本文介紹了航天器單點(diǎn)檢漏過程中3 種常見的單點(diǎn)模型，并依據(jù)航天器泄漏設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)單點(diǎn)模型的示漏氣體濃度進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有的四極質(zhì)譜儀裝置GAM500 對(duì)單點(diǎn)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)說明四極質(zhì)譜儀可測(cè)漏率滿足航天器漏率設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可以應(yīng)用在航天器單點(diǎn)檢漏工藝中。

　　隨著航天任務(wù)不斷增加，航天器的檢漏工作量也隨之增加。目前航天器密封系統(tǒng)的檢漏試驗(yàn)設(shè)備主要采用氦質(zhì)譜檢漏儀，氦質(zhì)譜檢漏儀要求檢漏介質(zhì)只能為氦氣或氫氣，限制了其在航天器檢漏工作中的應(yīng)用。由于航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封結(jié)構(gòu)多且各自獨(dú)立，要求不同密封結(jié)構(gòu)要滿足不同的漏率指標(biāo)。氦質(zhì)譜儀測(cè)試系統(tǒng)總漏率一次只能準(zhǔn)確檢測(cè)一個(gè)密封系統(tǒng)，如果航天器的不同密封系統(tǒng)能夠充進(jìn)不同種示漏氣體，同時(shí)進(jìn)行檢漏，縮短了航天器的檢漏周期，但是此方法是氦質(zhì)譜檢漏儀無法實(shí)現(xiàn)的。四極質(zhì)譜儀可以同時(shí)分析殘余氣體里的多種成分，利用此特性研制相應(yīng)的檢漏設(shè)備，可以對(duì)充不同示漏介質(zhì)的航天器密封系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)檢漏，又可以同時(shí)對(duì)各密封系統(tǒng)進(jìn)行總漏率測(cè)試，最大限度的縮短了航天器檢漏周期。

　　目前將四極質(zhì)譜儀用于航天器非真空單點(diǎn)檢漏在國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究上還是空白。為了研究四極質(zhì)譜儀在航天器單點(diǎn)檢漏應(yīng)用中的可行性，本文對(duì)航天器單點(diǎn)模型和單點(diǎn)檢漏過程進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)對(duì)四極質(zhì)譜儀在航天器單點(diǎn)檢漏進(jìn)行驗(yàn)證。

1、單點(diǎn)檢漏模型分析

　　1.1、單點(diǎn)檢漏理論計(jì)算

　　航天器單點(diǎn)檢漏一般是指對(duì)航天器的管路焊縫、管路螺接點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥以及密封部件中局部區(qū)域進(jìn)行漏率測(cè)試。檢漏的原理是首先將航天器或管路內(nèi)充相應(yīng)壓力的示漏氣體，然后用材料對(duì)被檢處進(jìn)行包覆，構(gòu)成一個(gè)密閉空間(簡(jiǎn)稱收集室)，用來收集焊縫或螺接點(diǎn)泄露出來的示漏氣體。通過檢漏儀器測(cè)試收集示漏氣體的濃度變化率，再測(cè)試相同環(huán)境下的正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的濃度變化率，將兩測(cè)試值進(jìn)行比對(duì)，可以得到被測(cè)漏點(diǎn)(或漏孔)的具體漏率值，其計(jì)算公式如(1)所示。

　　公式中的Q 是被測(cè)漏點(diǎn)的實(shí)測(cè)漏率，單位為Pa·m³/s；I1 是被測(cè)點(diǎn)濃度響應(yīng)值，單位為A；I0 是正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔響應(yīng)值，單位為A；Q0 是標(biāo)準(zhǔn)漏孔的標(biāo)稱漏率，單位為Pa·m³/s。

　　由公式(1)可知單點(diǎn)檢漏過程中，被測(cè)漏率值只與被檢漏點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)與正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔響應(yīng)信號(hào)的比值有關(guān)，與檢漏儀本身無關(guān)。選擇合適的正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔可以提高被測(cè)漏點(diǎn)漏率值的精確度，一般正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔盡量選擇與被測(cè)漏點(diǎn)漏率值大小接近或在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

　　示漏氣體在一定時(shí)間內(nèi)濃度累積量的大小決定檢漏儀能否檢測(cè)到示漏氣體的響應(yīng)信號(hào)。在累積時(shí)間相同情況下，用同一臺(tái)檢漏儀器進(jìn)行測(cè)試，濃度越大，示漏氣體的響應(yīng)信號(hào)就會(huì)越大(I1)，對(duì)應(yīng)漏孔的漏率也就越大；如果濃度累積量小于檢漏儀器的最小可檢測(cè)值，則無法測(cè)出漏點(diǎn)的具體漏率值。一定時(shí)間內(nèi)收集室內(nèi)的示漏氣體濃度變化公式，如(2)所示。

　　公式中的C 是收集室內(nèi)示漏氣體的濃度含量，單位ppm；C0 是檢漏工作環(huán)境(大氣環(huán)境)固有的示漏氣體濃度，也稱為本底，單位ppm；t 是累積時(shí)間，單位s；Q 是焊縫漏孔漏率，單位Pa·m3/s；V是收集空間有效體積，單位m3；P 是工作環(huán)境大氣壓，一般為101325Pa。

　　由公式(2)可以知被測(cè)漏點(diǎn)漏率的大小與收集室內(nèi)濃度累積量有關(guān)，并與檢漏儀的最小靈敏度、累積時(shí)間、收集室有效體積、檢漏工作環(huán)境本底濃度有關(guān)。收集室有效體積直接影響示漏氣體濃度量變化，檢漏儀的最小靈敏度是測(cè)試單點(diǎn)檢漏中最小可檢漏率的關(guān)鍵因素。在測(cè)試過程中如果檢漏工作環(huán)境中示漏氣體的本底濃度過高，則直接影響測(cè)試精確度，甚至導(dǎo)致檢漏工作無法進(jìn)行，所以檢漏時(shí)必須確保周圍環(huán)境沒有示漏氣源的大量泄露。

　　由于檢漏儀吸槍口抽氣速度一般遠(yuǎn)大于漏點(diǎn)泄漏量，而收集室有效體積比較小，所以累積時(shí)間只會(huì)影響響應(yīng)信號(hào)的峰值，所以在測(cè)試過程中一般以檢漏儀穩(wěn)定后的信號(hào)值為測(cè)試準(zhǔn)確值，則公式(2)不再適用，應(yīng)參照公式(3)，即對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)。

　　式中的CV 是收集空間的示漏氣體單位時(shí)間內(nèi)濃度增加量，單位是ppm/s。若收集室完全密封不透氣，容易造成收集室內(nèi)形成真空，影響測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。為解決此問題，在航天器單點(diǎn)檢漏過程中大多使用具有一定透氣性的醫(yī)用膠布和橡膠圈搭建收集室。可以保證收集室內(nèi)外壓力保持一致，不至于收集室內(nèi)形成真空。既保證了檢漏數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又方便了檢漏工作。

　　1.2、焊縫檢漏

　　焊縫檢漏模型如圖1 所示，在焊縫的兩邊安裝兩個(gè)密封橡膠圈，橡膠圈上方包裹醫(yī)用膠布，則金屬導(dǎo)管、橡膠圈以及醫(yī)用膠布之間的空間是用于收集泄露出來的示漏氣體。根據(jù)模型可以得到示漏氣體收集空間的體積公式為：

　　式中h1 為兩個(gè)密封橡膠圈間的距離；r1 為醫(yī)用膠布裹成柱體的半徑；r2 為金屬導(dǎo)管的外半徑。當(dāng)焊縫的漏率一定時(shí)，收集空間V1 的體積越小，單位時(shí)間內(nèi)示漏氣體的濃度就會(huì)越大，檢漏儀的響應(yīng)值就會(huì)越大。

　　由于醫(yī)用膠布的寬度和橡膠圈的厚度固定(即h1 和△r 值固定)，根據(jù)公式(4)示漏氣體收集空間的體積大小由金屬管道的粗細(xì)決定。航天器管路常見外徑( 直徑) 為4mm、6mm、8mm 以及10mm，除飛船系統(tǒng)有部分特大管路外，其余管路均在此范圍內(nèi)。下面就以10mm 金屬導(dǎo)管為模型進(jìn)行分析，選用的醫(yī)用膠布帶寬為10mm，密封橡膠圈的厚度為2mm，將h1=10mm， r1=7mm， r2=5mm代入公式(4)中得則收集示漏氣體的空間體積為：V1=7.5×10-7m3。依據(jù)航天器的焊縫漏率指標(biāo)要求為不大于1.0×10^-7 Pa·m³/s，則根據(jù)公式(3)可以計(jì)算出焊縫密封體積內(nèi)示漏氣體濃度增加量約為1.3ppm/s。

　　1.3、螺接點(diǎn)檢漏

圖1 焊縫檢漏模型

　　航天器螺接點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以分為兩種形式，帶檢漏孔和不帶檢漏孔，分別如圖2 和圖3 所示。圖2是帶有檢漏孔的螺接點(diǎn)示意圖，其是在螺母加工過程中在退刀槽處打一對(duì)工藝孔(檢漏孔)，主要是為了方便快速檢漏工作。在螺母與接頭擰緊后，由螺母與接頭密封面泄露出來的檢漏介質(zhì)就會(huì)順著螺紋富集到退刀槽處，通過退刀槽處的檢漏小孔就可以直接測(cè)試螺接點(diǎn)的漏率，即退刀槽相當(dāng)于收集室作用。螺紋間隙的體積和退刀槽的體積相比可以忽略不計(jì)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.203scouts.com/)認(rèn)為只考慮泄露出來的檢漏介質(zhì)在退刀槽處的濃度變化。

2、結(jié)論

　　通過對(duì)航天器單點(diǎn)檢漏模型研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

　　(1)四極質(zhì)譜儀可以應(yīng)用在航天器檢漏過程中，最小可檢漏率滿足航天器漏率指標(biāo)要求；

　　(2)用四極質(zhì)譜儀進(jìn)行單點(diǎn)檢漏，可以對(duì)不同檢漏介質(zhì)進(jìn)行檢漏，各密封結(jié)構(gòu)間示漏信號(hào)干擾小，可以縮短航天器檢漏周期；

　　(3)四極質(zhì)譜儀信號(hào)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于氦質(zhì)譜檢漏儀，需要對(duì)吸槍和抽氣管路進(jìn)行改造，盡量減小吸槍及抽氣管路內(nèi)的空間體積。