環模容器真空度異常分析及其解決思路
環模設備是指完成衛星等航天器熱平衡熱真空試驗的地面環境模擬設備，通常包括容器、熱沉、真空系統、液氮系統等多個分系統。根據相關標準要求，容器內真空度只有優于1.3×10-3 Pa 時才能開展環模試驗。本文列舉了幾例環模容器真空度不滿足要求的典型情況，從容器本體、熱沉、真空系統設備、法蘭等幾個方面開展了泄漏分析，并提供了解決思路。
環模設備是指完成衛星、飛船等航天器熱平衡熱真空試驗的地面熱環境模擬設備，我國從上個世紀60 年代至今陸續建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多臺大中小型熱環境模擬試驗設備，用于模擬太空中的真空冷黑環境。其中KM6 環境模擬器是國際上三大載人航天器空間環境試驗設備之一，總體性能達到國際先進水平。
環模設備通常包括容器、熱沉、真空系統、液氮系統、外熱流模擬與控制系統、溫度測量系統、氦系統等多個分系統。根據相關標準要求，環模設備容器內真空度只有優于1.3×10-3 Pa 時才能滿足衛星、飛船等航天器開展熱平衡熱真空試驗的需求。容器本體上法蘭、閥門、管道等接口眾多，容器內部又包括熱沉、衛星等試件，因此當容器內真空度不滿足條件時，判斷并找出漏點是一項難度很大的工作，真空技術網(http://m.203scouts.com/)認為不僅需要借助于氦質譜檢漏儀、四極質譜計等靈敏度高的儀器，更需要有經驗技術人員的綜合判斷分析。本文將列舉幾個查漏、找漏的例子，為類似于環模設備的復雜、大型設備檢漏工作提供部分思路和啟發。
1、環模設備容器、熱沉及真空系統簡介
環模設備容器主要有立式及臥式兩種結構形式，為不銹鋼材質，由鋼板焊接而成，臥式容器通常只有一個大門。立式容器通常包括活動頂蓋、側門。容器上通常根據各種功能需要開有口徑大小不一的法蘭。如KM6 環境模擬器上開有113個準160～準1320 mm 大小不同的孔。各個門、法蘭通常為橡膠圈密封。在檢漏實踐中，各個法蘭尤其是試驗前更換過的法蘭往往是首先懷疑的對象。
容器內部通常安裝有熱沉。大型環模設備熱沉由多個熱沉組片組成。熱沉材質有不銹鋼、鋁、銅。在早期的熱沉研制中，銅、鋁材質的熱沉進出液管道通常為銅、鋁與不銹鋼管道的摩擦焊接口方式。每個組片熱沉通常由若干個支管焊接到匯總管上。如KM6 環境模擬器由2000 多根管子4000多個管道焊縫組成。在檢漏實踐中，經常被踩踏的熱沉、存在波紋管的熱沉以及摩擦焊接頭通常容易出現泄漏，是檢漏的重點關注對象。
真空系統通常包括粗抽、高真空、分子泵及檢漏、真空測量等多個子系統。其中高真空系統主要由低溫泵組成，是環模設備容器獲得高真空的主抽泵。當容器內真空度上不去時，低溫泵自身工作正常與否是一個判斷點。在排除了此點后，各個子系統與容器之間的閥門連接是否有漏也是排查的重點。在檢漏實踐中，閥門本體存在泄漏往往容易被忽略。
2、環模設備檢漏實例
2.1、常用檢漏方法介紹
2.1.1、氦質譜檢漏法
氦質譜檢漏法使用氦質譜檢漏儀來完成，其檢漏靈敏度可以達到10-9 Pam3/s甚至更高。檢漏儀通常接在前級泵與分子泵之間，如圖1 所示。目前大多數檢漏儀具有逆流檢漏功能或質譜室能夠承受較高的壓力，其檢漏儀入口處能夠在較高的壓力下工作。進入檢漏儀的示漏氣體一部分進入檢漏儀的質譜室，另一部分由前級泵抽走。對于大型環模設備，檢漏時通常開啟1～2 臺低溫泵。以低溫泵為主泵的檢漏系統中，低溫泵對氦氣的分流很小，因此低溫泵的引入對系統有效檢漏靈敏度影響很小。
圖1 氦質譜檢漏儀連接位置示意圖
2.1.2、四極質譜計檢漏法
四極質譜計(也稱四極濾質器)測量氣體的原理如圖2 所示。四極質譜計的質量分離原理是基于不同質荷比的離子在高頻和直流四極場中運動軌跡穩定與否來實現的，它是近代殘余氣體分析器中最為流行的無磁濾質器，其性能指標較高。四極質譜計也可以用于檢漏，通過某種氣體的譜圖變化來判斷系統是否有漏，其檢漏靈敏度可以達到10-6 Pam3/s甚至更高。而且通過判斷氮氣、氧氣的成分比，還可以判斷是否為空氣泄漏。
圖2 四極質譜計探測器結構示意圖
2.1.3、壓力檢漏法
壓力檢漏法，也叫正壓檢漏法，將被檢容器充入一定壓力的示漏物質，如果容器上有漏孔，示漏物質便從漏孔漏出，用一定的方法或儀器在容器外檢測出從漏孔中漏出的示漏物質，從而判定漏孔的存在、漏孔的具體位置及漏率大小。對懷疑漏點涂抹肥皂泡或吸槍的方法找到漏點。涂抹肥皂泡的檢漏靈敏度約為6.7 Pam3/s。吸槍法的檢漏靈敏度為10-2 Pam3/s～10-4 Pam3/s。壓力檢漏方法適用于判斷漏點較大以及便于操作的場合。
2.2、環模設備容器真空度異常檢漏實例
2.2.1、熱沉泄漏檢漏實例
KM4 環模設備開展某型號熱試驗。粗抽結束后開啟低溫泵口閥門，利用低溫泵對容器進行抽氣，然后熱沉通入液氮，并啟動液氮泵。液氮泵工作正常后，容器真空度穩定在4.2×10-3 Pa，不再變好。容器真空度不滿足試驗要求，于是開展檢漏工作。
1)如圖3 所示，當熱沉管道內壓力降低時，容器內真空度隨之變好。當熱沉管道內壓力升高時，容器內真空度隨之變壞。據此初步分析為熱沉有漏；
2) 打開四極質譜計觀察容器內殘余氣體譜圖(如圖4 所示，數據在圖中的右上角)，發現氮峰明顯偏高，高于氧峰兩個量級，據此判斷不是容器漏，而是熱沉漏，與上面的判斷相符；
3)通過逐路增壓、降壓的方法判斷出中部熱沉有漏；
4)熱沉回溫后，將該路熱沉管道封閉，采用管道內抽真空、對懷疑部位噴吹氦氣的方法進行檢漏，最終定位到漏點。
圖3 KM4 熱沉管道內壓力及容器真空度曲線圖(時間同步)
圖4 某型號試驗抽氣后容器內殘余氣體譜圖
2.2.2、環模設備容器本體泄漏檢漏實例
KM6 環模設備開展某衛星熱試驗。粗抽結束后開啟低溫泵口閥門，利用低溫泵對容器進行抽氣，容器真空度只能維持在5×10-2 Pa，不再變好，經過比對分析認為容器有漏，于是開展檢漏工作。
1)打開四極質譜計觀察容器內殘余氣體譜圖，氮氣、氧氣分壓比接近4：1，與空氣中氮氣、氧氣的分壓比較一致，因此判斷是空氣漏入容器所致；
2)根據容器內真空度較差的情況，考慮到用三臺低溫泵抽氣只能將容器真空度抽至5×10-2 Pa，經估算漏率較大，決定首先排查本次試驗前有變動的法蘭，采用對可疑點噴酒精的方法進行排查；
3)當噴到某法蘭上的一個KF16 快接口時，容器真空度對應變壞，據此找到漏點，重新安裝KF16 快接卡箍，容器真空度上升約兩個量級，泄漏問題得以解決；
4) 采用對可疑漏點噴酒精的檢漏方法適用于所判斷的漏點較大時，當認為漏點較小時，噴酒精、看容器真空度變化的方法不一定適用。此時最好的方法是氦質譜檢漏法。將氦質譜檢漏儀接在分子泵及檢漏子系統的排氣管道上，采取對可疑點噴吹氦氣的方法進行檢漏。此方法對于大漏、小漏均有較高的靈敏度。
2.2.3、真空設備泄漏檢漏實例
2.2.3.1、粗抽閥門關不嚴導致的泄漏
2012 年2 月，KM6 環模設備開展某衛星熱試驗。轉入低溫泵抽氣后，容器真空度達到4×10-3 Pa后基本不再變化，經分析認為是容器有漏。于是開展檢漏工作：
1) 在分子泵排氣口連接檢漏儀，如圖5 所示。采用氦氣噴吹的方法對所有的法蘭連接處進行檢漏。首先排查動過的法蘭，沒有發現漏點。其次排查沒有動過的法蘭，也沒有發現漏點；
圖5 檢漏系統組成圖
2)在排除了法蘭連接處存在泄漏的可能后，將檢漏重點轉向與容器連接的各個閥門。當噴吹到粗抽閥門與粗抽管道連接處時，發現檢漏儀反應較大。據此判斷該閥門未關嚴。后經計算，該處漏率為2.8×10-1 Pa·m3/s；
3)啟動粗抽機組，對機組與閥門之間的管道進行抽氣，使粗抽閥門兩側壓差小于650 Pa 后，重新開關閥門，問題得以解決。
本次是用氦質譜檢漏的方法在逐步摸排中鎖定到粗抽閥門存在泄漏的。在實際工作中，當懷疑到粗抽閥門未關嚴而存在泄漏時，也可以采取將粗抽管道放氣或抽真空、觀察容器內真空度變化的快捷方法來定位。如果粗抽管道放氣過程中容器內真空度隨著變壞或者是抽氣過程中容器真空度隨著變好，則可以立即定位到粗抽閥門問題上。
2.2.3.2、低溫泵工作異常導致的泄漏
由低溫泵做為高真空抽氣設備的環模容器，當真空度發生異常后，按照上述各種方法仍然不能找到漏點時，可將懷疑的對象轉移到低溫泵自身上來。理論與實踐證明，當低溫泵的二級冷頭溫度因某種原因而升高至30 K 左右時，二級冷板吸附的部分成分的氣體會釋放，進入到容器中，導致容器真空度變壞。可通過關閉低溫泵泵口閥后觀察容器真空度變化的方法來判斷。
3、結論與展望
環模設備檢漏不僅需要高精度的儀器設備，更需要結合工況，將多個參數綜合起來進行判斷。本文從容器本體、熱沉、真空系統設備等多個角度列舉了檢漏實例，希望能夠給有類似設備的單位以檢漏啟發。盡管利用各種方法最終完成了檢漏工作，找到了具體漏點并采取了補漏措施，但是在人力與時間的耗費方面也比較大，有時甚至是幾天時間才能夠找到漏點。環模設備一旦發生泄漏，往往要求用最短的時間將漏點找到，為實現此目的，今后擬在以下幾個方面開展工作：
1)調研或研制對大漏反應敏感的傳感器(如光纖、超聲波)，布置在容器內，組成傳感器網絡，將容器分成若干個區域，當容器本體發生泄漏時能夠定位到小的區域，縮小檢漏范圍，實現快速定位；
2) 在開展熱沉泄漏檢漏時往往使用正壓檢漏的方法，氣泡法與吸槍法都可以采用，但均有局限。因此擬在正壓檢漏方面開展相關工作，識別微小氣流，確保快速定位。
