鐘 亮，馮 琪，王靜濤，閆榮鑫

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星的生產(chǎn)過程對(duì)多余物的控制要求非常嚴(yán)格，帶有多余物出廠的產(chǎn)品存在隨機(jī)性的重大質(zhì)量事故隱患[1]。而衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)是對(duì)多余物最為敏感的系統(tǒng)。如果控制不嚴(yán)，多余物進(jìn)入推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部，會(huì)造成內(nèi)部閥門堵塞、過濾元件流導(dǎo)降低、閥門密封元件損傷等，從而使得推進(jìn)系統(tǒng)無法工作、推力下降或閥門出現(xiàn)泄漏等，進(jìn)而造成一路發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的失效，最終導(dǎo)致整個(gè)發(fā)射任務(wù)失敗[2]。衛(wèi)星總裝過程中對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)試包括漏率測(cè)試（又稱檢漏）、減壓器測(cè)試、壓力傳感器測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥測(cè)試等等，其中每一次測(cè)試都有充排氣過程，而以檢漏對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的充排氣操作最多。衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的檢漏需要多次對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行充排氣操作，存在較高的多余物引入風(fēng)險(xiǎn)，因而在檢漏過程中對(duì)多余物的控制要求最為嚴(yán)格。本文通過對(duì)檢漏過程中充氣過程的各個(gè)環(huán)節(jié)多余物情況進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和分析，提出充氣過程中多余物控制的措施。

1 多余物產(chǎn)生環(huán)節(jié)

1.1 來源途徑梳理

衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部多余物來源主要有三個(gè)途徑[3-4]：產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)缺陷造成的遺留多余物[5]，管路裝配焊接環(huán)節(jié)產(chǎn)生的多余物，以及后期充氣過程產(chǎn)生的多余物。衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)焊裝完成后，系統(tǒng)內(nèi)部只有通過充氣才能引入多余物，因而充氣過程是衛(wèi)星研制后期多余物控制的關(guān)鍵點(diǎn)。通過對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的充排氣過程進(jìn)行梳理，得到如圖1所示的故障樹。

圖1 衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)多余物來源途徑Fig.1 Sources of redundant substance in the satellite propulsion system

通過梳理和分析得知，在總裝檢漏任務(wù)中可能會(huì)造成衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部引入多余物的主要方面有氣源、充排氣操作臺(tái)閥門、充排氣操作臺(tái)內(nèi)部壓縮機(jī)工作、工藝管道內(nèi)部殘留、工藝管道組裝過程和工藝管道與衛(wèi)星充排氣接口連接過程等。

1.2 產(chǎn)生原因分析

1）氣源內(nèi)部的多余物

衛(wèi)星充壓氣體均為99.999%的氦氣、氮?dú)獾?。因高純氣體的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定氣體成分的體積百分含量，對(duì)非氣體成分的顆粒未作明確規(guī)定，且氣瓶為重復(fù)使用，所以氣源內(nèi)包含顆粒大小和數(shù)量未知。

2）充排氣操作臺(tái)中的多余物

操作臺(tái)內(nèi)部閥門采用針閥形式，其密封面為相互壓緊的金屬面，在壓緊過程中會(huì)相互摩擦，可能產(chǎn)生多余物。同時(shí)，其上下運(yùn)動(dòng)的螺紋副摩擦也可能產(chǎn)生多余物。此外，充排氣操作臺(tái)內(nèi)部安裝的氣動(dòng)壓縮機(jī)，其內(nèi)部活塞運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)相互摩擦，也有可能產(chǎn)生多余物。

3）工藝管道內(nèi)部遺留的多余物

工藝管道內(nèi)部為波紋結(jié)構(gòu)，難以徹底清洗，因此容易殘留多余物，并且在運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中很可能引入多余物。

4）工藝管道組裝過程和與衛(wèi)星連接過程產(chǎn)生的多余物

工藝管道為單根工藝管道、各種工裝接頭、手動(dòng)閥門和過濾器等的組合體，連接形式多為球頭對(duì)錐面或內(nèi)錐面對(duì)外錐面的密封結(jié)構(gòu)。在連接過程中，管道端口暴露于大氣狀態(tài)下；由于環(huán)境的潔凈度會(huì)隨空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)、人員活動(dòng)等因素而變化[6-7]，因而空氣中的塵埃粒子有進(jìn)入管道的可能性。

工藝管道和衛(wèi)星充排氣接口的連接過程與工藝管道組裝過程類似，均存在密封面的多余物清理問題和多次重復(fù)連接時(shí)引入多余物的風(fēng)險(xiǎn)。工藝管道與衛(wèi)星連接之前，通常必須連接非燒結(jié)型的過濾器。過濾器處于衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)充排氣管路的末端，也是多余物控制的最后關(guān)口，其在充排氣過程中是否有效是多余物控制的關(guān)鍵因素之一。

2 多余物實(shí)際情況測(cè)試

2.1 環(huán)境多余物

在潔凈度為 1萬級(jí)的衛(wèi)星測(cè)試工位附近對(duì)空氣中的多余物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)空氣中含有少量直徑大于10 μm的顆粒物。這些顆粒一般為粉塵，屬于柔性顆粒[8]。

表1 空氣多余物情況（1萬級(jí)，28.3L）Table 1 Redundant particles in the air (Class 10 000)/28.3L

2.2 氣源和充排氣操作臺(tái)多余物

對(duì)25瓶高純氮?dú)狻?6瓶高純氦氣進(jìn)行了多余物測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，高純氮?dú)廨^高純氦氣潔凈度高，其多余物直徑均小于7 μm，滿足檢漏的使用要求。

圖2 氣源和充排氣操作臺(tái)多余物對(duì)比Fig.2 Comparison of redundant particles in the gas source and the charge/discharge operation table

衛(wèi)星充排氣操作臺(tái)的入口和出口處都設(shè)置了7 μm 金屬網(wǎng)格型過濾器。對(duì)閥門在測(cè)試期間不操作和操作時(shí)的多余物情況和啟動(dòng)壓縮機(jī)前后操作臺(tái)輸出氣體的多余物情況進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果亦如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，充排氣操作臺(tái)內(nèi)部殘留有多余物，閥門的操作和壓縮機(jī)的啟動(dòng)都會(huì)增加多余物，但是增加的多余物主要是直徑0.5～1 μm的顆粒。通過出口過濾器的有效控制，充排氣操作臺(tái)的輸出氣體多余物滿足檢漏要求。

2.3 管道連接過程產(chǎn)生的多余物

通過對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行取樣分析[9-11]，得到微量1Cr18Ni9Ti零件摩擦產(chǎn)生的磨屑；將磨屑使用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分布分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，1Cr18Ni9Ti材料的磨屑粒度主要集中在7～50 μm，通過7 μm的過濾器可以有效控制該種剛性顆粒。

圖3 1Cr18Ni9Ti零件磨屑粒度分布Fig.3 Distribution of 1Cr18Ni9Ti abrasive dust

2.4 充壓工藝管道內(nèi)部多余物

經(jīng)過對(duì)實(shí)際使用的不銹鋼金屬軟管進(jìn)行一系列的測(cè)試（結(jié)果如表 2所示），分析可知，管道長(zhǎng)期使用或者長(zhǎng)時(shí)間存放后，內(nèi)部會(huì)有較多直徑 7 μm以下的多余物。通過高純氮?dú)膺M(jìn)行吹除后，其數(shù)量會(huì)明顯減少。由于這些多余物直徑均小于7 μm，故不影響其所在管道在檢漏時(shí)的正常使用。

表2 在用不銹鋼金屬軟管多余物情況/990 LTable 2 Redundant substance in the old flexible stainless hose/990 L

2.5 過濾器的過濾效果測(cè)試

為了試驗(yàn)衛(wèi)星充排氣過程中使用的7 μm保護(hù)過濾器的過濾作用，專門設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。在測(cè)試時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)顆粒進(jìn)行測(cè)試，金屬與礦物粒子（1～200 μm）、球形玻璃粒子（1～40 μm）、鎳球（2～10 μm）、不銹鋼球（24～65 μm 和 60～125 μm），每次測(cè)試時(shí)每種顆粒取0.1 g，共計(jì)0.5 g。在進(jìn)行不同壓力狀態(tài)時(shí)加入的是各種顆粒的混合物，每一個(gè)壓力下的測(cè)試均使用新的測(cè)試過濾器，測(cè)試結(jié)果如表3所示；在進(jìn)行30 MPa壓力試驗(yàn)時(shí)，每次加入一種顆粒，每一種顆粒均使用新的測(cè)試過濾器，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖4 金屬過濾器過濾效果試驗(yàn)系統(tǒng)氣路原理Fig.4 Gas circuit of the test system for examining the metallic filter’s performance

表3 不同壓力下過濾前后的顆粒個(gè)數(shù)/990 LTable 3 The number of redundant particles before and after filtration at different pressures /990 L

表4 30 MPa下不同顆粒過濾前后的個(gè)數(shù)/990 LTable 4 The number of redundant particles before and after filtration for different particles at 30 MPa/990 L

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力在20 MPa以下，過濾器對(duì)于各種顆粒的過濾作用均有效；在30 MPa壓力下的開閥瞬間，過濾器下游出現(xiàn)了大于7 μm的顆粒，但7 μm以上顆粒數(shù)不再隨時(shí)間增加。對(duì)各種顆粒單獨(dú)在30 MPa壓力下進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，過濾器對(duì)于不同的金屬剛性顆粒的過濾作用不會(huì)失效，但是對(duì)于金屬與礦物粒子顆粒在開閥瞬間出現(xiàn)失效，因而可以判斷在30 MPa的壓力下過濾器對(duì)于柔性粒子的過濾能力下降。通過后續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)緩慢開啟充壓閥門，使過濾器兩端的壓差小于要求的最大壓差0.68 MPa時(shí)，過濾器不會(huì)失效。

試驗(yàn)證明過濾器的納污能力較強(qiáng)——0.5 g的多余物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際檢漏中遇到的多余物質(zhì)量，但是其流阻并沒有明顯變化，且能夠保證過濾器的過濾精度。

3 多余物控制措施

通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)而言，在總裝檢漏及其他需要充排氣的測(cè)試過程中，可以采用以下控制措施來減少多余物的引入：

1）衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的充排氣必須在1萬級(jí)環(huán)境下安裝管道，并減少管道端口暴露大氣的時(shí)間，斷開連接后應(yīng)該及時(shí)對(duì)各端口進(jìn)行密封保護(hù)；

2）供氣氣源必須采用高純氣體，氣體引入充排氣操作臺(tái)前，必須對(duì)氣瓶的接口進(jìn)行清潔處理，防止其暴露大氣期間積累的多余物進(jìn)入充排氣操作臺(tái)管道內(nèi)部；

3）充排氣操作臺(tái)研制時(shí)要求零部件內(nèi)部必須經(jīng)過清潔處理，并在充排氣操作臺(tái)的出口和入口安裝7 μm金屬網(wǎng)格型過濾器，研制完成后需要對(duì)各充氣口進(jìn)行多余物測(cè)試，測(cè)試合格后才可應(yīng)用于衛(wèi)星測(cè)試；

4）工藝管道組件必須按照星上管道的潔凈度要求經(jīng)過嚴(yán)格清洗后才能使用；

5）充排氣系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)連接時(shí)，應(yīng)該在1萬級(jí)環(huán)境下進(jìn)行，連接前必須對(duì)連接面進(jìn)行清潔（用蘸無水乙醇的綢布或者無塵拭布擦拭）；

6）充排氣系統(tǒng)連接完成后可采用高純氮?dú)獯党姆绞綔p少管道內(nèi)部的多余物，吹除完成后必須對(duì)各端口進(jìn)行密封保護(hù)，在與衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)接口連接時(shí)再打開連接端口；

7）工藝管道組件的末端必須根據(jù)需要安裝一個(gè)具有一定精度和壓力范圍的金屬網(wǎng)格型過濾器，再與衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)充排氣接口連接；

8）對(duì)于金屬網(wǎng)格型過濾器，在使用過程中必須控制其充氣速率的變化，保證其出入口兩端壓力差低于其最大允許壓差。

4 控制效果

為證明上述控制措施的效果，在某衛(wèi)星檢漏前，按照?qǐng)D4所示的方法進(jìn)行相關(guān)連接和操作。對(duì)連接后管道系統(tǒng)內(nèi)的多余物進(jìn)行了4組測(cè)試，結(jié)果如表5所示。從測(cè)試結(jié)果來看，采取本文第3部分所述控制方法完全杜絕了大于7 μm的多余物進(jìn)入衛(wèi)星接口，極大地減少了衛(wèi)星在檢漏過程中多余物的引入概率。

表5 多余物控制效果/990 LTable 5 Control effect of redundant substances /990L

5 結(jié)束語

通過梳理衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的多余物的產(chǎn)生途徑和原因，并進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)試試驗(yàn)，分析衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)總裝檢漏時(shí)可能引入多余物的各方面情況，總結(jié)出若干條多余物控制措施。這些措施的控制效果在實(shí)際衛(wèi)星檢漏工作中得到了充分驗(yàn)證，可以推廣應(yīng)用于各種航天器的推進(jìn)系統(tǒng)安裝和測(cè)試中，對(duì)提高航天器推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性具有實(shí)際意義。

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