空间站在轨泄漏监测报警系统的设计与实现

2013-09-19回天力

载人航天 2013年5期

杨纯，回天力，高静，张杰

(北京卫星制造厂，北京100094)

1 引言

空间站工程是我国载人航天重点工程，为航天员长期在轨驻留提供必要活动和工作条件的大型综合平台，未来空间站的主要任务是有人参与的空间科学实验和技术试验，以及空间操作试验。空间站运行期间，受真空、高低温交变、微流星及空间碎片、原子氧、太阳辐射及宇宙射线的相互作用，均存在不同程度的泄漏，如国际空间站在2004年1月和2007年11月曾先后两次发生舱体的泄漏故障［1］。目前国外空间站泄漏监测主要采用两种方法［2］:一种是在空间站舱内布置阵列式无线声发射传感器，通过泄漏部位发出声波的频率和相位差，对漏孔的大小和位置进行检测，第二种方法是采用氮气分压传感器，实时测量空间站密封舱内的氮气分压强，通过软件计算舱体的漏率，并通过便携式超声波传感器进行精确定位。针对空间站的密封主结构泄漏监测方法开展研究，需要建立一套能够可靠、准确地评估空间站结构泄漏率的技术手段，使空间站运行期间，能够及时发现泄漏问题，向航天员发出报警，为空间站的安全运行和航天员的人身安全提供保障。

本文应用VC++6.0设计了一种基于压降［1］检漏原理的“空间站泄漏监测报警系统”。VC++6.0是功能强大的Windows应用程序开发工程软件，其在底层通讯控制和数据库管理上有很大优势，并将多种控件集成，使得界面设计美观直接。空间站泄漏监测报警系统采用了Moxa多串口卡，综合用了Access数据库、CSope集成曲线绘制控件、CButtonST界面美化控件及CTreeCtrl控件，实现了数据的实时采集存储及曲线实时更新，达到了实时监测舱体漏率并快速报警的目的。

2 泄漏监测报警系统

2.1 系统原理与构成

本文采用绝压法(压降检漏法)对空间站进行泄漏监测，实时监控舱内的压力和温度变化，并通过压力下降速率计算出漏率，将漏率以显示或报警的方式告知航天员，提醒其采取措施，从而实现空间站泄漏监测的目的［3］。

由于舱内气体成分复杂，且各种气体的分压时刻发生变化，必须采取技术手段排除环境因素波动影响，而无论是有人值守还是无人值守，舱内的N2分压都是最稳定的。此外，氮气在大气中占有量是最多的，约占80%。因此，从理论上讲，采用氮气的分压强来测量和监测密封舱内压力的变化能够排除诸多干扰因素，有效监测有人生活的密封舱内压力变化。空间站泄漏监测报警系统就是通过间接(舱内总压减去各组成气体的分压得到氮气分压)测量舱内氮气分压的变化来实现漏率计算与泄漏监测的［3］。

空间站泄漏监测报警系统由氮气分压传感器、温度传感器、声响报警模块、色变报警模块、多串口采集卡、数据库存储系统、漏率显示模块和微机控制系统组成。泄漏监测报警系统的组成如图1所示。

图1 空间站泄漏监测报警系统组成图Fig.1 Composing maps of the leakage monitoring of space station

2.2 系统软件的设计与实现

2.2.1 系统软件设计思路

气压波动曲线如图2所示，反映出空间站密封舱内氮气分压的变化情况。在初始的充气和稳压阶段只对系统进行监测计算。开始监测时采集一次舱内氮分压P0和温度值T0;当采集30次时，计算氮分压的平均值PN2均，目的是排除由于气压不稳而出现的剧烈波动值，剔除野值。当连续测得10个氮分压的平均值PN2均后，计算其平均值PN2总均和标准误差σ，如图2的均值曲线所示，此时相当于总计采集300个压力值，计算检测门槛值P1M(图2中的上阈值)和P2M(图2中的下阈值)，分别为:P1M=PN2总均-2σ;P2M=PN2总均-3σ，并对其长期存储备用。不直接采集300个压力值计算出阈值是为了减小舱压波动对计算结果的影响，而采用30个压力进行平均，并对平均值进行求解标准偏差，更符合统计学规律。由于压力传感器和温度传感器是24 h不间断工作，为了避免数据量占用站内计算机宝贵的数据存储空间，传感的采样频率一般设置在1 s至1 min之间，具体数值可由航天员根据舱内气压的波动情况自行设置，这样300个点的采样时间处于5 min至5 h之间，可满足多数情况下的测试需求。300个点的总采样时间对应舱体漏率的计算周期，不改变测试精度，只影响报警周期。

图2 空间站密封舱内的气压变化曲线图Fig.2 Graph showing pressure change of the sealed cabin space station

根据系统设置参数给出N·σ(N倍的标准误差)，由此给出门槛压力值，如果氮分压一直降低且低于了门槛压力值，则判断为“真漏”。目的是排除在监测过程中由于温度变化引起“伪泄漏”。同时监测过程中采集的压力数值暂存器是实时更新的，即均值曲线是随着时间及舱内氮分压的变化同步更新，由此得到的阈值曲线及门槛压力值也是实时更新，这样漏率的计算也能达到实时监测的目的。其中门槛压力值为“下阈值-N·σ”，其中N为手动设定参数，此参数决定着漏率的实时计算速度，N越大监测时间越长，反之越短。N的取值范围为1～10，一般取中间段5～7，对于无人值守的稳定情况下，一般选择7～10;而对于有人值守的复杂情况，一般取3以下，这样反应速度更快、更灵敏。

由以上分析得出软件的核心处理思路为:当空间站密封舱内的氮分压稳定后，首先对系统参数进行初始化设置，再进入系统监测准备状态，根据采集到的300个压力值计算出上限门槛压力值和下限门槛压力值，得出门槛值后程序自动进入漏率监测状态。采集的压力值、温度值及对应的采集时间自动存储在压力温度数据库中，同时界面上采用树形控件CTreeCtrl读取数据库数据实时更新显示。对于计算出来的漏率设定新的数据库，保存采集的漏率及排障期限。采集数据的时间间隔根据传感器的传输速率决定为1～3 s。数据库将采集到的数据备份到Excel表中，并具有手动清空和压缩的功能。

2.2.2 软件逻辑设计

完成传感器初始化后，系统复位录入新的系统参数，则系统开始采集压力数据。因为系统采集的是当前舱内温度T0下的绝对压力P0，需换算为标准大气压的压力P标，见公式1。

式中:22.5为舱内环控生保系统控制的平均温度。当采集30次时计算获得一个氮分压的平均值PN2均。

图3 系统软件逻辑图Fig.3 Logic diagram of the system software

式中:PN2均为氮分压的平均值;PN2i为每次采集的氮分压值。

当测得10个氮分压的平均值PN2均时，计算其平均值PN2总均和标准误差σ。

式中:PN2均i为30 个氮分压的均值;PN2总均为300 个氮分压的均值。

计算检测门槛值P1M和P2M，分别为:P1M=PN2总均-2σ;P2M=PN2总均-3σ。具体的计算流程如图3所示。

2.2.3 数据采集

系统采用Windows API串口编程技术，对连接传感器的多串口卡进行配置［5］。传感器和多串口卡连接后，微机控制器对各传感器分配COM口［6］，每个传感器有各自不同的通信命令格式和传输速率，所以初始化时对每个传感器都分开进行参数初始化［7］。

2.2.4 数据管理

VC++提供了多种访问数据库的技术，本系统采用ODBC访问技术［8］。ODBC提供了一套统一的APT函数，在客户应用程序访问关系数据库时提供一个统一的接口。系统选用Access2007作为数据储存的工具。MFC为ODBC提供了一些关键的类以支持数据库操作。CDatabase类用来与数据源相连，以获取指定的数据集合。一般使用 CRecordSet派生类对数据源进行操作［8］。主要步骤为:建立数据库，创建数据源，添加对ODBC数据库的支持;添加数据库操作成员，ODBC功能加入。

2.3 系统硬件的设计与实现

传感器负责进行工作现场的数据采集，以获得空间站在轨的监测数据。

1)N2分压传感器作为氮分压传感器，测压范围为:0～300 kPa，测压精度:1/1000;

2)温度传感器采用温湿度变送器，其温度测量灵敏度为0.1℃，温度测量范围-30～60℃;

3)多串口卡采用Moxa CP-168U标准多串口卡来实现压力数据、温度数据的实时采集，具有8个RS-232串口，每个串口可支持的速率最高达921.6 kps。

采用微机控制器控制多串口卡对压力和温度数据实时采集控制并将数据传输到上位机进行处理运算。

2.4 系统设计与实现效果

系统PC界面部分是采用MFC和Access相结合实现的［9］，MFC 是构架在 Winows API函数上的类库，其可视化的外观，很好地实现了人机交互功能。采用视图分割技术将整个界面分成测量曲线显示区、统计计算及参数设定区、系统状态显示区、历史漏率察看区、测量数据显示区、系统总控制区。其效果图如图4所示。

图4 系统效果图Fig.4 The map of System impression

3 系统检测灵敏度验证试验

3.1 试验目的

考查空间站泄漏监测报警系统报警的正确性和及时性，以及漏率计算的准确性。

3.2 试验方法概述

选用某轨道舱作为测试对象，舱体体积为9.4 m3，选取漏率为 1.67 ×10-1，1.67 ×10-2，6.68×10-3Pa·m3/s的3种不同的标准漏孔代表大漏、中漏、小漏，模拟密封舱体的不同泄漏状态，考查泄漏监测报警系统报警的有效性和及时性，并通过与标准漏孔漏率的比对，分析系统漏率计算结果的准确性(图5)。