竇仁超，喻新發(fā)，孫立臣，洪曉鵬，劉興悅，閆榮鑫，任國華，楊定魁

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于氣相色譜法的電推進航天器氙氣泄漏檢測系統(tǒng)

竇仁超，喻新發(fā)，孫立臣，洪曉鵬，劉興悅，閆榮鑫，任國華，楊定魁

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

為了能夠?qū)﹄娡七M航天器加注后的泄漏進行檢測，對氙氣泄漏檢測方法和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，研制了一套基于氣相色譜法的氙氣泄漏檢測系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，氙氣體積分數(shù)在1×10-7～5×10-4之間時，系統(tǒng)可以定性定量判斷氙氣的真實泄漏量（1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）；而當氙氣體積分數(shù)超過5×10-4時，則應定性判斷電推進系統(tǒng)有大泄漏（泄漏量＞10-2Pa·m3·s-1）。檢測系統(tǒng)能夠滿足電推進航天器加注后泄漏檢測任務的要求。

氣相色譜法；氙氣；泄漏檢測；電推進航天器

0 引言

電推進具有高比沖、長壽命和可實現(xiàn)高度自主巡航等特點，因此成為歐美各航天大國重點研究的對象，并成功應用于深空探測、高軌通信等長壽命在軌任務［1-3］。電推進航天器的全面發(fā)展使得現(xiàn)有航天器推進系統(tǒng)發(fā)生重大變革［4-6］。電推進系統(tǒng)使用的推進劑一般為惰性氣體，氙氣以其原子質(zhì)量大、易電離等優(yōu)點成為電推進系統(tǒng)首選推進劑［7］；但是高濃度的氙氣具有較大的毒理性質(zhì)［8-10］，在氙氣充放氣期間、電推進系統(tǒng)發(fā)射場加注和加注后存儲期間需要對環(huán)境中的氙氣體積分數(shù)進行監(jiān)測，以保證現(xiàn)場工作人員的人身安全。同時，電推進航天器一般具有較長的壽命，攜帶的推進劑相對較少，其對泄漏的容忍度更低，因此也需要對加注后的電推進航天器的泄漏狀態(tài)進行檢測。

氦質(zhì)譜檢漏儀和四極質(zhì)譜儀是航天器泄漏檢測工作中最常用的設備［11-14］。氦質(zhì)譜檢漏儀具有設備體積小、移動靈活、檢測靈敏度高、測試時間短、定性定量容易等優(yōu)點，被廣泛應用在檢漏的各個領(lǐng)域內(nèi)，但是其只能以氦氣或氫氣作為示漏氣體。四極質(zhì)譜儀具有檢測氣體種類多、檢測靈敏度高、物質(zhì)定性能力強、可以對殘余氣體中的多種氣體同時進行檢測等優(yōu)點，但是其一般用于真空環(huán)境下的真空檢漏工作［14］。

為了能夠完成電推進航天器加注期間和加注后周圍環(huán)境中氙氣體積分數(shù)的變化和航天器整體泄漏狀態(tài)的檢測，本文對基于氣相色譜技術(shù)的電推進系統(tǒng)泄漏檢測方法和檢測設備進行了研究。

1 泄漏檢測方法研究

1.1電推進系統(tǒng)泄漏導致環(huán)境氙氣體積分數(shù)變化的分析

從最惡劣情況對推進劑加注環(huán)境中的氙氣體積分數(shù)進行分析：如加注所用氙氣最大需求量為120kg，加注大廳空間尺寸約10m×10m×10m，即1000m3，假設所有氙氣均泄漏在加注大廳中未擴散至室外，且大廳內(nèi)氣體均勻混合。查資料［15］得到0.1MPa氣壓下，氙氣的壓縮系數(shù)在15℃和50℃時為分別0.9941和0.9959，可粗略取其為0.995。利用氣體狀態(tài)方程計算得到0.1MPa氣壓下氙氣的分壓約為2900Pa，即體積分數(shù)為2.9%，遠高于氙氣的體積分數(shù)安全上限（0.3%），因此必須對現(xiàn)場環(huán)境的氙氣體積分數(shù)變化進行檢測。

使用現(xiàn)有的儀器設備和檢測方法不能在氙氣加注后對航天器進行泄漏檢測，無法掌握航天器的氙氣泄漏真實情況。因此，氙氣加注后會將航天器放置在包裝箱內(nèi)一段時間，在此期間可對航天器推進分系統(tǒng)的總漏率進行檢測，以確定其是否滿足要求。依據(jù)航天器總漏率檢測流程和標準要求，航天器需要在包裝箱內(nèi)放置24h，包裝箱內(nèi)的氙氣體積分數(shù)將會產(chǎn)生一定變化。存放航天器的包裝箱體積約為80m3，按照電推進分系統(tǒng)總漏率設計指標（1×10-4Pa·m3·s-1）計算出的氙氣體積分數(shù)增加值為 1.08×10-6，故氙氣泄漏檢測設備的指標應優(yōu)于1×10-6。

綜上所述，為了保證航天器推進分系統(tǒng)密封性能和加注現(xiàn)場工作人員的健康安全，需要對發(fā)射場加注期間和加注后周圍環(huán)境中氙氣體積分數(shù)進行檢測，氙氣泄漏檢測設備的指標應優(yōu)于1×10-6。該指標即為本研究中電推進系統(tǒng)氙氣泄漏檢測系統(tǒng)設計的目標值。

1.2微量氣體成分檢測方法的選擇

目前適用于檢測空氣中微量氣體成分的原理和方法有多種，如四極質(zhì)譜儀、氣相色譜儀、氣體傳感器以及各種專用氣體分析儀。它們各有其特定的使用環(huán)境：如四極質(zhì)譜儀一般用于真空殘余氣體分析，通過分析質(zhì)荷比以及離子碎片確定分析對象的組成結(jié)構(gòu)，具有較好的定性能力［14，16-18］；氣相色譜儀一般用于分析正壓或高壓氣體環(huán)境中常量和微量氣體成分，利用不同物質(zhì)在固定相和流動相分配系數(shù)的差別，使不同化合物從色譜柱流出的時間不同，然后通過檢測器確定每種組分的含量，具有較好的分離定量能力［19-20］；氣體傳感器利用氣體與傳感器間特定的物理屬性、化學反應等作用將氣體的成分、含量等信息反映到儀表或計算機，對特定待測氣體具有選擇性，一般一種類型的氣體傳感器只能檢測某一種氣體［21-23］。由于氣體傳感器具有體積小、功耗低、重量輕、靈敏度高、重復性好、成本低，以及集成化和智能化等優(yōu)點，所以在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中逐漸被廣泛使用，用于檢測大氣環(huán)境某些特定氣體成分和含量變化。為了更加直觀了解上述三種氣體成分檢測方法的特點，將它們的優(yōu)缺點進行比較，見表1。

表1　三種測試方法優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of three methods for detecting trace gases

表1?。ɡm(xù)）

從表1可以看出：四極質(zhì)譜儀和氣相色譜儀均具有較高的靈敏度和較強的檢測能力，但是儀器系統(tǒng)相對復雜。氣體傳感器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定、可靠使用環(huán)境要求低，但是已有的商業(yè)化氙氣傳感器檢測靈敏度僅為10-3，達不到發(fā)射場電推進系統(tǒng)氙氣泄漏檢測要求。

四極質(zhì)譜儀和氣相色譜儀可以滿足多種氣體成分檢測和電推進發(fā)射場檢漏需求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，為搭建檢測能力優(yōu)于10-6級別的氙氣泄漏檢測系統(tǒng)，以氣相色譜儀為核心則性價比較高，且更適合檢測空氣中或正壓環(huán)境中各氣體成分含量變化。

2 測試系統(tǒng)組成

利用氣相色譜儀測試特點研發(fā)一套加注期間及加注后電推進航天器氙氣泄漏檢測系統(tǒng)，由氣相色譜儀、循環(huán)泵、風扇、航天器包裝箱（或加注大廳）以及加注氙氣后的航天器等組成，如圖1所示。航天器包裝箱主要用于富集氙氣，風扇用于將泄漏的氙氣混合均勻，循環(huán)泵將航天器周圍環(huán)境的氣體取送至氣相色譜儀的取樣器（一般為定量環(huán)）內(nèi)，通過進樣閥將待測氣體切換至色譜柱內(nèi)進行分離，由檢測器依次給出分離后的各成分含量響應信號。

為了驗證氙氣泄漏檢測系統(tǒng)的性能，進行了大量測試試驗。測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由氙氣泄漏檢測系統(tǒng)、標定設備等組成，并用航天器檢漏收集容器模擬加注大廳，其密閉空間體積為86m3。通過標定設備（如圖2（c）所示）采用專利技術(shù)向模擬加注大廳內(nèi)充入高純氙氣，使得模擬加注大廳內(nèi)氙氣體積分數(shù)分別達到 5×10-7、1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、1.5×10-4、1×10-3和 1×10-2，測得氙氣泄漏檢測系統(tǒng)在各氙氣體積分數(shù)值下的信號響應量，以判斷系統(tǒng)的測試能力。

圖1　氣相色譜法航天器氙氣泄漏檢測系統(tǒng)Fig. 1 The spacecraft leak detection system with GC

圖2　氙氣泄漏檢測系統(tǒng)測試試驗Fig. 2 The leak detection experiments for the electric propulsion spacecraft

3 試驗結(jié)果

模擬加注大廳內(nèi)空氣中不同氙氣體積分數(shù)的測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　空氣中不同氙氣體積分數(shù)（5×10-7、1×10-6、5×10-6、1×10-5）測試結(jié)果Fig. 3 The test results with 5×10-7， 1×10-6， 5×10-6，1×10-5xenon in the air

圖4　空氣中不同氙氣體積分數(shù)（1×10-4、1.5×10-4、1×10-3、1×10-2）測試結(jié)果Fig. 4 The test results of 1×10-4， 1.5×10-4， 1×10-3，1×10-2xenon in the air

從圖3和圖4可以看出：新研制的氙氣泄漏檢測系統(tǒng)的氙氣體積分數(shù)檢測范圍下限為5×10-7、上限為1×10-2。試驗過程中測試氣相色譜儀的本底噪聲約為0.3mV，其檢測1.5×10-4標準體積分數(shù)氙氣時的響應值為420mV，可以計算出氙氣泄漏檢測系統(tǒng)在當前條件下的氙氣檢測靈敏度為 A=0.3× 1.5×10-4÷420≈1×10-7。另外，氙氣體積分數(shù)在1×10-7～5×10-4之間時，測試信號具有較好線性關(guān)系，可以定性定量判斷氙氣的真實泄漏量（1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）；而當氙氣體積分數(shù)超過5×10-4時，則可以定性判斷電推進系統(tǒng)有大泄漏（泄漏量＞10-2Pa·m3·s-1）。

可見該氙氣泄漏檢測系統(tǒng)能夠真實反映電推進航天器加注后的泄漏情況，具備完成型號檢測任務要求的能力。

4 結(jié)束語

為滿足電推進航天器泄漏檢測任務需求，調(diào)研了多種泄漏檢測方法和設備后，研制了基于氣相色譜法的電推進航天器氙氣泄漏檢測系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)簡單、成本低、檢測靈敏度高，能直接定量檢測環(huán)境中的氙氣體積分數(shù)。試驗證明，該系統(tǒng)定量檢測氙氣體積分數(shù)變化范圍為 1×10-7～5×10-4，并能定性檢測5×10-4以上的氙氣體積分數(shù)變化，可以實現(xiàn)電推進航天器推進劑泄漏的快速檢測，為有關(guān)航天任務的可靠實施提供保障。

（References）

［1］ 胡照， 王敏， 袁俊剛. 國外全電推進衛(wèi)星平臺的發(fā)展及啟示［J］. 航天器環(huán)境工程， 2015， 32（5）:566-570 HU Z， WANG M， YUAN J G. A review of the development of all-electric propulsion platform in the world［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2015，32（5）:566-570

［2］ BOND T A， CHRISTENSEN J A. NSTAR ion thruster and power processors:NASA/CR-1999-209162［R］， 1999

［3］ RAWLIN V K， SOVEY J S， HAMLEY J A. An ion propulsion system for NASA’s deep space missions:AIAA 99-4612［R］， 1999

［4］ 吳漢基， 蔣遠大， 張志遠. 電推進技術(shù)的應用與發(fā)展趨勢［J］. 推進技術(shù)， 2003， 24（5）:385-392 WU H J， JIANG Y D， ZHANG Z Y. Application and development trend of electric propulsion technology［J］. Journal of Propulsion Technology， 2003， 24（5）:385-392

［5］ 黃良甫. 電推進系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢［J］. 真空與低溫， 2005， 11（1）:1-8 HUANG L F. The development situation and direction of electric propulsion systems［J］. Vacuum and Cryogenics，2005， 11（1）:1-8

［6］ 張郁. 電推進技術(shù)的研究應用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.火箭推進， 2005， 31（2）:27-36 ZHANG Y. Current status and trend of electric propulsion technology development and application［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2005， 31（2）:27-36

［7］ GANAPATHI G B， RAYMAN M D， GREEN S， et al. Effects of xenon propellant on the spin up/down of the dawn spacecraft:AIAA 2007-5202［R］， 2007

［8］ BENRATH J， KEMPF C， GEORGIEFF M， et al. Xenon blocks the induction of synaptic long-term potentiation in pain pathways in the rat spinal cord in vivo［J］. Anesth Analg， 2007， 104（1）:106-111

［9］ JOYCE J A. Xenon:anesthesia for the 21st century［J］. AANA J， 2000， 68（3）:59-64

［10］ 張楊， 王常松， 李恩有. 氙氣麻醉的研究進展［J］. 醫(yī)學綜述， 2012， 18（18）:3062-3064 ZHANG Y， WANG C S， LI E Y. Research progress of xenon in anesthesia［J］. Medical Recapitulate， 2012，18（18）:3062-3064

［11］ 閆榮鑫， 劉平， 馮琪， 等. 質(zhì)譜分析多系統(tǒng)航天器檢漏研究［J］. 中國空間科學技術(shù)， 2001（4）:42-49 YAN R X， LIU P， FENG Q， et al. The study of mass spectrometer analysis leak detection［J］. Chinese Space Science and Technology， 2001（4）:42-49

［12］ 吳孝儉， 閆榮鑫. 泄漏檢測［M］. 北京:機械工業(yè)出版社， 2005:1-139

［13］ 胡茂中， 白國云. 低充氦濃度氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)應用研究［J］. 真空科學與技術(shù)學報， 2011， 31（2）:208-211 HU M Z， BAI G Y. Application of helium mass spectrometer in detecting leak of very low helium concentration［J］. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology， 2011， 31（2）:208-211

［14］ DE HOFFMANN E. Mass spectrometry principles and applications［M］. 2nd ed. Chichester:Jonh Wiley & Sons， 2002:64-72

［15］ 喻新發(fā)， 孫立臣， 竇仁超， 等. 電推進系統(tǒng)工質(zhì)氙氣充裝特性試驗研究［J］. 航天器環(huán)境工程， 2014， 31（6）:640-645 YU X F， SUN L C， DOU R C， et al. Experimental study of charge characteristics of xenon working gases for electric propulsion system［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2014， 31（6）:640-645

［16］ UNDERWOOD S D， HOLT A. International space station node 1 helium accumulation leak rate test［C］//20thSpace Simulation Conference the Changing Testing Paradigm. Annapolis， MD， 1998-11:141-148

［17］ UNDERWOOD S D， HOLT A. International Space Station moduale acceptance leak testing［C］//Proceedings of the 18thAerospace Testing Seminar. Manhattan Beach， CA， 1999:239-255

［18］ HIROKI S， LADD P， SHAUDEL K， et al. Development of a high-resolution quadrupole mass spectrometer capable of detecting 3He and 4He in a hydrogen isotope atmosphere［J］. J Vac Sci Technol， 1994（A12）:2711-2715

［19］ DOEMAN F L， OVERTON E B， WHITING J J， et al. Gas chromatography［J］. Analytical Chemistry， 2008，80（12）:4487-4497

［20］ DORMAN F L， WHITING J J， COCHRAN J W， et al. Gas chromatography［J］. Analytical Chemistry， 2010，82（12）:4775-4785

［21］ 唐文彥. 傳感器［M］. 北京:機械工業(yè)出版社， 2012:1-118

［22］ 趙常志， 孫偉. 化學與生物傳感器［M］. 北京:科學出版社， 2013:1-201

［23］ 張廣軍. 光電測試技術(shù)［M］. 北京:中國計量出版社，2003:1-224

（編輯：張艷艷）

A leak detection system for the electric propulsion spacecraft after xenon being filled

DOU Renchao， YU Xinfa， SUN Lichen， HONG Xiaopeng， LIU Xingyue， YAN Rongxin， REN Guohua， YANG Dingkui
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China）

In order to test the leakage of the electric propulsion spacecraft after the xenon being filled， the leak detection methods and the key technologies are studied. A leak detection system is developed based on the gas chromatography （GC）. It is verified by the experiments to be reliable. The result shows that the leak detection system could detect the leak of qualitative analysis and quantitative analysis for the leak of spacecraft （1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）， when the range of the volume fraction of xenon is 1×10-7～5×10-4in the air. If the volume fraction of xenon exceeded 5×10-4， it could confirm that the spacecraft had a huge leak （the leakage＞10-2Pa·m3·s-1）. This system could satisfy the leak detection requirements of the electric propulsion spacecraft.

gas chromatography； xenon gas； leak detection； electric propulsion spacecraft

TB774

B

1673-1379（2016）04-0446-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.019

2016-03-01；

2016-06-28

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研發(fā)項目“電推進系統(tǒng)氙氣充裝與檢漏技術(shù)”（編號：YY-BZ（WM）-2013-02）

竇仁超（1982—），男，碩士學位，主要從事航天器泄漏檢測、有害氣體檢測和分析等工作。E-mail:dourenchao@126.com。