CN104697731A - 用于检测空间站舱体的空气泄漏的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于检测空间站舱体的空气泄漏的设备，涉及空间探测领域的仪器制造、自动化设备和控制系统，包括同轴且依次布置的有电子枪的离子源、加速栅极、第一接地栅极、横向电场偏转板、第二接地栅极、离子收集器、偏转板和第二接地栅极间与其他栅极同轴对齐的接地栅极、有三个收集室的柱体、关闭第一、二室的两个密闭遮板、装在第三室中的录音头、第一室中的热电偶传感器；含录音头的室无开口到柱体内。设备还有放大器、控制板、GPS信号接收器、馈线、GPS天线、主天线、连接到控制板的永久性存储器，放大器输入连接到离子收集器且输出连接到与连接GPS天线的GPS信号接收器相连的控制板，馈线连接到主天线。设备提供了泄漏区域的定位并能将信息传给宇航员。

Description

用于检测空间站舱体的空气泄漏的设备

技术领域

本设备涉及应用在空间探测领域的仪器制造、自动化设备和控制系统。

背景技术

电离检测器(Ash J.，用于测量系统的检测器。莫斯科：和平号空间站，1992，424页)是已知的，其包括电子发射源(加热器)、电离区域以及离子收集器，并且被设计为测量低水平的气压。

上述电离检测器的缺陷是记录由航天器(SC)发出的气体(或者空气)喷流建立的压强的动态范围窄。特别地，在损坏后由微粒形成大尺寸的孔或裂缝的情况中，紧接SC的空气喷流产生高于10^-3毫米汞柱的压强，然而测量检测器范围是10^-7毫米汞柱。现有的电离检测器的另一个缺陷是在SC附近存在固有外部大气的情况下信息的可信度低，所述外部大气建立了从10^-5毫米到10^-6毫米汞柱范围内的气体成分的组合压强，这使得从噪音中提取有用信号的程序变复杂。

找到作为最接近本发明的设备的现有技术是“Device for the detection of theplace of air leakage from a space station module”(在专利申请RUNo.2003101475中公开，作者为Semkin N.D.，Voronov K.E.，Piyakov I.V，ZaninA.N.，KirillovA.A.，国际分类号G01M3/00，公布时间2004年7月10日)。

该最接近的现有技术代表一种用于检测空间站舱体的空气泄漏位置的设备，包括：同轴对齐并且依次布置的带有电子枪的离子源、加速栅极、第一接地栅极，横向电场的偏转板、第二接地栅极以及离子收集器；该设备附加地包括带有三个收集室的柱体，其中两个收集室位于与柱体轴垂直的不同侧并且在加速栅极和第一接地栅极之间的部分在柱体内形成通孔，并由两个密闭遮板密封，并且第三收集室位于柱体外侧；位于偏转板后面、第二接地栅极前面的与其他栅极同轴对齐的附加接地栅极；安装在第三收集室内的录音头，以及位于第一收集室内的热电偶传感器。

最接近现有技术的缺陷是缺乏对航天器体上的泄漏区域的准确定位，并且不能够将信息传送给宇航员。

发明内容

本发明的目的在于设计能够提供航天器体上的泄漏区域的定位并且能够经由无线信道将信息传送给航天器的宇航员的设备。

上述目的的实现得益于这样的事实，即用于检测航天器舱体的空气泄漏的设备包括下列同轴地且依次地布置的部件：带有电子枪的离子源，加速栅极，第一接地栅极，横向电场的偏转板，第二接地栅极和离子收集器，在偏转板和第二接地栅极之间的与其他栅极同轴对齐的接地栅极，带有三个收集室的柱体，其中两个收集室被布置在与柱体轴垂直的轴上并且在柱体内形成通孔，第三收集室被布置在柱体的外侧；关闭第一和第二收集室的两个密闭遮板；安装在第三收集室内的录音头，以及位于第一收集室内的热电偶传感器；含有录音头的收集室没有到柱体内的任何开口，并且根据本发明，它附加地包括放大器，控制板，GPS信号接收器，馈线，GPS天线，主天线，连接到控制板上的永久性存储器，放大器的输入连接到离子收集器，并且放大器的输出连接到与GPS信号接收器相连的控制板并且连接到与GPS天线相连的GPS信号接收器，馈线连接到主天线。

附图说明

本发明的实质由图1来说明，其中

图1表示用于检测航天器舱体的空气泄漏位置的设备的图。

具体实施方式

用于检测航天器舱体的空气泄漏的设备包括：带有电子枪的离子源1，加速栅极2，接地栅极3、4和5，横向电场的偏转板6，离子接收器7，带有三个收集室9、10和11的柱体8，两个密闭遮板12和13，录音头14，热电偶传感器15，放大器16，控制板17，GPS信号接收器18，馈线19，GPS天线20，主天线21，永久性存储器22。

带有电子枪的离子源1，加速栅极2，接地栅极3、4和5，横向电场的偏转板6和离子接收器7彼此同轴并且相对于柱体8的对称轴布置。收集室9和10沿着与柱体轴8垂直的轴线布置并且在加速栅极2和接地栅极3之间的部分在柱体内形成通孔。收集室11被布置在收集室9附近的柱体8的外壁上，并且没有任何到柱体8内的孔。录音头14被固定在收集室11中，并且热电偶15被布置在收集室9中。放大器16的输入连接到离子收集器7，并且其输出连接到与GPS信号接收器18、馈线19和永久性存储器22相连的控制板17。GPS接收器与GPS天线20相连。馈线19连接到主天线21。

设备操作如下。

带有电子枪的离子源1在栅极2和3之间的空间内以200Hz的频率产生电子流nV。其引起气体电离并且在第一时刻所形成的离子以速度Vq散射到不同的方向。在时刻t0，正极的时变驱逐脉冲(time-variable expelling pulse)被发送到加速栅极2。在同一时刻，正脉冲被馈送到横向电场的偏转板6持续时间段t0，以在第一时刻偏转离子。稍后，持续剩余的时间，记录的气体成分的离子从栅极2和3之间的空间转移到离子收集器7，在离子收集器7中将记录离开孔洞的气通量(flux of air)中所包含的经计算的同位素(mass)(例如，氮气)。推算用于驱逐脉冲的电场的修改规则，例如该设备可以仅分离一个同位素，其他同位素被抑制并且不进入离子收集器7，即发生同位素分离。采用这种方式，在附近出现SC固有大气气体成分的情况下，记录太空舱外壳中的孔的空气泄漏的可信度得到提高。

气流穿过收集室9(或10)、电离区域(栅极2和3之间)，并且以自身的压强作用在录音头14和热电偶传感器15上，热电偶传感器15引起录音头14内的正弦振动。同时，热电偶15记录与流值成正比的压力(以毫米汞柱表示)。结果，当泄漏量相当大时(孔径直径大于1-2毫米)，并且在相距空气泄漏位置的短距离处，在录音头14和热电偶传感器15的帮助下进行记录，而当与空气泄漏位置的距离增加时，采用电离检测器做记录，该电离检测器包括：带电子枪的离子源1，加速度栅极2，接地栅极3，4和5，横向电场的偏转板6以及离子收集器7。在处理来自所有探测器的信息的同时，热电偶、电离和录音头检测器自动转接。增加接地栅极4来限制横向电场的偏转板6对没有电场的部分(对于接地栅极5)的影响。

众所周知，气体离子的初始能量散射受到麦克斯韦-玻尔兹曼定律的制约：

$f\left(u\right)={\left(\frac{m}{2\mathrm{\πkT}}\right)}^{3/2}{e}^{{-\mathrm{mu}}^2/\left(2\mathrm{kT}\right)}---\left(1\right)$

其中m是离子质量，k是玻尔兹曼常量，u是离子速度，T是气流的绝对温度。

离子收集器7中的信号与隔离的同位素的离子数成正比。采用这种方式，根据氧离子U₁₆和氮离子U₁₄测量信号值，可以肯定地预测当满足下列比率时，所调查的气体中有空气存在：

$\frac{U_{14}}{U_{16}}=\frac{78}{21}---\left(2\right)$

公式(2)是正确的，因为空气中包含78％的氮气和21％的氧气。

为了消除太空服和附近存在SC固有大气气体成分的影响，调整离子检测器。关闭遮板12并且打开遮板13。在噪声中以及在附近的SC固有大气气体成分中测量氧离子水平和氮离子水平。此后，关闭遮板13并且打开遮板12。测量来自太空服以及附近的SC固有大气气体成分的泄漏位置的氮和氧的整体水平。为了确定太空服的噪声水平，向太空服中附加地引入预定量的安全参考气体，例如氦气。在得出信号值后，可以预测噪声效应的值。从完整的频谱中减去噪声波谱给出有用的信号波谱，即，空气泄漏位置的波谱。

来自离子收集器7的信号被放大，并且被馈送到控制板17，控制板17收集并且解码关于泄漏位置的信息，同时从与GPS天线20附接的GPS信号接收器18接收准确的坐标和准确的时间。采用馈线19和主天线21，航天器的驾驶员对控制板17进行控制。永久性存储器22存储关于航天器的空气泄漏的位置和特征的信息。

采用这种方式，获得航天器体上的泄漏位置的精确定位，并且能够将信息传送给宇航员。

Claims (1)

1.一种用于检测空间站舱体的空气泄漏的设备，包括下列同轴地且依次地布置的部件：带有电子枪的离子源，加速栅极，第一接地栅极，横向电场的偏转板，第二接地栅极和离子收集器，在所述偏转板和所述第二接地栅极之间的与其他栅极同轴对齐的接地栅极，带有三个收集室的柱体，其中两个收集室被布置在与柱体轴线垂直的轴上并且在所述柱体内形成通孔，第三收集室被布置在所述柱体的外侧；关闭第一和第二收集室两个密闭遮板；安装在第三收集室内的录音头，以及位于第一收集室内的热电偶传感器；含有所述录音头的收集室没有任何到所述柱体内的开口，其特征在于，该设备附加地包括：放大器，控制板，GPS信号接收器，馈线，GPS天线，主天线，连接到控制板的永久性存储器，所述放大器的输入连接到所述离子收集器，并且所述放大器的输出连接到与馈线和GPS信号接收器相连的控制板，所述GPS信号接收器与GPS天线相连，所述馈线连接到所述主天线。