目前航天器總裝期間的泄漏檢測內(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�？诞a(chǎn)品，而航天器系統(tǒng)總漏率測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試方法和測試系統(tǒng)。

1、航天器總漏率檢漏原理

　　航天器系統(tǒng)總漏率的測試原理是非真空氦質(zhì)譜累積法，測試方法為先用氦質(zhì)譜檢漏儀測試收集室(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)上建立的總漏率測試系統(tǒng)如圖1所示�？偮┞蕼y試系統(tǒng)主要由檢漏儀、測試計(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。該測試系統(tǒng)可以測試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)有航天器泄漏檢測任務(wù)需求。

圖1 航天器總漏率測試系統(tǒng)

2、總漏率測試系統(tǒng)

　　現(xiàn)有航天器總漏率檢測檢漏儀是北京衛(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)口檢漏儀總漏率測試方法進(jìn)行了研究，通過研制進(jìn)口檢漏儀的總漏率測試系統(tǒng)，使得進(jìn)口檢漏儀既可以進(jìn)行單點(diǎn)漏率測試，又可以進(jìn)行航天器總漏率測試工作。

　　本文選取數(shù)量較多的萊寶檢漏儀作為總漏率測試系統(tǒng)研究對(duì)象，因此總漏率測試系統(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試過程中的初值、終值和樣值的測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、總漏率測試核心設(shè)備

　　總漏率測試系統(tǒng)中核心硬件設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)氣罐柜，該設(shè)備完成了總漏率測試的絕大多數(shù)工作，如標(biāo)準(zhǔn)氣體的取樣、待測氣體的取樣(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、測試參數(shù)的設(shè)置和修改、測試數(shù)據(jù)的計(jì)算、測試數(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 總漏率測試軟件主界面

　　航天器總漏率測試的步驟是：測試初值(本底值)，測試終值(泄漏累積反應(yīng)值)，測試樣值(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、測試階段、時(shí)間、總漏率測試曲線以及測試相關(guān)的確認(rèn)按鈕。自研的總漏率測試軟件界面不僅能夠清晰明確反映出測試過程和儀器設(shè)備的狀態(tài)，而且便于操作和測試過程的監(jiān)控。

　　測試過程中產(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)比測試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證L300和ZQJ-291H檢漏儀測試結(jié)果，進(jìn)行總漏率測試試驗(yàn)。測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。測試過程為：收集室大門關(guān)閉后測試初值;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)，待濃度均勻后測試樣值，測試結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 ZQJ-291H測試初值、終值和樣值結(jié)果圖

圖7 L300測試初值、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檢漏儀的總漏率測試系統(tǒng)測試的準(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檢漏儀的總漏率測試靈敏度優(yōu)于1×10-6Pa·m3/s。

表1 測試結(jié)果1#對(duì)照表

表2 測試結(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)譜總漏率泄漏檢測方法和技術(shù)進(jìn)行研究，研制了一種航天器總漏率測試方法和測試系統(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試方法和測試系統(tǒng)具有測量精度高(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)品總漏率測試的工業(yè)應(yīng)用，如航天器總漏率檢測、電池泄漏檢測、電子元器件泄漏檢測以及各類高精尖產(chǎn)品的泄漏檢測工作。