电推进系统工质气体微流量校准装置的设计

赵 澜，成永军，孙雯君，张瑞芳，李亚丽，管保国，丁 栋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

推进系统是航天器的核心，电推进技术是一种先进的空间推进技术。电推进系统是通过电热/静电/电磁作用将电能转变为工质气体动能的装置[1]。以高比冲、长寿命等特点已经在姿态控制、南北位置保持、轨道转移、大气阻尼补偿、深空探测主推进等空间各个应用领域得到了广泛应用。

比冲和总体效率是电推进系统重要的两项技术指标。电推进系统工质气体微流量与比冲成反比、与推力成正比[2]，与推力器的总体效率成反比。因此，一方面工质气体微流量校准的准确度在比冲一定情况下影响电推进系统推力的准确度，进而影响到航天器的姿态和轨道控制精度；另一方面，工质气体微流量校准的准确度影响电推进系统的总体效率，即意味着可以通过减少工质气体的总携带量增加有效载荷的比重，或者在相同情况下增加电推进系统的寿命。总之，工质气体微流量精确校准关系到航天器的推力的准确度，也影响航天器的姿态和轨道控制精度、寿命、效率、成本和承载能力等，需要在实际工况下采用真实的工质气体对电推进系统气体微流量进行精确校准。

1 设计原理

在气体流量测量技术研究的基础上，通过试验、理论分析，结合电推进系统工质气体微流量实际使用情况，确定了基于定容法校准电推进系统工质气体微流量的技术方案，提出绝压定容升压法和差压定容升压法两种校准电推进系统工质气体微流量的方法。

1.1 绝压定容升压法

绝压定容升压法是一种通过直接测量校准室内压力变化而获得流量的校准方法[3]。电推进系统工质气体微流量测量仪器微流量计的出口端为真空（一般＜1 000 Pa）。考虑到温度修正，绝压定容升压法校准流量的计算如式（1）。

式中：Q为被校微流量计气体流量，Pa·m3/s；V为校准室有效容积，m3；Δp为校准时间内校准室压力的变化，Pa；Δt为校准时间，s；T为校准室内气体温度，℃。

图1为绝压定容升压法校准微流量计的原理图。在时间间隔Δt内，流量为Q气体通过微流量计流入已知容积V的校准室中，引起的压力变化为Δp。根据公式（1），实现对被校仪器的校准。

图1 绝压定容升压法校准原理图Fig.1 Schematic diagram of absolutely pressure constant volume rise pressure method

绝压定容升压法校准过程中，当校准室容积V设计为0.01 m3，流量Q与容积V、测量时间Δt、压力变化Δp之间的对应关系如表1所列。

1.2 差压定容升压法

差压定容升压法是通过测量校准室与参考室之间的压力变化而获得流量校准的方法，被校仪器的出口压力可调节，一般出口压力小于0.2 MPa。图2为差压定容升压法校准微流量计的原理图。校准时，向参考室和校准室充入具有额定压力的气体，关闭参考室与校准室之间的阀门，用差压电容薄膜真空计测量在Δt时间内校准室中压力变化值Δp，根据式（1）实现对被校仪器的校准。

图2 差压定容升压法校准原理图Fig.2 Schematic diagram of differential pressure constant volume rise pressure method

差压定容升压法校准过程中，校准室容积V设计为0.01 m3，则流量Q与容积V、测量时间Δt、压力变化Δp之间的对应关系如表2所列。

表2 差压定容升压法各参数对应关系Tab.2 Corresponding relationship of each parameter for differential pressure constant volume rise pressure method

2 校准装置的设计

电推进系统工质气体微流量校准装置主体采用双通道对称结构，包括抽气系统、校准系统、容积测量系统、稳压系统、多工质气路转换系统、恒温与烘烤系统、数据采集系统等，装置原理如图3所示。

2.1 抽气系统

抽气系统有两路，第一路抽气系统主要由干式机械泵、分子泵、截止阀及放气阀组成，用于对校准室及参考室抽气，可避免抽气机组对真空容器的污染，提高对氢气等质量数较小的气体的抽速。第二路抽气系统主要由干式机械泵及截止阀组成，用于对容积测量系统、稳压系统、多工质气路转换系统抽气。

2.2 校准系统

校准系统设计为双通道对称结构，主要由校准室、参考室、133 kPa绝压电容薄膜真空计、1.33 kPa绝压电容薄膜真空计、133 kPa差压电容薄膜真空计、1.33 kPa差压电容薄膜真空计、冷阴极真空计、全金属角阀、铂电阻温度计及截止阀等组成。

图3 电推进系统工质气体微流量校准装置原理图Fig.3 Schematic diagram of working gas micro-flow calibration apparatus for electric propulsion system

校准室和参考室均采用Φ300的球体制作，容积为10 L，耐压压力为0.25 MPa，材料为真空熔炼的SUS316L不锈钢。内表面机械抛光处理，以提高腔室的洁净度，外表面喷砂喷丸钝化处理。腔室接口采用真空焊接，按超高真空密封要求进行检漏处理。校准室进行真空除气工艺处理，降低腔室材料表面出气率，减少出气对装置校准结果的影响。

校准室、参考室设计多个测试接口，分别连接铂电阻温度计、电容薄膜真空计及真空阀门；底部为DN40的抽真空接口。在校准室（参考室）和抽气机组之间采用DN40CF真空角阀连接。校准室的接口全部采用VCR或CF法兰等金属密封形式。温度计采用Φ2丝、VCR固定的结构，传感器伸入校准室及参考室内。

2.3 容积测量系统

容积测量系统主要包括容积测量室、标准容器、电容薄膜真空计、压力计及截止阀等。其中容积测量室上配有多个外接接口，分别连接标准容器、电容薄膜真空计、压力计、截止阀，接口采用金属密封形式，降低系统漏放气率。

工作用容积的测量采用参考容积法。将一个已知容积V0的标准容器，用阀门与被测容器连接，将标准容积中压力为p0的气体等温膨胀到抽成真空的被测容积V中，测量出膨胀后的气体压力p，根据波义耳-马略特定律，按式（2）就可以计算出被测容积[4]。

根据被测容积（校准室、参考室）的大小，容积测量室、标准容器均设计为1 L，耐压压力为0.25 MPa，标准容器容积由法定计量技术机构标定。用1台满量程为133 kPa电容薄膜真空计测量p0和p，通过式（2）可计算出校准室及接头容积。

为了节约氙气，采用高纯氮气做为容积测量用气体。校准结束后，通过高纯氮气瓶给定容室充高于101 kPa的保护氮气，避免定容室受到污染。

2.4 稳压系统

稳压系统主要包括稳压室、压力计、放气阀及截止阀等。稳压室共有3个，每个设计容积为50 L，耐压压力0.60 MPa，采用SUS304不锈钢材料，侧面连接压力计及进出气截止阀、放气阀。稳压室内表面机械抛光处理，提高腔室的洁净度。一般情况下，入口压力为0.2～0.5 MPa，稳压室中始终保持正压状态。如需更换校准气体，可通过与抽气系统连接的管道及阀门，对稳压室抽真空，保证校准气体的纯度。

2.5 多工质气路转换系统

多工质气路转换系统为一套高纯气体供气系统，包括2路工质气体管路及3路试验气体管路，由高压气瓶、压力表、截止阀及管道等组成，主要提供Xe、Kr、Ar、He和N2等5种高纯气体，通过阀门开关，可分别将单一高纯气体引入稳压室，气瓶与阀门之间采用金属软管连接。转换阀门布置在台面。通过阀门及管道与抽气系统连接，对供给校准气体的压力进行调节及控制，实现多工质气体的转换，保证工质气体的纯度。抽气系统配备独立的干泵，用于抽除管道内的气体。

2.6 恒温与烘烤系统

恒温与烘烤系统主要是为了减小校准过程中校准室、参考室温度波动以及实现校准室、参考室内的高洁净度。在设计中，恒温及烘烤系统采用夹克式形状，校准室、参考室外侧夹克内包裹加热丝，加热丝根据所需功率大小均匀分布于夹克式加热套内，减小真空室器壁上的温度变化，保证加热过程中温度受热分布均匀。温度控制与监测系统采用网络分布结构，用温度计测量温度，温度控制范围23～300℃。试验测试之前，通过烘烤加热系统对校准室及参考室进行48 h烘烤，以提高系统洁净度，减小系统中H2O、H2等气体成分。

2.7 数据采集系统

数据采集系统包括控制柜和数据采集工控机。控制柜前板有触摸屏、PLC、交流接触器、压力显示、真空计、温度显示等。控制柜后板装有交流接触器、继电器等电气元器件，可以打开后门板方便的进行维护操作。控制操作包括分子泵、机械泵的启停，系统烘烤加热的启停。数据采集计算机以研华工控机为上位机，通过PCI1610串口扩展卡、PCI1716多功能数据采集卡实现对不同电容薄膜真空计、压力计、冷阴极真空计、温度传感器等的控制及数据采集。控制及数据处理软件采用LabVIEW软件编写，采用模块化的程序设计方法，可将不同校准内容设计成单独的功能模块，由主界面程序构成结构框架，各子模块分别完成一定的功能，在主界面程序或其他的子程序中调用。各功能模块间的独立性较强，都可单独调试、修改、移植、更新。

3 测量不确定度评估

严格按照JJF1059.1-2012《测量不确定度的评定与表示》的要求[5]，通过建立数学模型，分析测量不确定度来源，确定各个测量不确定度分量大小，最后评定校准装置的测量不确定度。

3.1 不确定度来源

依据不确定度传递率，流量Q的合成标准不确定度用式（3）计算：

其中：

校准装置的相对合成标准不确定度u1按式（8）计算。

流量Q的不确定度来源主要由容积的测量、压力差的测量、时间间隔的测量、温度的测量等因素引入。

3.2 不确定度分量分析

（1）定容室容积测量准确度

根据式（2）可得容积V的测量不确定度用式（9）计算。

通过计算，容积测量不确定度为0.5%。

（2）压力测量准确度

压力p用电容薄膜真空计测量，根据校准证书不确定度为0.8%。

（3）时间测量准确度

时间t用秒表测量，流量测量过程所需时间为300～2 000 s，秒表的不确定度为0.1%。

（4）温度测量准确度

温度用铂电阻温度计测量，根据铂电阻温度计校准证书，温度测量不确定度为0.2%。

3.3 不确定度合成

将不确定度分量按方和根法合成，并计算出校准装置的扩展不确定度。

4 结论

设计的电推进系统工质气体微流量校准装置采用双通道对称结构，主要包括抽气系统、校准系统、容积测量系统、稳压系统、多工质气路转换系统、恒温及烘烤系统、数据采集系统等7部分。校准装置设计的校准范围为5×10-5～5×10-1Pa·m3/s，入口压力为0.2～0.5 MPa，出口压力为100 Pa～0.2 MPa，扩展不确定度小于2.0%（k=2），校准气体为Xe、Kr、Ar、He和N2，可以满足电推进系统研制任务的计量需求。