環模設備是指完成衛星等航天器熱平衡熱真空試驗的地面環境模擬設備,通常包括容器、熱沉、真空系統、液氮系統等多個分系統。根據相關標準要求,容器內真空度只有優于1.3×10-3 Pa 時才能開展環模試驗。本文列舉了幾例環模容器真空度不滿足要求的典型情況,從容器本體、熱沉、真空系統設備、法蘭等幾個方面開展了泄漏分析,并提供了解決思路。
環模設備是指完成衛星、飛船等航天器熱平衡熱真空試驗的地面熱環境模擬設備,我國從上個世紀60 年代至今陸續建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多臺大中小型熱環境模擬試驗設備,用于模擬太空中的真空冷黑環境。其中KM6 環境模擬器是國際上三大載人航天器空間環境試驗設備之一,總體性能達到國際先進水平。
環模設備通常包括容器、熱沉、真空系統、液氮系統、外熱流模擬與控制系統、溫度測量系統、氦系統等多個分系統。根據相關標準要求,環模設備容器內真空度只有優于1.3×10-3 Pa 時才能滿足衛星、飛船等航天器開展熱平衡熱真空試驗的需求。容器本體上法蘭、閥門、管道等接口眾多,容器內部又包括熱沉、衛星等試件,因此當容器內真空度不滿足條件時,判斷并找出漏點是一項難度很大的工作,認為不僅需要借助于氦質譜檢漏儀、四極質譜計等靈敏度高的儀器,更需要有經驗技術人員的綜合判斷分析。本文將列舉幾個查漏、找漏的例子,為類似于環模設備的復雜、大型設備檢漏工作提供部分思路和啟發。
1、環模設備容器、熱沉及真空系統簡介
環模設備容器主要有立式及臥式兩種結構形式,為不銹鋼材質,由鋼板焊接而成,臥式容器通常只有一個大門。立式容器通常包括活動頂蓋、側門。容器上通常根據各種功能需要開有口徑大小不一的法蘭。如KM6 環境模擬器上開有113個準160~準1320 mm 大小不同的孔。各個門、法蘭通常為橡膠圈密封。在檢漏實踐中,各個法蘭尤其是試驗前更換過的法蘭往往是首先懷疑的對象。
容器內部通常安裝有熱沉。大型環模設備熱沉由多個熱沉組片組成。熱沉材質有不銹鋼、鋁、銅。在早期的熱沉研制中,銅、鋁材質的熱沉進出液管道通常為銅、鋁與不銹鋼管道的摩擦焊接口方式。每個組片熱沉通常由若干個支管焊接到匯總管上。如KM6 環境模擬器由2000 多根管子4000多個管道焊縫組成。在檢漏實踐中,經常被踩踏的熱沉、存在波紋管的熱沉以及摩擦焊接頭通常容易出現泄漏,是檢漏的重點關注對象。
真空系統通常包括粗抽、高真空、分子泵及檢漏、真空測量等多個子系統。其中高真空系統主要由低溫泵組成,是環模設備容器獲得高真空的主抽泵。當容器內真空度上不去時,低溫泵自身工作正常與否是一個判斷點。在排除了此點后,各個子系統與容器之間的閥門連接是否有漏也是排查的重點。在檢漏實踐中,閥門本體存在泄漏往往容易被忽略。
2、環模設備檢漏實例
2.1、常用檢漏方法介紹
2.1.1、氦質譜檢漏法
氦質譜檢漏法使用氦質譜檢漏儀來完成,其檢漏靈敏度可以達到10-9 Pam3/s甚至更高。檢漏儀通常接在前級泵與分子泵之間,如圖1 所示。目前大多數檢漏儀具有逆流檢漏功能或質譜室能夠承受較高的壓力,其檢漏儀入口處能夠在較高的壓力下工作。進入檢漏儀的示漏氣體一部分進入檢漏儀的質譜室,另一部分由前級泵抽走。對于大型環模設備,檢漏時通常開啟1~2 臺低溫泵。以低溫泵為主泵的檢漏系統中,低溫泵對氦氣的分流很小,因此低溫泵的引入對系統有效檢漏靈敏度影響很小。