CN102426079B - 采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统及方法，在该模拟系统中，高压气瓶与第一真空阀门连接，第一机械泵与第二真空阀门连接，稳压室分别与第一真空阀门、第二真空阀门、第三真空阀门及第一真空规连接，第三真空阀门与微调阀连接；第一真空计、第二真空计及微调阀与上游室连接；上游室和真空室连接，并在其间设置进气小孔，真空室还设有抽气口；第二真空规、抽气口及磁力传动系统与真空室连接，固定刻度尺一端与方向规连接，另一端与磁力传动系统连接，磁力传动系统与慢速电机连接；第一分子泵一端与抽气口连接，另一端与第四真空阀门连接，第二分子泵一端与第四真空阀门连接，另一端与第二机械泵连接。

Description

采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统及方法。

背景技术

空间站要长期可靠运行，在轨泄漏检测是必须解决的关键技术。文献“用指向性真空规进行空间站结构泄漏监测的设想”，《航天器环境工程》第23卷、2006年第2期、第75～79页”，介绍提出了采用方向规对空间站进行检漏的构想，需要开展实验研究为方案的可行性论证奠定坚实的基础，国内尚未开展过类似的实验研究，无法得到方向规对空间站泄漏检测的可行性。本专利针对空间站泄漏检测的需求，建立了地面模拟装置，提出了模拟的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对空间站泄漏检测的需求，提出了一种采用方向规进行空间站泄漏检测的地面模拟系统及方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统，其特征在于，该模拟系统包括：高压气瓶、两个机械泵、四个真空阀门、稳压室、两个真空规、微调阀、两个真空计、上游室、方向规、真空室、固定刻度尺、磁力传动系统、慢速电机、以及两个分子泵；

在该模拟系统中，高压气瓶与第一真空阀门连接，第一机械泵与第二真空阀门连接，稳压室分别与第一真空阀门、第二真空阀门、第三真空阀门及第一真空规连接，第三真空阀门与微调阀连接；第一真空计、第二真空计及微调阀与上游室连接；上游室和真空室连接，并在其间设置进气小孔，真空室还设有抽气口；第二真空规、抽气口及磁力传动系统与真空室连接，固定刻度尺一端与方向规连接，另一端与磁力传动系统连接，磁力传动系统与慢速电机连接；第一分子泵一端与抽气口连接，另一端与第四真空阀门连接，第二分子泵一端与第四真空阀门连接，另一端与第二机械泵连接。

优选地，所述第一真空计和第二真空计分别采用磁悬浮转子规(SRG)或电容薄膜规(CDG)，并且测量前分别稳定3小时和6小时。

本发明还提供一种利用上述模拟系统对空间站泄漏检测的模拟方法，包括步骤：

S1、将方向规安装在固定刻度尺的某一位置，使其与进气小孔的距离为l；

S2、对真空室、上游室、稳压室及连接管道抽真空，使上游室中气体压力小于1×10^-2Pa，真空室中压力小于1×10^-7Pa；

S3、保持环境温度为23±3℃，打开第一真空阀门向稳压室中注入一定压力的气体，通过第一真空规测量其压力，当稳压室中压力的波动稳定时，关闭第一真空阀门，通过微调阀向上游室引入一定压力的气体，在真空室中形成稳定流量的气体，当上游室中气体压力稳定时，获得第一真空计或者第二真空计的示值p₁，通过进气小孔流导C_o和前级压力p₁计算得到已知漏率Q₁＝p₁C_o；

S4、通过磁力传动系统调节方向规入口法线与进气小孔中心线的夹角φ，当真空室气体压力稳定后，记录方向规示值p_D，记录第二真空规示值p_V，计算得到Δp_D＝p_D-p_V；

S5、在φ、l一定的条件下，检测到漏孔对某种气体的漏率为

与已知漏率Q_L比对，可实现对空间站泄漏的模拟研究；其中C_D为方向规入口流导；α为方向规入口法线与进气小孔中心线的夹角。

优选地，在所述步骤S4中Δp_D取多次测量的平均值作为测量结果。

优选地，在所述步骤S4中方向规入口法线与小孔中心线的夹角φ的范围为0°～180°，模拟方向规与漏孔为不同角度时的情况。

优选地，在所述步骤S5中方向规测量漏孔漏率通过多次测量的平均值表示。

优选地，在所述步骤S1中，通过调节方向规在刻度尺上的不同位置，即方向规与进气小孔距离为l，从而模拟方向规与泄漏点为不同距离的检漏情况。

优选地，在所述步骤S3中C_o的标准合成不确定度小于2％。

优选地，所述步骤S4中传动系统对角度φ的控制精度小于1°。

(三)有益效果

本发明是采用小孔向真空室引入气体，通过精确测量小孔流导C_o和前级压力p₁计算得到已知漏率Q_L(Q_L＝p₁C_o)模拟空间站泄漏，通过方向规示值p_D和真空室压力p_V的差值Δp_D导出方向规检测漏率Q_L′为

通过比较方向规检测泄漏漏率Q_L′和已知泄漏漏率Q_L，研究方向规在空间站检漏中的应用基础，解决了方向规进行空间站泄漏检测的地面模拟问题。

附图说明

图1为本发明采用方向规对空间站泄漏检测模拟系统的结构原理示意图；

图2为本发明采用方向规对空间站泄漏检测模拟方法的方向规检漏测量流程图；

图3为本发明一实施例中被测的Δp_D与角度φ的极坐标关系图；

图4为本发明一实施例中被测的Δp_D与Q_L的关系图；

图5为本发明一实施例中被测的Δp_D与l的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统，包括：高压气瓶1、两个机械泵2，23、四个真空阀门3，4，7，21、稳压室5、两个真空规6，13、微调阀8、两个真空计9，10、上游室11、方向规15、真空室16、固定刻度尺17、磁力传动系统18、慢速电机19、以及两个分子泵20，22；

在该模拟系统中，高压气瓶1与第一真空阀门3连接，第一机械泵2与第二真空阀门4连接，稳压室5分别与第一真空阀门3、第二真空阀门4、第三真空阀门7及第一真空规6连接，第三真空阀门7与微调阀8连接；第一真空计9、第二真空计10及微调阀8与上游室11连接；上游室11和真空室16连接，并在其间设置进气小孔12，真空室16还设有抽气口14；第二真空规13、抽气口14及磁力传动系统18与真空室16连接，固定刻度尺17一端与方向规15连接，另一端与磁力传动系统18连接，磁力传动系统18与慢速电机19连接；第一分子泵20一端与抽气口14连接，另一端与第四真空阀门21连接，第二分子泵22一端与第四真空阀门21连接，另一端与第二机械泵23连接。

在一实施例中，所述第一真空计9和第二真空计10分别采用磁悬浮转子规(SRG)或电容薄膜规(CDG)，并且测量前分别稳定3小时和6小时。

如图2所示为本发明采用方向规对空间站泄漏检测模拟方法的方向规检漏测量流程图。本发明所述的利用上述模拟系统的对空间站泄漏检测的模拟方法，包括步骤：

S1、将方向规安装在固定刻度尺的某一位置，使其与进气小孔的距离为l；

S2、对真空室、上游室、稳压室及连接管道抽真空，使上游室中气体压力小于1×10^-2Pa，真空室中压力小于1×10^-7Pa；

S3、保持环境温度为23±3℃，打开第一真空阀门向稳压室中注入一定压力的气体，通过第一真空规测量其压力，当稳压室中压力的波动稳定时，关闭第一真空阀门，通过微调阀向上游室引入一定压力的气体，在真空室中形成稳定流量的气体，当上游室中气体压力波动稳定时，获得第一真空计或者第二真空计的示值p₁，通过进气小孔流导C_o和前级压力p₁计算得到已知漏率Q_L＝p₁C_o；

S4、通过磁力传动系统调节方向规入口法线与进气小孔中心线的夹角φ，当真空室气体压力稳定后，记录方向规示值p_D，记录第二真空规示值p_V，计算得到Δp_D＝p_D-p_V；

S5、在φ、l一定的条件下，检测到漏孔对某种气体的漏率为

与已知漏率Q_L比对，可实现对空间站泄漏的模拟研究；其中C_D为方向规入口流导；

α为方向规入口法线与进气小孔中心线夹角。

优选地，在所述步骤S4中取多次测量Δp_D的平均值作为测量结果。在所述步骤S4中方向规入口法线与小孔中心线的夹角φ的范围为0°～180°，模拟方向规与漏孔为不同角度时的情况。在所述步骤S5中方向规测量漏孔漏率通过多次测量的平均值表示。在所述步骤S1中，通过调节方向规在刻度尺上的不同位置，即方向规与进气小孔距离为l，从而模拟方向规与泄漏点为不同距离的检漏情况。在所述步骤S3中C_o的标准合成不确定度小于2％。在所述步骤S4中传动系统对角度φ的控制精度小于1°。

实施例1

(1)将方向规15安装在固定刻度尺17上，通过固定刻度尺17读数计算出方向规15与进气小孔12的距离(球形真空室半径减去刻度尺读数)l＝30cm，然后将真空室16的操作法兰密封好。

(2)打开机械泵2、23，打开真空阀门4、7、21、微调阀8，当真空室16中气体压力小于10Pa后，依次打开分子泵20、22，将稳压室5、真空室16、上游室11以及各连接管道抽成真空状态(真空室中压力为7.1×10^-8Pa，上游室中气体压力为1.2×10^-4Pa，稳压室中压力为0.95Pa)。

(3)关闭真空阀门4、7、微调阀8，打开真空阀门3向稳压室5充入N₂(压力为5420Pa)后，关闭真空阀门3，通过微调阀8向上游室引入气体，真空规10测量到上游室压力为2.10Pa(测量前真空规10稳定12小时)，通过Q_L＝p₁C_o(C_o＝1.05×10^-4m³·s^-1)计算得到已知漏孔漏率为Q_L＝2.2×10^-4Pa·m³·s^-1。

(4)通过磁力传动系统18在0°～90°范围内改变夹角φ，每隔5°作为一个测量点，每个测量点取3次测量数据的平均值作为测量结果，被测的Δp_D与角度φ的极坐标关系如图3所示，其中实线表示理论计算数据(Δp_D＝p_D-p_V)，虚线为实验测量数据，这样模拟了方向规入口法线与空间站泄漏点方位的关系。

(5)将l调整到20mm处，调节夹角φ＝0°。对真空室16进行烘烤和抽气，真空室16的压力为p_V＝4.8×10^-8Pa，通过微调阀8向上游室11中注入气体，在10^-3～10^-8Pa m³/s范围内进行了模拟，实验结果如图4所示，这样模拟了方向规在一定条件下的最小可检测漏率值。

(6)向真空室16中引入稳定流量的N₂气(Q_L＝2.2×10^-4Pa m³/s)，将角度调整为φ＝0°，在12～46cm范围内调节方向规15与入口小孔12距离l，在方向规15指示值稳定后记录测量数据，方向规检测值与距离l的关系如图5所示，这样模拟了方向规与空间站泄漏点位置的关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用方向规对空间站泄漏检测的模拟系统，其特征在于，该模拟系统包括：高压气瓶（1）、两个机械泵（2，23）、四个真空阀门（3，4，7，21）、稳压室（5）、两个真空规（6，13）、微调阀（8）、两个真空计（9，10）、上游室（11）、方向规（15）、真空室（16）、固定刻度尺（17）、磁力传动系统（18）、慢速电机（19）、以及两个分子泵（20，22）；

在该模拟系统中，高压气瓶（1）与第一真空阀门（3）连接，第一机械泵（2）与第二真空阀门（4）连接，稳压室（5）分别与第一真空阀门（3）、第二真空阀门（4）、第三真空阀门（7）及第一真空规（6）连接，第三真空阀门（7）与微调阀（8）连接；第一真空计（9）、第二真空计（10）及微调阀（8）与上游室（11）连接；上游室（11）和真空室（16）连接，并在其间设置进气小孔（12），真空室（16）还设有抽气口（14）；第二真空规（13）、抽气口（14）及磁力传动系统（18）与真空室（16）连接，固定刻度尺（17）一端与方向规（15）连接，另一端与磁力传动系统（18）连接，磁力传动系统（18）与慢速电机（19）连接；第一分子泵（20）一端与抽气口（14）连接，另一端与第四真空阀门（21）连接，第二分子泵（22）一端与第四真空阀门（21）连接，另一端与第二机械泵（23）连接；

其中所述第一真空计（9）和第二真空计（10）分别采用磁悬浮转子规（SRG）或电容薄膜规（CDG），并且测量前分别稳定3小时和6小时。

2.一种利用如权利要求1所述的模拟系统的对空间站泄漏检测的模拟方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将方向规（15）安装在固定刻度尺（17）的某一位置，使其与进气小孔（12）的距离为l；

S2、对真空室（16）、上游室（11）、稳压室（5）及连接管道抽真空，使上游室（11）中气体压力小于1×10^-2Pa，真空室（16）中压力小于1×10^-7Pa；

S3、保持环境温度为23±3℃，打开第一真空阀门（3）向稳压室（5）中注入一定压力的气体，通过第一真空规（6）测量其压力，当稳压室（5）中压力的波动稳定时，关闭第一真空阀门（3），通过微调阀（8）向上游室（11）引入一定压力的气体，在真空室（16）中形成稳定流量的气体，当上游室（11）中气体压力波动稳定时，获得第一真空计（9）或者第二真空计（10）的示值p₁，通过进气小孔流导C_o和前级压力p₁计算得到已知漏率Q_L=p₁C_o；

S4、通过磁力传动系统（18）调节方向规（15）入口法线与进气小孔（12）中心线的夹角φ，当真空室（16）中的气体压力稳定后，记录方向规（15）示值p_D，记录第二真空规（13）示值p_V，计算得到Δp_D=p_D-p_V；

S5、在φ、l一定的条件下，检测到漏孔对某种气体的漏率为 ${Q_L}^{\′}=\frac{C_D}{K_D}(p_D-p_V)=\frac{C_D}{K_D}{\mathrm{\Δp}}_D,$ 与已知漏率Q_L比对，可实现对空间站泄漏的模拟研究；其中C_D为方向规入口流导； $K_D=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}2\cos x\sin \mathrm{xdx},$ α为方向规入口法线与进气小孔中心线夹角。

3.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S4中Δp_D取多次测量的平均值作为测量结果。

4.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S4中方向规入口法线与小孔中心线的夹角φ的范围为0°～180°，模拟方向规与漏孔为不同角度时的情况。

5.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S5中方向规测量漏孔漏率通过多次测量的平均值表示。

6.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过调节方向规在刻度尺上的不同位置，从而模拟方向规与泄漏点为不同距离的检漏情况。

7.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S3中C_o的标准合成不确定度小于2%。

8.如权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S4中磁力传动系统对角度φ的控制精度小于1°。

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