目前航天器總裝期間的泄漏檢測內(nèi)容主要有單點檢漏(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、英福康產(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。

　　因此航天器單點檢漏設備和系統(tǒng)檢漏設備屬于各自獨立的狀態(tài)，對于眾多的型號檢漏任務，需要配置更多的檢漏設備，增加工作成本。特別在發(fā)射場檢漏時需要將多臺檢漏儀運輸至基地，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)量風險，節(jié)約成本，增強檢漏儀技術(shù)掌握，對現(xiàn)有進口檢漏儀進行研究，研究并改進現(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的計算公式如(1)所示。

　　在此原理基礎上建立的總漏率測試系統(tǒng)如圖1所示。總漏率測試系統(tǒng)主要由檢漏儀、測試計算機、基準氣罐(或標準氣罐)、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)譜檢漏儀的基礎上進行改進的，適用于航天器總漏率測試任務。進口檢漏儀如萊寶、普發(fā)、愛發(fā)科等國外檢漏儀具有信號穩(wěn)定、性能可靠等優(yōu)點，但是其在非真空檢漏領域主要應用于各類單點檢漏，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。為了提升進口檢漏儀使用效率，擴大檢漏儀功能，我們對進口檢漏儀總漏率測試方法進行了研究，通過研制進口檢漏儀的總漏率測試系統(tǒng)，使得進口檢漏儀既可以進行單點漏率測試，又可以進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、標準氣罐柜、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。標準氣罐柜中集成了工控計算機、真空罐、循環(huán)泵、電磁閥、限流孔、過濾器以及真空管道組成。通過工控計算機內(nèi)運行自研的檢漏軟件，控制標準氣罐內(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算、存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等工作。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3、總漏率測試核心設備

　　總漏率測試系統(tǒng)中核心硬件設備是標準氣罐柜，該設備完成了總漏率測試的絕大多數(shù)工作，如標準氣體的取樣、待測氣體的取樣(又稱樣氣)、標準氣體和樣氣的切換、將氣體壓力由一個大氣壓降壓至幾Pa、測試參數(shù)的設置和修改、測試數(shù)據(jù)的計算、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。標準氣罐柜的實物如圖3所示。標準器罐整體外形設計美觀，符合一定的人體工程力學，操作方便、容易。標準氣罐的前面裝有工控計算機，用來控制內(nèi)部電磁閥和循環(huán)泵，并實時顯示漏率數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢;控制柜的下方裝有標準氣罐，用于密封一定體積的空氣(可以簡稱為標準氣);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 標準氣罐柜的實物圖

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，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)設置功能主要用于設置每次檢漏任務的任務號、測試階段、操作者、基準值、標底值、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)采集進軟件內(nèi)并對部分硬件進行控制。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，進行數(shù)據(jù)比對，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(泄漏累積反應值)，測試樣值(標準樣氣反應值)，然后再通過計算公式，計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)存儲和數(shù)據(jù)歷史查詢、顯示等功能。軟件主界面中包含了當前檢漏儀的漏率值、檢漏口壓力、測試階段、時間、總漏率測試曲線以及測試相關(guān)的確認按鈕。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)和最后計算結(jié)果存儲在SQL的數(shù)據(jù)庫里，可以在“列表數(shù)據(jù)”和“圖形數(shù)據(jù)”中進行查詢。其中“圖形數(shù)據(jù)”中存儲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，共計有27種組合，并可以計算出選擇組合的總漏率值，計算結(jié)果可以進行保存。同時也可以將整個測試過程的數(shù)據(jù)從SQL數(shù)據(jù)庫中導出，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，在本界面中不能進行總漏率計算，只能進行總漏率計算結(jié)果的保存和查看。數(shù)據(jù)的導出功能和圖形數(shù)據(jù)界面中一樣。

5、測試結(jié)果

5.1、對比試驗系統(tǒng)搭建

　　為了驗證基于萊寶檢漏儀的總漏率測試系統(tǒng)的性能，隨機選取航天器單點檢漏常用的萊寶L300檢漏儀一臺。將標氣罐柜、L300檢漏儀和收集室(收集室尺寸為4223×4205×5200mm，體積約為88.32m3)進行連接。為了對比測試效果，將一臺ZQJ-291H檢漏儀分別與收集室和標氣罐柜進行連接。即L300檢漏儀和ZQJ-291H檢漏儀的標氣均取自標氣罐柜中的氣罐，共用同一標氣。試驗系統(tǒng)連接的實物圖，如圖5所示。

圖5 對比試驗系統(tǒng)的實物圖

5.2、對比測試結(jié)果

　　為了驗證L300和ZQJ-291H檢漏儀測試結(jié)果，進行總漏率測試試驗。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)風機，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)風機，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)分析對比

　　在比對試驗中將在收集室內(nèi)放置一臺正壓標準漏孔(CL004 編號：90001188073，校準值6.1×10-6Pa·m3/s)，使用正壓漏孔在收集室內(nèi)長時間累積試驗共做了2次，試驗數(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)測試的準確性、離散性、精度均高于ZQJ-291H檢漏儀。通過相關(guān)的公式計算得到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#對照表

表2 測試結(jié)果2#對照表

6、結(jié)語

　　本文對萊寶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)，并進行多次試驗驗證。試驗結(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，具有一定的工程應用價值。

　　同時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。