环模设备是指完成卫星等航天器热平衡热真空试验的地面环境模拟设备,通常包括容器、热沉、真空系统、液氮系统等多个分系统。根据相关标准要求,容器内真空度只有优于1.3×10-3 Pa 时才能开展环模试验。本文列举了几例环模容器真空度不满足要求的典型情况,从容器本体、热沉、真空系统设备、法兰等几个方面开展了泄漏分析,并提供了解决思路。
环模设备是指完成卫星、飞船等航天器热平衡热真空试验的地面热环境模拟设备,我国从上个世纪60 年代至今陆续建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多台大中小型热环境模拟试验设备,用于模拟太空中的真空冷黑环境。其中KM6 环境模拟器是国际上三大载人航天器空间环境试验设备之一,总体性能达到国际先进水平。
环模设备通常包括容器、热沉、真空系统、液氮系统、外热流模拟与控制系统、温度测量系统、氦系统等多个分系统。根据相关标准要求,环模设备容器内真空度只有优于1.3×10-3 Pa 时才能满足卫星、飞船等航天器开展热平衡热真空试验的需求。容器本体上法兰、阀门、管道等接口众多,容器内部又包括热沉、卫星等试件,因此当容器内真空度不满足条件时,判断并找出漏点是一项难度很大的工作,认为不仅需要借助于氦质谱检漏仪、四极质谱计等灵敏度高的仪器,更需要有经验技术人员的综合判断分析。本文将列举几个查漏、找漏的例子,为类似于环模设备的复杂、大型设备检漏工作提供部分思路和启发。
1、环模设备容器、热沉及真空系统简介
环模设备容器主要有立式及卧式两种结构形式,为不锈钢材质,由钢板焊接而成,卧式容器通常只有一个大门。立式容器通常包括活动顶盖、侧门。容器上通常根据各种功能需要开有口径大小不一的法兰。如KM6 环境模拟器上开有113个准160~准1320 mm 大小不同的孔。各个门、法兰通常为橡胶圈密封。在检漏实践中,各个法兰尤其是试验前更换过的法兰往往是首先怀疑的对象。
容器内部通常安装有热沉。大型环模设备热沉由多个热沉组片组成。热沉材质有不锈钢、铝、铜。在早期的热沉研制中,铜、铝材质的热沉进出液管道通常为铜、铝与不锈钢管道的摩擦焊接口方式。每个组片热沉通常由若干个支管焊接到汇总管上。如KM6 环境模拟器由2000 多根管子4000多个管道焊缝组成。在检漏实践中,经常被踩踏的热沉、存在波纹管的热沉以及摩擦焊接头通常容易出现泄漏,是检漏的重点关注对象。
真空系统通常包括粗抽、高真空、分子泵及检漏、真空测量等多个子系统。其中高真空系统主要由低温泵组成,是环模设备容器获得高真空的主抽泵。当容器内真空度上不去时,低温泵自身工作正常与否是一个判断点。在排除了此点后,各个子系统与容器之间的阀门连接是否有漏也是排查的重点。在检漏实践中,阀门本体存在泄漏往往容易被忽略。
2、环模设备检漏实例
2.1、常用检漏方法介绍
2.1.1、氦质谱检漏法
氦质谱检漏法使用氦质谱检漏仪来完成,其检漏灵敏度可以达到10-9 Pam3/s甚至更高。检漏仪通常接在前级泵与分子泵之间,如图1 所示。目前大多数检漏仪具有逆流检漏功能或质谱室能够承受较高的压力,其检漏仪入口处能够在较高的压力下工作。进入检漏仪的示漏气体一部分进入检漏仪的质谱室,另一部分由前级泵抽走。对于大型环模设备,检漏时通常开启1~2 台低温泵。以低温泵为主泵的检漏系统中,低温泵对氦气的分流很小,因此低温泵的引入对系统有效检漏灵敏度影响很小。