面向探月工程应用的几种新型工质检漏技术

师立侠，王 凯，汪 力，张海峰，刘 胜

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

0 引言

原工质检漏技术是利用被检产品内部填充的工作介质作为示漏气体或液体，根据被检对象及不同工质的特性，选取最佳的检漏方法，从而实现被检产品的泄漏率测试，一般适用于无法利用常规的氦质谱检漏和压力变化检漏技术进行泄漏率测试的场合[1]。任国华等[2]研究了航天器热管中乙烷工质的泄漏率测试技术，赵宏伟等[3]研究了空间用氢镍电池中氢工质的泄漏率测试技术，荣维刚等[4]研究了全氟三丁胺工质的泄漏率测试技术，许宏等[5]研究了肼工质泄漏检测仪的相关技术等。这些研究及应用都表明，基于原工质的检漏技术已成为未来泄漏检测技术的发展趋势之一[6-9]。

随着我国探月工程的不断推进，探测器的密封系统不断增加[10]，其所携带的工质种类不断更新。“嫦娥四号”探测器上搭载的钚238同位素温差电池（RTG）载荷及生物科普载荷均为提前封装工质、无测试接口的密封性载荷。“嫦娥五号”探测器的密封系统除了常规的推进系统外，增加了以液态全氟三乙胺为工质的热控流体回路。针对这些载荷的不同特点、工质的特性及工作环境，为了保证载荷的密封性能，需要开展相关工质检漏技术的研究，以更加真实地反映航天器产品在轨运行时的泄漏状态。

本文针对“嫦娥四号”和“嫦娥五号”载荷的密封性能测试需求，提出几种新型工质检漏技术，包括氩气工质检漏技术、空气工质检漏技术和液态全氟三乙胺工质检漏技术，以期为我国探月及深空探测中新型工质检漏技术的研究和应用提供参考。

1 氩气工质检漏技术

1.1 测试原理及方法

“嫦娥四号”钚238同位素温差电池（RTG）载荷为无测试口的放射性载荷，内部预埋氩气工质，首次提出密封性能测试要求，载荷对氩气的总漏率指标要求优于10-6Pa·m3/s。由于载荷外形体积较小，可以采用基于真空室的质谱分析检漏法。

氩气为稀有气体，质量数为40，采用MPH200M型四极质谱仪（QMS）进行测试，该仪器的适用范围为1～200 amu。为了提高测试灵敏度，需降低真空室内部本底压力。为此使用2X-4型机械泵与涡轮分子泵组成的真空系统，系统最大抽速250 L/s，极限压力＜1×10-7Pa，可以将真空室抽空至＜5×10-4Pa。

氩气工质泄漏率测试系统主要由真空室、分子泵、机械泵、四极质谱仪（QMS）、真空计、标准漏孔、阀门及管道组成，其泄漏率测试原理如图1所示。其中，标准漏孔为基于氩气的通道型标准漏孔，并由计量单位对其漏率进行了校准，标称漏率为Q0。测试时，首先打开阀门V2将真空室抽至10-4Pa 以下；然后关闭阀门V2，利用QMS测量产品泄漏后的信号I1；最后打开阀门V1，测试标准漏孔的反应值为I2。则被检产品的泄漏率Q[11-13]为

图1 氩气工质泄漏率测试原理Fig.1 Principle of argon gas leakage rate testing

1.2 灵敏度评价

氩气工质泄漏率测试系统的最小可检漏率可以通过氩气标称漏率为Q0的通道型标准漏孔进行评价：当真空室不放被检产品时，打开阀门V2，抽真空至10-4Pa 以下；关闭阀门V2，记录背景噪声In以及本底I0；再打开阀门V1，测得QMS的反应值I，则该系统的最小可检漏率为

经过系统灵敏度评价，该系统的最小可检漏率为1.1×10-8Pa·m3/s。

2 空气工质检漏技术

2.1 测试原理及方法

“嫦娥四号”着陆器搭载的生物科普载荷是人类首个月面生物实验载荷，用于在月球背面着陆开展生物生长实验，展示生物在月球低重力、强辐射、高温差等极端条件及自然光照下动植物的生长发育状态。该载荷罐体如图2所示，为一个具有高密封性能的罐体，内部封装了马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母6种生物的种子以及土壤、水、空气，形成一个微型生态系统。为了保证载荷罐密封结构良好，保持生物生长发育的空气环境，需要在生物封装结束后对载荷罐的空气泄漏率进行测试，其泄漏率指标要求≤1×10-4Pa·m3/s。

图2 生物科普载荷Fig.2 The biological science payload

该生物科普载荷为密封结构，内部封装生物生长必须的空气，压力为地面上的大气压值。载荷到月背后外界环境为真空环境，在地面研制阶段采用基于抽真空环境下的压升检漏方法对载荷进行密封性能测试[14-15]，测试的基本原理如图3所示。测试系统主要由真空钟罩、真空计、真空泵组、阀门及管道组成。为了提高检漏灵敏度，应尽量减小真空罩内部容积。载荷直径为ϕ170mm，高度200 mm，体积4.5 L。设计的真空钟罩内部容积8.2 L。因此，真空钟罩内部空余容积V为3.7 L。为了提高检漏灵敏度，选用CMR364型薄膜高灵敏度的真空计，其量程为0.01～110Pa，精度0.2%。

图3 生物科普载荷泄漏率测试原理Fig.3 Principle of leakage testing for the biological science payload

具体测试过程如下：将封装完毕的生物科普载荷放入真空钟罩内部，并进行密封；打开阀门V1启动真空泵组，对真空钟罩进行抽真空至＜5 Pa；关闭阀门V1，系统稳定5 m in 开始记录数据，每隔Δt（一般取5 m in）时间记录真空容器内部的压力增长值ΔP，记录6次求ΔP的平均值，则载荷的泄漏率Q为

其中V为真空钟罩内部的剩余体积。

2.2 灵敏度及测试结果

生物科普载荷泄漏率测试系统最小可检漏率可以根据式(3)进行评价，在被检产品不放入真空钟罩时，对系统抽真空至＜5 Pa，系统稳定5min 开始记录数据。经过测试评价，该系统的最小可检漏率为7.86×10-6Pa·m3/s。

“嫦娥四号”着陆器搭载的生物科普载荷在地面研制阶段共进行了12次漏率测试，结果如图4所示。由图可知，该载荷每次安装后的泄漏率集中在9.25×10-6～2.94×10-5Pa·m3/s之间，每次封装对载荷的密封性能产生一定的影响，但均在允许的指标范围内波动。

图4 生物科普载荷泄漏率测试结果Fig.4 Results of leakage testing for the biological science payload

3 液态全氟三乙胺检漏技术

3.1 测试原理及方法

“嫦娥五号”探测器热控流体回路采用的工质为液态全氟三乙胺，全氟三乙胺为含氟惰性液体，需密封储存，其工质漏率指标为0.3m L/d。该工质在空气中含量极低，常温下饱和蒸气压高达几kPa，具有良好的挥发性，少量的液体在大气环境下会瞬间挥发，以气态形式存在；故可利用其易挥发的特性，开展质谱分析的研究。其最大质谱谱峰119与空气中常规气体的不重合，可通过四极质谱仪进行扫描获取，从而实现航天器产品的泄漏测试[16-17]。

“嫦娥五号”热控流体回路分布在探测器上，其外包络尺寸较大。为了提高测试灵敏度，采用非真空收集容器进行累积测试的方法对其进行泄漏率检测，测试原理如图5所示。

图5 液态全氟三乙胺泄漏率测试原理Fig.5 Principle of leakage rate testing for liquid perfluorotriethylamine

具体方法如下：将充装好液态全氟三乙胺工质的被检产品放入检漏用非真空收集容器，密封该容器；通过四极质谱仪测试收集容器内部空间全氟三乙胺气体的浓度信号值I0，保持收集容器密封累积一定的时间t（为提高测试灵敏度，要求t≥24 h）；被检产品内部的全氟三乙胺会不断泄漏，并迅速挥发以气态形式存在于收集容器内部，累积结束后收集容器内部的全氟三乙胺气体浓度会升高，通过风机搅拌均匀后，用四极质谱仪测试其信号值I1；系统常温常压下的标定可以通过微量取样器向收集容器内放入一定体积V的液态全氟三乙胺，挥发搅拌均匀后测试收集容器内部浓度进一步升高后的信号值I2，则被检产品在大气环境下的泄漏率Q为

式中：Q为产品泄漏率，m L/d；V为取样液体体积，m L；t为累积收集时间，h，t≥24 h。

3.2 灵敏度评价

该测试系统的灵敏度随收集容器的容积和累积时间而变化，收集容器容积越小、累积时间越长，系统灵敏度越高。通过对该测试系统进行评价，在收集容器容积V容器=150m3、大气压P=103 125 Pa、t=24 h 工况下，最小可检漏率为0.002 m L/d，即Qmin=2.6×10-7Pa·m3/s。通过检测累积时间24 h 全氟三乙胺泄漏后造成收集容器空间的工质浓度的变化，根据

得到系统的测试灵敏度S评价指标高达1.5×10-9。

4 结束语

原工质检漏技术已成为未来航天产品泄漏检测技术的一个发展趋势。氩气工质检漏技术、空气工质检漏技术和液态全氟三乙胺工质检漏技术已成功应用于“嫦娥四号”和“嫦娥五号”的相应载荷的密封性能测试。随着我国航天技术的发展，新型工质检漏技术也将得到越来越广泛的应用，下一步还需要不断提高泄漏率测试的灵敏度，以满足特殊任务下的应用需求。