柔性收集室检漏技术可靠性分析与验证

窦 威，王 勇，任国华，黄锡宁

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

柔性收集室检漏技术是一种航天器总漏率检测技术，其工作原理是利用柔性材料制成的罩子作为示漏气体的收集容器，以氦质谱检漏技术为基础进行航天器总漏率检测。该检漏技术的检测方法和检测系统中有许多需要重点注意的环节和要素，针对其可靠性进行分析和试验验证是十分必要的。

1 航天器总漏率检测方法

目前，航天器总漏率的检测方法主要采用氦质谱非真空累积检漏法，检测系统主要包括收集室、检漏仪、基准气体、示漏气体充放系统、示漏气体取样系统和漏率标定系统等，检测系统以高纯氦气作为示漏气体，此外需要配备循环风机、检测切换装置等相应工装设备，如图1所示。

图1 氦质谱非真空累积检漏系统示意图Fig.1 Non-vacuum accumulation leak detection system with helium mass spectroscopy

非真空累积检漏法的主要原理为[1]：

1）以氦气作为示漏气体，对被检件充入一定压力（与被检件工作压力相同）的氦气，放入密闭的收集容器中，当收集容器内气体混合均匀后，以基准气体的氦浓度作为基准值测量收集容器内的氦浓度本底值，记为测量初值u1，记录测量时间t1。

2）保持收集容器密封，如果被检件有泄漏，则收集容器内的氦气浓度会升高，为了能够测量到氦浓度变化量，需要累积一定时间t（一般为24 h）。

3）通过风机搅拌使收集容器内的气体混合均匀，用基准气体校准检漏测试仪器，在确保检漏仪状态与测量初值的状态相同的情况下，用检漏仪测量收集容器内的氦浓度，记为总漏率的终值u2，记录测量时间t2。

4）终值测量结束后，利用漏率标定系统对系统进行标定。将一定量的氦气w放入收集容器中，通过风机搅拌使收集容器内的气体混合均匀，再用基准气体校准仪器，检测方法同初值和终值，测量收集容器内的氦浓度作为样值u3，记录测试时间t3[2]。

5）计算被检件的总漏率为

目前航天器总漏率测试主要由刚性收集室完成。收集室通常由型钢和钢板焊接而成，作为航天器总漏率检测的核心设备，其作用是提供一个密闭的空间用以收集航天器泄漏的示踪气体[2]。收集室的体积不可变化，故称为刚性收集室。其缺点是造价昂贵、研制周期长。

2 柔性收集室检漏技术

2.1 国内外柔性收集室技术现状

柔性收集室是指以柔性薄膜为材料，以热封为密封手段，加工而成的密闭空间。对于尺寸大于现有刚性收集室尺寸的航天器的总漏率检漏，宜采用柔性收集室检漏技术。

早在 1966年，美国喷气推进实验室的J．L．Manganaro 和D．L．Hollinger 就对柔性收集室进行了试验性研究[3-4]。美国NASA 已研制出一种柔性收集室检漏系统，并于2002年成功完成了Terra 号卫星发射前的检漏工作。

在我国，北京卫星制造厂目前对柔性收集室进行了一些试验性的研究，并开发出了“支架型”和“悬挂型”2 种类型的柔性收集室。

2.2 现有航天器柔性收集室检测系统

根据国内外调研情况和理论分析，北京卫星环境工程研究所设计并建立了一套柔性收集室总漏率检测系统（图1），其原理同现有航天器总漏率检测方法，实物见图2。该柔性收集室尺寸为5 m（长）×5 m（宽）×6 m（高），体积为150 m3，薄膜厚度为1.5×10-4m，薄膜总面积为170 m2。

图2 柔性收集室检测系统Fig.2 The flexible accumulation chamber leak detection system

这套柔性收集室总漏率检测系统采用单面“镀铝聚酯膜”作为收集室主体材料；收集室整体结构采用热塑风机进行加热变形密封，柔性收集室与测试系统各接口采用真空封泥密封；内部加装了循环风机用于加速氦气在收集室内部的扩散和均匀分布，还配备了内部防碰撞护栏和防静电接地连线，如图3所示。

图3 柔性收集室内部安全防护Fig.3 The safety setting for the flexible accumulation chamber

3 柔性收集室检测的可靠性分析

柔性收集室检测总漏率的原理同上，但为保证检漏的准确性和可靠性，检漏各环节对收集室内氦浓度的影响必须足够低[5]。

3.1 薄膜材料的渗透性[6]

根据气体理论，收集室中的氦气浓度为

式中：W为气体的气体量，Pa·m3；P为气体的压力，Pa；Vb为收集室的有效容积，m3；下标He、atm 分别代表氦气和空气；t表示时间，s。故

由于柔性收集室中的总气体量恒定（航天器泄漏而导致的收集室中的气体量增加量相对总气体量而言是绝对小量，可以忽略），故有Watm(t)=W0，式中W0为柔性收集室中的初始气体量，Pa·m3。收集室中的气体总压力为

由式(3)、式(4)可得：

非真空累积检漏法的漏率计算公式为

式中：γ1、γ2、γ3分别为收集室中的初始浓度、累积时间t后的浓度以及放样后的浓度，量纲为1。结合式(4)、式(5)，可将式(6)写成

式中：p0为放样的压力，Pa；V0为放样的体积，m3；t为累积时间，s；ΔpHe2为累积时间段内在收集室中形成氦气分压增量，Pa[7]；ΔpHe3为放样后在收集室中形成氦气分压增量，Pa。由于柔性材料的渗透对测试结果的影响是一个缓慢的过程，因此，以上参数中只有ΔpHe2与材料的渗透性密切相关。由式(7)还可知，漏率的相对误差与ΔpHe2的相对误差相同。

从理论上来说，任何一种薄膜都是可渗透的，但是对于不同气体其渗透性不同。该柔性收集室采用的是单面镀铝聚酯薄膜，从材料特性上可知其对各种气体的渗透系数（见表1）[8]。需要分析的是在此渗透系数的情况下，是否影响ΔpHe2。

表1 各种气体对聚酯材料常温下的渗透系数Table 1 Material permeation parameters of different gases against polyester ×10-10 cm3(STP)·(cm-2·s-1·cmHg-1·mm-1)

根据泄漏原理和材料渗透原理，进入柔性收集室中的氦流量为

式中Q为航天器的氦气泄漏率，Pa·m3/s。因柔性材料的渗透而漏出的氦气流量为

式中：k为材料的渗透系数，m2/s；pHe为柔性收集室中的氦气分压，Pa；pHe0为柔性收集室中的氦气分压的初始量，Pa；A为柔性收集室薄膜内表面面积，m2；l为柔性收集室薄膜的厚度，m。故

通常，航天器的总漏率在10-4Pa·m3/s 量级左右，材料对氦的渗透系数选为7.88 m2/s。

由式(10)可以解出pHe与时间的关系式：

代入收集室薄膜的各项参数，可以算出，随着t的增长，pHe也在不断升高，而当t为24 h 时，由于渗透所带来的氦气分压偏差占氦气分压力总量的0.002%，所以柔性材料的渗透对测试结果的影响微乎其微。

3.2 薄膜对氦气的吸附

用柔性收集室进行总漏率检测要求薄膜材料 必须对氦气吸附性尽量小或接近于无。从形成原理上分析，吸附主要分为物理吸附和化学吸附，当作用力是范德瓦尔引力时为物理吸附，常温下其特点是吸附较弱、吸附热较小、较易脱附、对吸附气体一般无选择性；化学吸附由表面剩余价力引起，可视为松弛的化学反应，常温下其特点是吸附强、吸附热大、稳定不易脱附、对吸附气体有选择性，只能紧贴材料表面形成单层吸附。由于示漏气体He 是惰性气体，常温下不会发生化学吸附，因此示漏气体与收集室主体材料之间发生的主要是物理吸附。

实际上，材料所能吸附的氦气量相对收集室内的氦总量来说很小，在氦浓度相对较低的情况下，其吸附性对于测试的影响可以忽略，但还需要通过试验进行验证[9]。

3.3 收集室整体密封性

该柔性收集室的薄膜与薄膜间采用热塑变形密封，收集室与检测系统接口处采用真空封泥密封。因此，需从薄膜材料的热封密封性、收集室与检测系统接口处密封性两方面分析其整体密封性。

3.3.1 薄膜材料的热封性

该收集室的单面镀铝聚酯薄膜的热封是将2 个非镀铝表面贴合，用热塑风机加热使聚酯材料熔化贴合而形成密封。密封处的泄漏情况必须保证可靠。从原理上说，热封合利用的是多层结构中的热封内层组分受热软化、移掉热源就固化的性质，可以保证一定的密封性，但无法进行定量计算，实际效果需要利用单点检漏进行测试，以确保其可靠性。

3.3.2 接口处密封性

所有测试接口和风机电源线穿薄膜接口，均采用了真空封泥密封。从理论上来说，当接口处两侧压差为1 个大气压时，真空封泥可保证该处的漏率（对氦气）小于1×10-9Pa·m3/s[10]。而实际应用中，由于柔性收集室的体积会随着内外气压不断变化使收集室内外的压差为0，所以真空封泥密封后的接口处漏率可小于1×10-9Pa·m3/s。

3.4 体积变化对测试结果的影响

体积变化可能会对测试结果的影响表现在浓度、总气量以及检漏仪的入口压力3 个方面。

1）收集室中的氦气浓度为

根据理想气体状态方程，式(12)可写成

式中：m为气体质量，kg；M为分子量，g/mol。由式(13)可知：氦气的浓度可以写成收集室中的氦气质量与总空气质量的比。事实上，柔性收集室在保证密封的情形下，空气总质量和其中的氦气质量是不变的，因此，其浓度不会随柔性收集室体积的变化而变化。

2）正常情况下，收集室内的总气量为

而航天器泄漏出的气量很小，按照其通常漏率量级计算，24 h 所产生的气体量约为

由于收集室是密封的，几乎没有气体泄漏，收集室内总气量的变化是由航天器泄漏产生的，且总量也很小，所以体积变化不会对收集室内总气体量产生影响。

3）由于刚性收集室的检漏仪入口压力状态与柔性收集室的检漏仪入口压力状态是相同的，所以 此因素对于测量可靠性的影响可以忽略。

4 试验验证

4.1 薄膜渗透性与热封性试验

利用薄膜材料热封制成的一个小型收集室进行材料渗透和热封性的验证试验（如图4所示）。向柔性罩子内部充一定量（8.64 Pa·m3）的纯氦气，对充气口热封后，从柔性罩子外部利用氦质谱吸枪检漏法测得各处漏率（含热封接口）均小于1× 10-8Pa·m3/s[11-12]。说明此种薄膜材料对于氦气的渗透性相对于总漏率测试的影响很小，热封接口后形成的密封也可保证航天器总漏率测试需求。

图4 渗透性和热封性验证试验 Fig.4 The experiment system of penetrability and heat- envelope performance

4.2 氦气吸附性和柔性收集室密封性试验

向柔性收集室中充入一定量的氦气，考察其浓度随时间的变化，以检漏仪对标准气体的反应值为0 基准，试验结果见表2和图5。

图5 柔性收集室中氦气浓度的变化趋势图Fig.5 Concentration of helium in flexible accumulation chamber vs.test time

可以看出：柔性收集室中的氦气浓度在40 h内几乎不变；而柔性罩子打开后，收集室内氦气浓度迅速降低。这既说明柔性收集室密封性能满足总漏率检测的需要，也说明了柔性收集室的薄膜材料几乎不吸附。

表2 柔性收集室的密封性试验结果Table 2 Reaction value of leak detector to helium in flexible accumulation chamber in the test

4.3 柔性收集室与刚性收集室对比试验

用刚性收集室检漏工艺对某带气瓶的通道型漏孔进行检漏，测得其总漏率为2.77×10-5Pa·m3/s。 再将该带气瓶的通道型标准漏孔用柔性收集室的检漏工艺进行测试[13]，以检漏仪对标准气体的反应值为0 基准，测得结果见表3。

表3 柔性收集室的检测结果Table 3 Total leak rate detection data by flexible accumulation chamber leak testing technology

由表3可知，采用柔性收集室测得的漏率均值为2.66×10-5Pa·m3·s-1，与刚性收集室的检测结果的相对误差均优于±10%，相对误差均值优于±5%，直接证明了柔性收集室检漏技术的可靠。

5 结论

通过理论分析和试验验证可知，现有研制的柔性收集室能满足非真空累积方法检测航天器总漏率的工程应用。综合来说：

1）镀铝聚酯薄膜对氦气的渗透性和吸附性对于总漏率测试的影响可以忽略；

2）柔性收集室的薄膜与薄膜、薄膜与检测系统接口间的密封性能均满足要求；

3）柔性收集室的体积变化不会给总漏率检测带来误差和影响；

4）采用柔性收集室检漏，和刚性收集室的结果相对误差均优于±10%，但检漏灵敏度未提升。

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