柔性收集室檢漏技術可靠性分析與驗證

竇 威，王 勇，任國華，黃錫寧

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

柔性收集室檢漏技術是一種航天器總漏率檢測技術，其工作原理是利用柔性材料制成的罩子作為示漏氣體的收集容器，以氦質譜檢漏技術為基礎進行航天器總漏率檢測。該檢漏技術的檢測方法和檢測系統中有許多需要重點注意的環節和要素，針對其可靠性進行分析和試驗驗證是十分必要的。

1 航天器總漏率檢測方法

目前，航天器總漏率的檢測方法主要采用氦質譜非真空累積檢漏法，檢測系統主要包括收集室、檢漏儀、基準氣體、示漏氣體充放系統、示漏氣體取樣系統和漏率標定系統等，檢測系統以高純氦氣作為示漏氣體，此外需要配備循環風機、檢測切換裝置等相應工裝設備，如圖1所示。

圖1 氦質譜非真空累積檢漏系統示意圖Fig.1 Non-vacuum accumulation leak detection system with helium mass spectroscopy

非真空累積檢漏法的主要原理為[1]：

1）以氦氣作為示漏氣體，對被檢件充入一定壓力（與被檢件工作壓力相同）的氦氣，放入密閉的收集容器中，當收集容器內氣體混合均勻后，以基準氣體的氦濃度作為基準值測量收集容器內的氦濃度本底值，記為測量初值u1，記錄測量時間t1。

2）保持收集容器密封，如果被檢件有泄漏，則收集容器內的氦氣濃度會升高，為了能夠測量到氦濃度變化量，需要累積一定時間t（一般為24 h）。

3）通過風機攪拌使收集容器內的氣體混合均勻，用基準氣體校準檢漏測試儀器，在確保檢漏儀狀態與測量初值的狀態相同的情況下，用檢漏儀測量收集容器內的氦濃度，記為總漏率的終值u2，記錄測量時間t2。

4）終值測量結束后，利用漏率標定系統對系統進行標定。將一定量的氦氣w放入收集容器中，通過風機攪拌使收集容器內的氣體混合均勻，再用基準氣體校準儀器，檢測方法同初值和終值，測量收集容器內的氦濃度作為樣值u3，記錄測試時間t3[2]。

5）計算被檢件的總漏率為

目前航天器總漏率測試主要由剛性收集室完成。收集室通常由型鋼和鋼板焊接而成，作為航天器總漏率檢測的核心設備，其作用是提供一個密閉的空間用以收集航天器泄漏的示蹤氣體[2]。收集室的體積不可變化，故稱為剛性收集室。其缺點是造價昂貴、研制周期長。

2 柔性收集室檢漏技術

2.1 國內外柔性收集室技術現狀

柔性收集室是指以柔性薄膜為材料，以熱封為密封手段，加工而成的密閉空間。對于尺寸大于現有剛性收集室尺寸的航天器的總漏率檢漏，宜采用柔性收集室檢漏技術。

早在 1966年，美國噴氣推進實驗室的J．L．Manganaro 和D．L．Hollinger 就對柔性收集室進行了試驗性研究[3-4]。美國NASA 已研制出一種柔性收集室檢漏系統，并于2002年成功完成了Terra 號衛星發射前的檢漏工作。

在我國，北京衛星制造廠目前對柔性收集室進行了一些試驗性的研究，并開發出了“支架型”和“懸掛型”2 種類型的柔性收集室。

2.2 現有航天器柔性收集室檢測系統

根據國內外調研情況和理論分析，北京衛星環境工程研究所設計并建立了一套柔性收集室總漏率檢測系統（圖1），其原理同現有航天器總漏率檢測方法，實物見圖2。該柔性收集室尺寸為5 m（長）×5 m（寬）×6 m（高），體積為150 m3，薄膜厚度為1.5×10-4m，薄膜總面積為170 m2。

圖2 柔性收集室檢測系統Fig.2 The flexible accumulation chamber leak detection system

這套柔性收集室總漏率檢測系統采用單面“鍍鋁聚酯膜”作為收集室主體材料；收集室整體結構采用熱塑風機進行加熱變形密封，柔性收集室與測試系統各接口采用真空封泥密封；內部加裝了循環風機用于加速氦氣在收集室內部的擴散和均勻分布，還配備了內部防碰撞護欄和防靜電接地連線，如圖3所示。

圖3 柔性收集室內部安全防護Fig.3 The safety setting for the flexible accumulation chamber

3 柔性收集室檢測的可靠性分析

柔性收集室檢測總漏率的原理同上，但為保證檢漏的準確性和可靠性，檢漏各環節對收集室內氦濃度的影響必須足夠低[5]。

3.1 薄膜材料的滲透性[6]

根據氣體理論，收集室中的氦氣濃度為

式中：W為氣體的氣體量，Pa·m3；P為氣體的壓力，Pa；Vb為收集室的有效容積，m3；下標He、atm 分別代表氦氣和空氣；t表示時間，s。故

由于柔性收集室中的總氣體量恒定（航天器泄漏而導致的收集室中的氣體量增加量相對總氣體量而言是絕對小量，可以忽略），故有Watm(t)=W0，式中W0為柔性收集室中的初始氣體量，Pa·m3。收集室中的氣體總壓力為

由式(3)、式(4)可得：

非真空累積檢漏法的漏率計算公式為

式中：γ1、γ2、γ3分別為收集室中的初始濃度、累積時間t后的濃度以及放樣后的濃度，量綱為1。結合式(4)、式(5)，可將式(6)寫成

式中：p0為放樣的壓力，Pa；V0為放樣的體積，m3；t為累積時間，s；ΔpHe2為累積時間段內在收集室中形成氦氣分壓增量，Pa[7]；ΔpHe3為放樣后在收集室中形成氦氣分壓增量，Pa。由于柔性材料的滲透對測試結果的影響是一個緩慢的過程，因此，以上參數中只有ΔpHe2與材料的滲透性密切相關。由式(7)還可知，漏率的相對誤差與ΔpHe2的相對誤差相同。

從理論上來說，任何一種薄膜都是可滲透的，但是對于不同氣體其滲透性不同。該柔性收集室采用的是單面鍍鋁聚酯薄膜，從材料特性上可知其對各種氣體的滲透系數（見表1）[8]。需要分析的是在此滲透系數的情況下，是否影響ΔpHe2。

表1 各種氣體對聚酯材料常溫下的滲透系數Table 1 Material permeation parameters of different gases against polyester ×10-10 cm3(STP)·(cm-2·s-1·cmHg-1·mm-1)

根據泄漏原理和材料滲透原理，進入柔性收集室中的氦流量為

式中Q為航天器的氦氣泄漏率，Pa·m3/s。因柔性材料的滲透而漏出的氦氣流量為

式中：k為材料的滲透系數，m2/s；pHe為柔性收集室中的氦氣分壓，Pa；pHe0為柔性收集室中的氦氣分壓的初始量，Pa；A為柔性收集室薄膜內表面面積，m2；l為柔性收集室薄膜的厚度，m。故

通常，航天器的總漏率在10-4Pa·m3/s 量級左右，材料對氦的滲透系數選為7.88 m2/s。

由式(10)可以解出pHe與時間的關系式：

代入收集室薄膜的各項參數，可以算出，隨著t的增長，pHe也在不斷升高，而當t為24 h 時，由于滲透所帶來的氦氣分壓偏差占氦氣分壓力總量的0.002%，所以柔性材料的滲透對測試結果的影響微乎其微。

3.2 薄膜對氦氣的吸附

用柔性收集室進行總漏率檢測要求薄膜材料 必須對氦氣吸附性盡量小或接近于無。從形成原理上分析，吸附主要分為物理吸附和化學吸附，當作用力是范德瓦爾引力時為物理吸附，常溫下其特點是吸附較弱、吸附熱較小、較易脫附、對吸附氣體一般無選擇性；化學吸附由表面剩余價力引起，可視為松弛的化學反應，常溫下其特點是吸附強、吸附熱大、穩定不易脫附、對吸附氣體有選擇性，只能緊貼材料表面形成單層吸附。由于示漏氣體He 是惰性氣體，常溫下不會發生化學吸附，因此示漏氣體與收集室主體材料之間發生的主要是物理吸附。

實際上，材料所能吸附的氦氣量相對收集室內的氦總量來說很小，在氦濃度相對較低的情況下，其吸附性對于測試的影響可以忽略，但還需要通過試驗進行驗證[9]。

3.3 收集室整體密封性

該柔性收集室的薄膜與薄膜間采用熱塑變形密封，收集室與檢測系統接口處采用真空封泥密封。因此，需從薄膜材料的熱封密封性、收集室與檢測系統接口處密封性兩方面分析其整體密封性。

3.3.1 薄膜材料的熱封性

該收集室的單面鍍鋁聚酯薄膜的熱封是將2 個非鍍鋁表面貼合，用熱塑風機加熱使聚酯材料熔化貼合而形成密封。密封處的泄漏情況必須保證可靠。從原理上說，熱封合利用的是多層結構中的熱封內層組分受熱軟化、移掉熱源就固化的性質，可以保證一定的密封性，但無法進行定量計算，實際效果需要利用單點檢漏進行測試，以確保其可靠性。

3.3.2 接口處密封性

所有測試接口和風機電源線穿薄膜接口，均采用了真空封泥密封。從理論上來說，當接口處兩側壓差為1 個大氣壓時，真空封泥可保證該處的漏率（對氦氣）小于1×10-9Pa·m3/s[10]。而實際應用中，由于柔性收集室的體積會隨著內外氣壓不斷變化使收集室內外的壓差為0，所以真空封泥密封后的接口處漏率可小于1×10-9Pa·m3/s。

3.4 體積變化對測試結果的影響

體積變化可能會對測試結果的影響表現在濃度、總氣量以及檢漏儀的入口壓力3 個方面。

1）收集室中的氦氣濃度為

根據理想氣體狀態方程，式(12)可寫成

式中：m為氣體質量，kg；M為分子量，g/mol。由式(13)可知：氦氣的濃度可以寫成收集室中的氦氣質量與總空氣質量的比。事實上，柔性收集室在保證密封的情形下，空氣總質量和其中的氦氣質量是不變的，因此，其濃度不會隨柔性收集室體積的變化而變化。

2）正常情況下，收集室內的總氣量為

而航天器泄漏出的氣量很小，按照其通常漏率量級計算，24 h 所產生的氣體量約為

由于收集室是密封的，幾乎沒有氣體泄漏，收集室內總氣量的變化是由航天器泄漏產生的，且總量也很小，所以體積變化不會對收集室內總氣體量產生影響。

3）由于剛性收集室的檢漏儀入口壓力狀態與柔性收集室的檢漏儀入口壓力狀態是相同的，所以 此因素對于測量可靠性的影響可以忽略。

4 試驗驗證

4.1 薄膜滲透性與熱封性試驗

利用薄膜材料熱封制成的一個小型收集室進行材料滲透和熱封性的驗證試驗（如圖4所示）。向柔性罩子內部充一定量（8.64 Pa·m3）的純氦氣，對充氣口熱封后，從柔性罩子外部利用氦質譜吸槍檢漏法測得各處漏率（含熱封接口）均小于1× 10-8Pa·m3/s[11-12]。說明此種薄膜材料對于氦氣的滲透性相對于總漏率測試的影響很小，熱封接口后形成的密封也可保證航天器總漏率測試需求。

圖4 滲透性和熱封性驗證試驗 Fig.4 The experiment system of penetrability and heat- envelope performance

4.2 氦氣吸附性和柔性收集室密封性試驗

向柔性收集室中充入一定量的氦氣，考察其濃度隨時間的變化，以檢漏儀對標準氣體的反應值為0 基準，試驗結果見表2和圖5。

圖5 柔性收集室中氦氣濃度的變化趨勢圖Fig.5 Concentration of helium in flexible accumulation chamber vs.test time

可以看出：柔性收集室中的氦氣濃度在40 h內幾乎不變；而柔性罩子打開后，收集室內氦氣濃度迅速降低。這既說明柔性收集室密封性能滿足總漏率檢測的需要，也說明了柔性收集室的薄膜材料幾乎不吸附。

表2 柔性收集室的密封性試驗結果Table 2 Reaction value of leak detector to helium in flexible accumulation chamber in the test

4.3 柔性收集室與剛性收集室對比試驗

用剛性收集室檢漏工藝對某帶氣瓶的通道型漏孔進行檢漏，測得其總漏率為2.77×10-5Pa·m3/s。 再將該帶氣瓶的通道型標準漏孔用柔性收集室的檢漏工藝進行測試[13]，以檢漏儀對標準氣體的反應值為0 基準，測得結果見表3。

表3 柔性收集室的檢測結果Table 3 Total leak rate detection data by flexible accumulation chamber leak testing technology

由表3可知，采用柔性收集室測得的漏率均值為2.66×10-5Pa·m3·s-1，與剛性收集室的檢測結果的相對誤差均優于±10%，相對誤差均值優于±5%，直接證明了柔性收集室檢漏技術的可靠。

5 結論

通過理論分析和試驗驗證可知，現有研制的柔性收集室能滿足非真空累積方法檢測航天器總漏率的工程應用。綜合來說：

1）鍍鋁聚酯薄膜對氦氣的滲透性和吸附性對于總漏率測試的影響可以忽略；

2）柔性收集室的薄膜與薄膜、薄膜與檢測系統接口間的密封性能均滿足要求；

3）柔性收集室的體積變化不會給總漏率檢測帶來誤差和影響；

4）采用柔性收集室檢漏，和剛性收集室的結果相對誤差均優于±10%，但檢漏靈敏度未提升。

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