng)小于10%；

　　(2)質(zhì)譜室工作壓力范圍：1×10^-3～5×10^-3 Pa；

　　(3)啟動(dòng)時(shí)間：質(zhì)譜室保持真空條件下，高真空系統(tǒng)啟動(dòng)30 min后質(zhì)譜室壓力<1×10^-4 Pa；

　　(4)設(shè)備總漏率<5×10^-9 Pa·m³/s

　　(5)氙氣最小可檢濃度：體積濃度<1×10^-5。

2、氙氣泄漏檢測設(shè)備性能測試

　　2.1、質(zhì)譜室性能測試

　　(1)質(zhì)譜室極限壓力測試。質(zhì)譜室極限壓力是對(duì)質(zhì)譜室經(jīng)過一系列烘烤除氣手段和較長時(shí)間抽氣之后，能達(dá)到的最低壓力值。用真空計(jì)進(jìn)行測試；

　　(2)質(zhì)譜室壓力穩(wěn)定度測試。壓力穩(wěn)定度是在設(shè)備工作條件下，質(zhì)譜室工作壓力的波動(dòng)與工作壓力之比。測試方法為：在質(zhì)譜室壓力小于1×10^-5 Pa時(shí)，通過調(diào)節(jié)針閥5進(jìn)樣，使壓力維持在工作壓力范圍內(nèi)，記錄壓力和時(shí)間的變化曲線。在10 min時(shí)間段內(nèi)，測量壓力波動(dòng)的偏差值與工作壓力之比即為壓力波動(dòng)；

　　(3)質(zhì)譜室工作壓力范圍測試。質(zhì)譜室工作壓力是質(zhì)譜室達(dá)到極限壓力后，通過調(diào)節(jié)針閥進(jìn)樣，使質(zhì)譜室壓力在設(shè)計(jì)的工作壓力范圍(1×10^-3～5×10^-3 Pa)內(nèi)變化，能維持質(zhì)譜室的正常工作；

　　(4)啟動(dòng)時(shí)間測試。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間是指在設(shè)備初始狀態(tài)下，從開機(jī)到質(zhì)譜室壓力維持在工作壓力范圍內(nèi)所需的時(shí)間。

　　2.2、設(shè)備總漏率測試

　　設(shè)備總漏率測試是指通過氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)質(zhì)譜室總體進(jìn)行檢漏得到的漏率值。測試方法為：將設(shè)備與氦質(zhì)譜檢漏儀通過接口連接，標(biāo)準(zhǔn)漏孔安裝在質(zhì)譜室上，按照氦質(zhì)譜真空檢漏方法對(duì)質(zhì)譜室進(jìn)行總漏率測試。

　　2.3、氙氣泄漏檢測設(shè)備最小可檢濃度測試

　　由于氙氣是化學(xué)穩(wěn)定的惰性氣體，具有明顯的特征峰，因此不會(huì)與空氣起反應(yīng)，空氣中氣體成分的質(zhì)譜峰對(duì)氙氣的質(zhì)譜峰并不干擾。通過測量132 u的離子流變化和濃度的增值，判斷氙氣是否泄漏及泄漏量。設(shè)備最小可檢濃度的具體操作方法及步驟如下：

　　(1)設(shè)備加電，啟動(dòng)前級(jí)泵，待質(zhì)譜室壓力小于1.2×10² Pa，啟動(dòng)分子泵；

　　(2)待質(zhì)譜室內(nèi)壓力小于1×10^-4 Pa，用網(wǎng)線連接計(jì)算機(jī)與質(zhì)譜計(jì)；

　　(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)與質(zhì)譜計(jì)，啟動(dòng)質(zhì)譜計(jì)控制軟件，確保計(jì)算機(jī)與質(zhì)譜計(jì)正常通信；

　　(4)啟動(dòng)取樣泵，調(diào)節(jié)取樣閥進(jìn)樣，將質(zhì)譜室壓力控制在1×10^-3～5×10^-3 Pa范圍內(nèi)；

　　(5)在計(jì)算機(jī)軟件中設(shè)置開啟質(zhì)譜計(jì)燈絲與倍增器，啟動(dòng)多離子掃描模式，設(shè)置掃描M=132 u峰；

　　(6)觀察波形變化和波峰顯示情況，記錄氙氣本底噪聲IN和本底峰強(qiáng)度的穩(wěn)定值I′132；

　　(7)配制不同濃度的氙氣-空氣混合氣體(標(biāo)準(zhǔn)氣體)C132；

　　(8)當(dāng)設(shè)備處于最佳工作參數(shù)時(shí)，將步驟(7)配制好的標(biāo)準(zhǔn)氣體引入質(zhì)譜室中，測量M=132 u峰的離子流強(qiáng)度I132。設(shè)備對(duì)氙的最小可檢濃度λmin 計(jì)算為式(1)：

　　式中：C132為混合氣體中氙氣的濃度，由下表2配制得出；

　　(9)重復(fù)上述操作，即可得出氙氣最小可檢濃度。表2中1號(hào)氙氣為已知濃度的氙氣-氮?dú)?氧氣混合氣體(標(biāo)準(zhǔn)氣體)，其余為配制的氙氣-氮?dú)?氧氣混合氣體(標(biāo)準(zhǔn)氣體)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證即可獲得設(shè)備最小可檢濃度。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：氙氣加注泄漏檢測設(shè)備可以檢測到的最小濃度為1.0×10^-7。氙氣泄漏檢測設(shè)備實(shí)測技術(shù)指標(biāo)如表3所列。

表2 氙氣加注泄漏檢測設(shè)備最小可檢濃度

表3 氙氣泄漏檢測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

3、結(jié)論

　　氙氣泄漏檢測設(shè)備經(jīng)過性能測試，技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。其中最小可檢濃度的測量下限達(dá)到1×10^-7。設(shè)備的靈敏度范圍在1×10^-7～1×10^-1之間，此靈敏度范圍可以檢測出小于1×10^-6 Pa·m³/s的漏孔，滿足氙氣供給子系統(tǒng)漏率指標(biāo)要求。然而，氙氣泄漏檢測設(shè)備檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還需要通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。因此樣品的采集很重要，除了取樣管的材質(zhì)、尺寸、長度有嚴(yán)格要求之外，還需對(duì)配制標(biāo)準(zhǔn)氣體的儀器氣密性、穩(wěn)定性嚴(yán)格把關(guān)，同時(shí)還需要具有精確測量壓力的儀器。

　　氙氣泄漏檢測設(shè)備為靶場氙氣供給子系統(tǒng)加注氙氣提供保障，可以避免因泄漏引起的各種不安全因素。目前，該設(shè)備已正式交用戶方驗(yàn)收，很快將應(yīng)用于發(fā)射場電推進(jìn)氙氣加注過程中的泄漏檢測。