航天器的總漏率測試一般采用氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法，為了提高總漏率測試的準(zhǔn)確度，對目前航天器總漏率測試過程放樣時(shí)間對測試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究分析，并對總漏率計(jì)算公式提出相應(yīng)的修正。

　　航天器的密封性能指標(biāo)是衡量航天器質(zhì)量高低的一個(gè)重要參數(shù)，它直接關(guān)系到航天器發(fā)射和在軌運(yùn)行的成功與否。氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法是目前航天器總裝階段總漏率測試采用的最主要的檢漏方法。該方法已經(jīng)使用將近20年，成功完成了近百顆衛(wèi)星和飛船的總漏率測試任務(wù)。在多年的測試實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法在測試航天器總漏率時(shí)真值與測量值間的誤差會(huì)隨著航天器漏率增大而增大。為找到誤差來源并解決該問題本文特對航天器總漏率測試過程進(jìn)行分析研究，研究放樣時(shí)間對測試結(jié)果的影響，并對總漏率計(jì)算公式提出修正，以期能提高航天器總漏率測試的準(zhǔn)確度。

1、測試系統(tǒng)工作原理

　　航天器總漏率測試系統(tǒng)由收集容器、循環(huán)泵、截止閥、流量計(jì)、檢漏閥、標(biāo)準(zhǔn)氣體、檢漏儀及連接管路等組成，其工作原理如圖1 所示。測試系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)氣體循環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)氣體、流量計(jì)及相應(yīng)的管道)和被測氣體循環(huán)(收集容器、循環(huán)泵及相應(yīng)的管道)兩部分組成，標(biāo)準(zhǔn)氣的流量靠流量計(jì)來調(diào)節(jié)，被測氣體流量由循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)。其中檢漏閥是控制進(jìn)入檢漏儀的氣體量，閥門開度過大，檢漏儀達(dá)不到正常工作需要的真空度，無法正常工作;開度過小，進(jìn)入檢漏儀的氣量太小會(huì)降低測試的靈敏度，檢漏閥需要選擇合適的開度。標(biāo)準(zhǔn)氣體由氦氣和氮?dú)獍凑照�常大氣環(huán)境下空氣中的氦氣濃度配置而成，密封儲(chǔ)存在標(biāo)準(zhǔn)氣瓶中，用來對檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)操作，確保檢漏儀對相同的氣體有相同的反應(yīng)值。

圖1 氦質(zhì)譜大氣累積檢漏法的測試原理圖

2、測試過程

　　測試時(shí)將被檢件充入一定壓力(與被檢件工作壓力一致)的氦氣，放入密閉的收集容器中，當(dāng)收集容器內(nèi)氣體擴(kuò)散混合均勻后(如果收集容器較大，可采用風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等進(jìn)行攪拌)，測試收集容器內(nèi)的氦濃度本底值。具體操作是，先打開標(biāo)準(zhǔn)氣體的閥門，用標(biāo)準(zhǔn)氣體對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，使儀器對標(biāo)準(zhǔn)氣體反應(yīng)的值作為基準(zhǔn)值;在此狀態(tài)下通過切換兩個(gè)截止閥測試容器內(nèi)的氦濃度本底相對于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為總漏率的初值μ1，并記錄測試時(shí)間t1。如果需要測試較小的差值可利用檢漏儀的清零或調(diào)零功能，將標(biāo)準(zhǔn)氣體作為零點(diǎn)來進(jìn)行測試。

　　保持收集容器密封，如果被檢件有泄漏，會(huì)造成收集容器內(nèi)氦氣濃度的升高，為了能夠測量到氦濃度變化量，需要累積一定時(shí)間t(航天器檢漏過程中一般需要累積24 h)。通過風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的氣體混合均勻后，先用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器，確保儀器對標(biāo)準(zhǔn)氣體反應(yīng)的值同測試總漏率初值的基準(zhǔn)值一致，確保檢漏儀在相同的狀態(tài)下進(jìn)行測量，再測試收集容器內(nèi)的氦濃度相對于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為總漏率的終值μ2，并記錄測試時(shí)間t2。

　　終值測試結(jié)束后，進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定工作，為了保證測試與標(biāo)定過程的狀態(tài)一致，不打開收集容器，將已知壓力和體積氣體量(P0V0)的純氦氣注入收集容器內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)攪拌使收集容器內(nèi)的大氣混合均勻后，用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器，方法同測試初值一樣，測試收集容器內(nèi)的氦濃度相對于標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為樣值μ3，并記錄測試時(shí)間t3。則被檢件的總漏率Q 的計(jì)算公式如(1)所示。

3、放樣時(shí)間對測試結(jié)果的影響

　　在航天器檢漏過程中，終值測試結(jié)束后到測試放樣值這段時(shí)間，被檢件維持自身的漏率在繼續(xù)泄漏，為了對此部分的泄漏進(jìn)行詳細(xì)分析，假設(shè)從終值測試結(jié)束到樣值測試結(jié)束的時(shí)間段(t3- t2)，被檢件的泄漏為線性關(guān)系，此段時(shí)間的泄漏值μ'

　　被檢件的真實(shí)漏率Q'

　　由公式(1)、(2)、(3)聯(lián)立可得到公式(4)：

　　為了更加容易看出測試漏率值Q 與真實(shí)漏率值Q' 之間的關(guān)系，對公式(4)進(jìn)行變換，得到公式(5)：

　　根據(jù)目前航天器檢漏實(shí)踐， 再結(jié)合公式(5)，在航天器檢漏過程中放樣量通常取P0V0 為0.5 MPa×18 mL，檢漏累積時(shí)間(t2- t1)為24 h，放樣時(shí)間(t3- t2)為1 h。則測試漏率值與航天器的真實(shí)漏率值之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 航天器測試漏率與真實(shí)漏率之間的關(guān)系

　　由圖2 可以看出當(dāng)航天器的漏率小于10^{- 4} Pa·m³/s 量級時(shí)測試漏率值與真實(shí)漏率值曲線基本重合，即兩者之間的誤差較小;當(dāng)航天器的漏率值大于10^{- 4} Pa·m³/s 量級時(shí)測試漏率值與真實(shí)漏率值曲線誤差逐漸增加并迅速變大，并且測試漏率值不再呈現(xiàn)線性變化;當(dāng)航天器的漏率值大于10^{- 2} Pa·m³/s 量級時(shí)測試漏率值嚴(yán)重偏離真實(shí)值。航天器產(chǎn)品測試過程中，不同量級下的測試值與航天器真實(shí)泄漏值的誤差變化，如表1 所示。通過表1 可以看出真實(shí)漏率在從10^{- 6} Pa·m3/s 至10^{- 2} Pa·m³/s 之間增加時(shí)，相對誤差值也在逐漸增加，當(dāng)測試量級為10^{- 2} Pa·m³/s時(shí)，相對誤差已經(jīng)接近100%。

表1 真實(shí)漏率與測試漏率之間的誤差關(guān)系

　　根據(jù)目前航天器檢漏經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)航天器的總漏率真值是1×10^{- 4} Pa·m³/s，檢漏過程中的放樣量為0.5 MPa×18 mL，則放樣時(shí)間與總漏率測試值和總漏率真實(shí)值之間的關(guān)系，如圖3 所示。由圖3 可知放樣時(shí)間越長，測量值就會(huì)越小，測量結(jié)果與真值之間的誤差就越大。這是因?yàn)樵诜艠訒r(shí)間內(nèi)，航天器泄漏仍在繼續(xù)，而新泄漏出來的示漏氣體量并沒有計(jì)算到終值結(jié)果內(nèi)，而是被當(dāng)做放樣量的一部分，使得放樣量高于真值要求，所以航天器泄漏量越大，測量結(jié)果與真值之間誤差也就越大。

圖3 放樣時(shí)間對總漏率測試的影響

4、結(jié)束語

　　通過以上分析，可以得到以下結(jié)論：

　　(1) 造成航天器檢漏測試過程中的測試不準(zhǔn)確的眾多影響因素中，放樣時(shí)間是一個(gè)重要的影響因素，在測試過程中必須盡量縮短放樣時(shí)間;

　　(2) 通過對原有的航天器總漏率計(jì)算公式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其真實(shí)漏率略大于測試漏率，當(dāng)放樣時(shí)間小于1 h，測試小于10^{- 4} Pa·m³/s 量級漏率值時(shí)，相對誤差范圍在工程應(yīng)用中可以接受，而在測試大于10^{- 4} Pa·m³/s 量級漏率值時(shí)，相對誤差太大，需要進(jìn)行修正;

　　(3) 在未來的航天器檢漏測試過程中采用公式(4)對總漏率測試值進(jìn)行修或采取公式(3)進(jìn)行總漏率計(jì)算能提高測試值的準(zhǔn)確性。