回天力 ，劉剛 ，高靜 ，賈東永 ，楊純 ，孫國輝

（1北京衛(wèi)星制造廠，北京100190；2中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094；3國家知識產(chǎn)權局，北京100088）

1 引言

空間站是我國載人航天工程的重點項目，未來的空間站主要任務是開展有人照料的空間科學實驗和應用技術試驗，為航天員長期駐留提供必要生活和工作條件的大型綜合平臺。此外，空間站長期處于太空運行和工作，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大且功能復雜。一旦出現(xiàn)泄漏事件，勢必危及空間站的正常工作和航天員的生命安全。因此能夠在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)空間站的泄漏，并向航天員發(fā)出警報以便其采取相應的應急與補救措施成為空間站必須解決的關鍵問題。

國外的空間站建立較早，主要有蘇/俄的“禮炮”號系列空間站、“和平”號（MIR）空間站，美國的“天空實驗室”，歐洲航天局的空間實驗室（Spacelab），以及由美、俄、日、歐等16國共同建設的國際空間站（ISS）。

這些空間站運行期間，受真空、高低溫交變、微流星及空間碎片、原子氧、太陽輻射及宇宙射線等的作用[1]，均不同程度的受到泄漏的威脅，如國際空間站在2004年1月和2007年11月曾先后兩次發(fā)生艙體的泄漏故障[2]。為解決空間站泄漏監(jiān)測問題，從1990年起，美國就開始進行空間站的泄漏監(jiān)測研究，多年的研究成果表明[3]：對于貫穿性裂縫的泄漏最有效的檢測方式是采用“艙壓監(jiān)測法”；對于沖擊（微流星、空間碎片引起的）、裂紋、孔洞引起的泄漏最有效的監(jiān)測方式是“聲發(fā)射法”。“聲發(fā)射法”的優(yōu)勢在于可以在監(jiān)測泄漏的同時進行漏點的定位，但系統(tǒng)復雜、核心技術多、研制難度大，僅有美國等極少數(shù)國家掌握該項技術；“艙壓監(jiān)測法”的優(yōu)勢在于系統(tǒng)相對簡單，有效載荷小，技術攻關周期短，可在短期內(nèi)實現(xiàn)裝備，且配合便攜式檢漏儀同樣可以實現(xiàn)漏點的快速定位，因此，本文重點針對“艙壓監(jiān)測法”提出一種基于“絕壓法”的空間站泄漏監(jiān)測報警方案。

2 絕壓法泄漏監(jiān)測原理

“絕壓法”又名“壓降法”，是通過測量被檢產(chǎn)品在一定時間內(nèi)由泄漏引起的壓力變化量來檢漏的一種方法。其原理如圖1所示。

壓降法漏率的計算公式為：

式中：Q為被檢系統(tǒng)漏率，Pa·m3/s；V為被檢件的內(nèi)部容積，m3；t為測量周期，s；P1為被檢件內(nèi)部壓力初值，Pa；T1為被檢件內(nèi)部溫度初值，K；P2為被檢件內(nèi)部壓力終值，Pa；T2為被檢件內(nèi)部溫度終值，K。

采用絕壓法對空間站進行泄漏監(jiān)測，只需實時監(jiān)控艙內(nèi)的壓力和溫度變化（必要時采取技術手段消除環(huán)境因素波動影響），并通過壓力下降速度計算出漏率，將漏率以顯示或報警的方式提供航天員進行處置，即可實現(xiàn)空間站泄漏監(jiān)測的目的。

圖1 壓降法檢漏原理圖[4]

3 空間站環(huán)境條件

充分了解空間站艙體環(huán)境是研究艙體泄漏監(jiān)測技術方案的前提。

3.1 空間站艙外環(huán)境[6]

艙體處于約400km的宇宙空間，艙體向陽面的溫度高達200℃，背陽面則低于零下100℃。它將直接影響著艙體內(nèi)的溫度環(huán)境。

3.2 空間站艙內(nèi)環(huán)境

（1）艙體內(nèi)部有大量熱源。除艙壁對宇宙空間的熱輻射外，主要是艙內(nèi)有多種發(fā)熱的儀器設備，還有航天員產(chǎn)生的熱量。艙體內(nèi)壁設有溫控泡沫材料，環(huán)控生保系統(tǒng)通風（風速為0.2m/s）使核心艙（118m3）內(nèi)溫度控制在（22.5±3.5）℃之內(nèi)，但艙內(nèi)局部溫度仍會超出上述范圍。

（2）艙體內(nèi)部氣體成分及其質(zhì)量始終處于動態(tài)過程。除艙體自身泄漏外，航天員每人每天耗氧量和排濕量分別為：0.85kg、1.82kg，同時呼出1.0kg的二氧化碳，至少有25種有毒有害物質(zhì)，如二甲基胺、酚、苯、四氯乙烯等，其中有16種揮發(fā)性毒物質(zhì)，還有各種病菌。環(huán)控生保系統(tǒng)為確保航天員的生活質(zhì)量和安全，當艙內(nèi)壓力高于101kPa時及時泄壓、當艙內(nèi)壓力低于81kPa時及時增壓、及時補氧和消除有毒有害的物質(zhì)。用以確保艙內(nèi)部的壓力為（91±10）kPa；氧分壓為（22±2）kPa；濕度為（50±20）%；二氧化碳小于1kPa。

（3）艙內(nèi)的儀器設備產(chǎn)生不同頻率的噪音。

（4）艙內(nèi)最大允許泄漏率為：0.49Pa·m3/s。

4 泄漏監(jiān)測報警模式

當空間站艙體發(fā)生泄漏時，要求發(fā)現(xiàn)的時間越早越好。航天員需要從泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)獲得排障期限比獲得泄漏率更為重要。為此泄漏監(jiān)測報警可采用聲、光報警與顯示“排障期限”相結(jié)合的方式。其中燈光又分為：綠、黃、紅三色等級，依次表示不同的泄漏等級；聲音報警分為兩級，用鈴聲或語音提示來進行分級報警。同時采用液晶屏顯示相應的允許排障期限和漏率數(shù)據(jù)?！芭耪掀谙蕖笔侵概搩?nèi)壓力泄漏到81kPa的時間，分別以大于1年、1年至1天、小于1天三個等級進行劃分，并與聲、光報警相對應。報警顯示內(nèi)容如表1所示。

表1 報警模式與等級劃分

5 絕壓法泄漏監(jiān)測方案對比分析

通過空間站密封艙內(nèi)部環(huán)境分析可知，密封艙體內(nèi)氣體成分多，處于動態(tài)變化中，有航天員生活時，密封艙內(nèi)的氧氣、二氧化碳、水汽等氣體時刻處于變化中，如果采用總壓力及上面提到的幾種氣體做介質(zhì)來監(jiān)測壓力變化比較困難。同時，通過進一步分析，在環(huán)控生保系統(tǒng)中，無論是有人狀態(tài)還是無人狀態(tài)，艙體在不發(fā)生泄漏的前提下，氮氣都是最穩(wěn)定的。此外，氮氣在空氣中占有量是最多的，約占80%。因此從理論上講，采用氮氣的分壓力來測量和監(jiān)測密封艙內(nèi)壓力的變化能夠排除諸多干擾因素，能夠有效地監(jiān)測艙內(nèi)壓力變化，從而可作為絕壓法監(jiān)測空間站艙體泄漏的優(yōu)選方案。

采用絕壓法測量氮氣分壓力進行空間站泄漏監(jiān)測主要有“氮分壓直接監(jiān)測法”和“氮分壓間接監(jiān)測法”兩種方法。下面以一個容積118m3，漏率4.9×10-2Pa·m3/s的空間站工作艙為例，計算兩種方法在艙壓從95kPa下降至81kPa時的報警反應時間及反應時間的占用率（最短報警反應時間與排障時間的比值）。

5.1 氮分壓直接監(jiān)測法

氮分壓直接監(jiān)測法是通過直接測量空間站工作艙內(nèi)的氮分壓和溫度來計算艙體漏率和實施報警的。泄漏檢測系統(tǒng)檢測的是艙體漏率，艙體漏率Q與艙體有效容積V有關，還與時間Δt內(nèi)艙體泄漏的氮分壓壓降ΔPN有關。即

式中，Q為艙體漏率，Pa·m3/s；V為艙體有效容積，m3；ΔPN為氮分壓壓降，Pa；Δt為泄漏時間，s；γN為艙內(nèi)氮分壓的濃度，%。

（1）當艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化影響到氮分壓直接檢測時：

艙內(nèi)氮分壓（N2）為：76.16 kPa，檢測誤差為：762Pa；氬分壓（Ar）為：0.93kPa，由于艙內(nèi)有航天員生活，氧分壓（O2）為：22±2kPa；二氧化碳分壓（CO2）為：0.55±0.45kPa；水氣分壓（H2O）為：1.3576±0.9856kPa；氮分壓PN及其濃度γN關系為：

式中，PN、PO、PC、PH、PA分別為艙內(nèi) N2、O2、CO2、H2O、Ar的分壓，單位Pa。

式中，ΔPN為時間內(nèi)氮分壓的變化量（單位Pa）；PN1、PO1、PC1、PH1、PA1、T1分別為時間初始時的艙內(nèi) N2、O2、CO2、H2O、Ar的分壓（單位 Pa） 和艙內(nèi)絕對溫度（單位 K）；PN2、PO2、PC2、PH2、PA2、T2分別為 Δt時間后的艙內(nèi) N2、O2、CO2、H2O、Ar的分壓（單位 Pa）和艙內(nèi)絕對溫度（單位K）。

氮分壓濃度變化量δγN如表2所列。

按照誤差的傳遞理論，ΔPN/γN的誤差 δ（ΔPN/γN）可用下式表示：

表2 氮分壓濃度變化量

式中，PN2，δPN1為艙內(nèi)氮分壓及其檢測誤差，Pa；T2，δT1為艙內(nèi)氣體溫度及其檢測誤差，K；PO2，δPO1為艙內(nèi)氧分壓及其誤差，Pa；PC2，δPC1為艙內(nèi)二氧化碳分壓及其誤差，Pa；PH2，δPH1為艙內(nèi)水氣分壓及其誤差，Pa；PA2，δPA1為艙內(nèi)氬分壓及其誤差，Pa。

設：PN2＝76.16kPa；δPN1=762Pa；T2=295.65K；δT1為:1℃；經(jīng)計算 ΔPN/γN的誤差值為 3582Pa。

任何檢測系統(tǒng)都存在著檢測誤差，同樣監(jiān)測系統(tǒng)要想檢測到泄漏，泄漏必須經(jīng)過一段Δtmin時間，其泄漏量大于監(jiān)測系統(tǒng)自身的檢測誤差時才能檢測到泄漏。這段 Δtmin時間即為“最短反應時間”（Δtmin=δΔP總·Δt/14kPa）。

通過空間站工作艙的容積，可計算得到艙內(nèi)壓力從95kPa降到81kPa的時間，這個時間為允許的排障期限。再用ΔP總的檢測誤差δΔP總，可計算得到艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化影響氮分壓直接檢測時的最短反應時間及其占用率，如表3所列：

（2）當艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化不影響氮分壓直接檢測時：

式中，PN1，T1為Δt時間初始時的艙內(nèi)氮分壓和艙內(nèi)絕對溫度（K）；PN2，T2為Δt時間后的艙內(nèi)氮分壓和艙內(nèi)絕對溫度（K）。

按照誤差的傳遞理論，ΔPN/γN的誤差 δ（ΔPN/γN）可用下式表示：

式中，PN2，δPN1為艙內(nèi)氮分壓及其檢測誤差，Pa；T2，δT1為艙內(nèi)氣體溫度及其檢測誤差，K。

用 ΔP總的檢測誤差 δΔP總，可計算得到艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化不影響氮分壓直接檢測時的最短反應時間及占用率如表4所列：

5.2 氮分壓間接監(jiān)測法

氮分壓間接監(jiān)測法是通過間接測量空間站工作艙內(nèi)的氮氣分壓和溫度來計算艙體漏率和實施報警的。這種方法需要分別測量艙內(nèi)的總壓力以及氣體組分的分壓力，通過計算得到氮氣分壓力。艙體的漏率計算公式與式（2）相同。

表3 艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化影響氮分壓直接檢測時的最短反應時間及占用率

表4 艙內(nèi)其它氣體質(zhì)量變化不影響氮分壓直接檢測時的最短反應時間及占用率

由于艙內(nèi)有航天員生活，氮分壓PN以及ΔPN可用下式表示：

式中，ΔPN為Δt時間內(nèi)氮分壓的變化量（單位Pa）；P總1、PO1、PC1、PH1、PA1、T1分別為 Δt時間初始時的艙內(nèi)總壓、O2、CO2、H2O、Ar的分壓（單位 Pa）和艙內(nèi)絕對溫度（單位 K）；P總2、PO2、PC2、PH2、PA2、T2分別為 Δt時間后的艙內(nèi)總壓、O2、CO2、H2O、Ar的分壓（單位Pa）和艙內(nèi)絕對溫度（單位K）。

（1）艙總壓，O2分壓，CO2分壓，H2O 分壓，Ar分壓都檢測時，并假設：

按照誤差的傳遞理論，ΔPN的誤差δΔPN可用下式表示：

用 δΔPN值，可計算得到艙總壓、O2分壓、CO2分壓、H2O分壓、Ar分壓都檢測時最短反應時間及占用率如表5所示：

（2）只檢測艙總壓，O2分壓，其他氣體分壓忽略，并假設：

按照誤差的傳遞理論，ΔPN的誤差δΔPN可用下式表示：

用 δΔPN值可計算得到只檢測艙總壓、O2分壓時最短反應時間及占用率如表6所列。

5.3 泄漏監(jiān)測方案對比

反應時間是一個絕對數(shù)值，不同容積的艙體有不同的反應時間，其大小并不能直接評價監(jiān)測方案的性能；而反應時間占用率是一個相對數(shù)值，它是反應時間與排障時間的比值，它反映了報警時間占航天員處置泄漏時間的比重，因而可以用來評價報警反應的快慢，且只與泄漏監(jiān)測方法有關，與艙體的容積無關。

表5 艙總壓，O2分壓，CO2分壓，H2O分壓，Ar分壓都檢測時最短反應時間及占用率

表6 只檢測艙總壓，O2分壓時最短反應時間及占用率

表7 絕壓法泄漏監(jiān)測方案對比

表7列出了兩種絕壓法泄漏監(jiān)測方案的反應時間占用率及其特點，通過比較可以看出，氮分壓間接監(jiān)測法（扣除O2、CO2、H2O、Ar分壓）的報警速度最快，具有最好的監(jiān)測報警效果。

6 結(jié)論

采用絕壓法測量氮氣分壓力來監(jiān)測密封艙內(nèi)壓力的變化能夠排除諸多干擾因素，可作為有人值守時空間站艙體泄漏監(jiān)測的優(yōu)選方案。泄漏監(jiān)測報警可采用聲、光報警與顯示“排障期限”相結(jié)合的分級報警模式。氮分壓間接監(jiān)測法（扣除O2、CO2、H2O、Ar分壓）比氮分壓直接監(jiān)測法具有更快的報警速度，且可有效利用環(huán)控生保系統(tǒng)提供的分壓信號，可作為有人值守期間空間站艙體泄漏監(jiān)測與報警的一種可行方案?！?/p>

［1］黃本誠.空間環(huán)境工程學[M].北京：宇航出版社，1993:130.

［2］喻新發(fā)，閆榮鑫，邵容平，等.空間站在軌密封檢漏技術研究[J].航天器環(huán)境工程，2008，25（2）：177-182.

［3］William C.Wilson,Neil C.Coffey,and Eric I.Madaras.Leak Detection and Location Technology Assessment for Aerospace Applications.NASA/TM-2008-215347.

［4］回天力，閆治平，金春玲，等.采用壓降檢漏法對大型密封容器檢漏時的“升壓”現(xiàn)象分析[J].航天器環(huán)境工程，2011，28（3）：264-267.

［5］閆榮鑫.常用密封檢漏方法的注意事項[C]∥第十四屆全國質(zhì)譜分析和檢漏會議、第九屆全國真空計量測試會.2007：55-56.

［6］張?zhí)炱?國外空間站物化再生環(huán)控生保技術情報研究[R].中國空間技術研究院，2008.