載人航天器密封系統(tǒng)漏率設(shè)計方法

李興乾，張 偉，鄭 昊，張雅彬，李學東

（1.南京航空航天大學 航空宇航學院，南京 210016；2.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙[1]是航天員在軌生活、工作的場所，對密封性能有嚴格的要求。而影響其密封性能的因素很多，其中有艙體本身，以及環(huán)控生保系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、推進控制系統(tǒng)等各系統(tǒng)的管路部分。

系統(tǒng)漏率是衡量系統(tǒng)密封性能的重要指標。若漏率指標過大，則會造成氣體、液體工質(zhì)的大量泄漏，影響系統(tǒng)性能甚至危及航天員的安全；若漏率指標過小，則導致工程實現(xiàn)難度過大、研制成本過高，甚至會影響方案的可行性。因此，載人航天器密封系統(tǒng)漏率設(shè)計是總體設(shè)計的一項重要內(nèi)容[2-3]。本文提出了一種漏率設(shè)計方法，并建立相應的漏率檢測系統(tǒng)，根據(jù)該方法制定了艙體和管路的漏率設(shè)計及指標分配的流程。

1 載人航天器密封系統(tǒng)

與載人航天器密封性能緊密相關(guān)的主要包括艙體密封系統(tǒng)和管路密封系統(tǒng)（見圖1所示）：

1）若載人航天器由多個艙段對接而成，則艙體密封系統(tǒng)包括所連接的各艙體及對接通道。艙體密封系統(tǒng)的主要功能是維持航天員在軌生活的大氣壓力。

2）管路密封系統(tǒng)包括環(huán)控生保、熱控制和推進控制等系統(tǒng)的各管路部分。其中環(huán)控生保系統(tǒng)與熱控制系統(tǒng)主要用于溫濕度的控制；推進控制系統(tǒng)為載人航天器提供推進動力及控制。因此，各管路密封性能的好壞對這些系統(tǒng)的功能有重要影響。

圖1 載人航天器密封系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 1 The composition of the manned spacecraft sealing system

2 漏率計算方法及公式轉(zhuǎn)換

2.1 漏率計算方法

對于容積為V的密封體，若在Δt時間內(nèi)氣體壓力變化為ΔP，則基于工作壓力下的漏率為[4-6]

2.2 公式轉(zhuǎn)換

在工程應用中，經(jīng)常對漏率 Q以及一定時間內(nèi)的氣體泄漏質(zhì)量Δm進行轉(zhuǎn)換。由理想氣體狀態(tài)方程[7]PV=nRT=(m/M)RT 和 ΔPV=nRT=(Δm/M)RT，則式(1)可轉(zhuǎn)換為

式中：n為氣體摩爾數(shù)，mol；R為氣體常數(shù)，8.314 Pa·m3·mol-1·K-1；T 為氣體熱力學溫度，K；Δm為氣體的泄漏質(zhì)量，g；M為氣體摩爾質(zhì)量，g/mol。

2.3 漏率檢測系統(tǒng)

漏率檢測系統(tǒng)將待檢密封系統(tǒng)（艙體密封系統(tǒng)或管路密封系統(tǒng)，內(nèi)部工質(zhì)為氣體或液體）通過漏孔與真空檢測容器相連（見圖2）。在室溫條件下，真空檢測容器內(nèi)的壓力低于工質(zhì)的飽和蒸氣壓，當工質(zhì)通過漏孔泄漏至容器后完全汽化，可以使用理想氣體狀態(tài)方程[8]。

圖2 漏率檢測系統(tǒng)Fig. 2 The leakage ratio checking system

工程實際中，待檢密封系統(tǒng)中的工質(zhì)狀態(tài)不一定符合理想氣體狀態(tài)方程的使用條件。艙體密封系統(tǒng)的工質(zhì)為空氣，壓力為1.01×105Pa；液體管路系統(tǒng)的工質(zhì)為液體[9-10]，壓力為 2.02×105～3.03×105Pa、1～2 MPa等狀態(tài)；氣體管路系統(tǒng)的工質(zhì)為氣體，壓力為0.6～2 MPa、23 MPa、30 MPa等狀態(tài)，且它們的工作溫度不一定都是常溫。針對實際情況，需要構(gòu)建一個常溫條件下、容積V足夠大、壓力低于工質(zhì)的飽和蒸氣壓的近真空檢測容器，使得通過待檢密封系統(tǒng)的漏孔進入檢測容器的工質(zhì)完全汽化，這樣一來，檢測容器內(nèi)的環(huán)境即滿足理想氣體狀態(tài)方程的使用條件。這就是圖2所示的漏率檢測系統(tǒng)構(gòu)建原理。在漏率檢測系統(tǒng)中，只要測定Δt時間內(nèi)泄漏的Δm或檢測容器內(nèi)的ΔP，即可依據(jù)公式(2)計算出漏孔漏率。

3 艙體密封系統(tǒng)漏率的設(shè)計

3.1 艙體漏率確定

艙體漏率指標的確定既要考慮系統(tǒng)用于補充艙體泄漏的氣體攜帶量，還要考慮確定漏率后艙體結(jié)構(gòu)的工藝實現(xiàn)性及系統(tǒng)代價。

艙體漏率設(shè)計流程如圖 3所示，具體步驟如下：首先根據(jù)系統(tǒng)總體方案，初步確定艙體漏率要求。然后根據(jù)漏率要求、在軌飛行時間及任務(wù)規(guī)劃安排，計算所需攜帶的用于補充艙體泄漏的補氣量；再根據(jù)補氣量計算出系統(tǒng)所要攜帶的氣瓶及配套的管路數(shù)量，從而進行系統(tǒng)重量預估。若系統(tǒng)重量超出指標要求，則需要對原漏率要求進行修正，重新進行上述計算；若滿足要求還要考慮工程上是否可實現(xiàn)，若工程上難以實現(xiàn)或代價過高，則同樣需要對原漏率要求進行修正及重新計算。經(jīng)過多輪設(shè)計上的迭代，才能最終確定艙體漏率要求。

圖3 載人航天器艙體漏率設(shè)計流程Fig. 3 Flow chart of the leakage ratio design of the manned spacecraft cabin

艙體漏率要求確定后，在進行具體設(shè)計時，還要考慮一定的安全余量。參考QJ 1838A—1999《衛(wèi)星總裝密封檢漏技術(shù)要求》，對于有補充氣源的密封系統(tǒng)安全系數(shù)取 2～5。由于載人航天器承擔載人飛行任務(wù)，所以安全性要求較高，一般安全系數(shù)取5，地面檢漏時要依據(jù)考慮了安全系數(shù)的漏率指標來進行檢測。

設(shè)定艙體內(nèi)充有氧氮混合氣體，M=29 g/mol，T＝293 K，在1 個大氣壓力下1天的泄漏量小于m kg，則由式(2)計算艙體漏率為

3.2 艙體漏率分配

艙體是由多部件集成的密封體，主要包括艙體結(jié)構(gòu)、穿艙設(shè)備、穿艙接插件、穿艙管接頭以及穿艙部件與艙體結(jié)構(gòu)的密封面。在確定了艙體漏率后，就要向各部件進行漏率指標分配。

1）艙體結(jié)構(gòu)漏率：目前載人航天器密封艙多為金屬結(jié)構(gòu)，其密封性取決于金屬壁板焊縫的密封性，要求單位長度焊縫漏率小于 2.0×10-7Pa·m3·s-1·m-1；

2）穿艙設(shè)備漏率：一些天線、艙壓控制設(shè)備需要穿過艙壁，要求此類設(shè)備的漏率小于 5.0×10-7Pa·m3·s-1；

3）穿艙接插件漏率：涉及多艙段間供電、通信連接的低頻、高頻電纜需要通過穿艙電連接器穿過艙壁，要求這些穿艙接插件的漏率小于 1.0×10-8Pa·m3·s-1；

4）穿艙管接頭漏率：涉及多艙段間環(huán)控、熱控、推進等系統(tǒng)氣/液連通的管路需要通過穿艙管接頭穿過艙壁，要求這些穿艙管接頭的漏率小于1.0×10-8Pa·m3·s-1；

5）穿艙部件與艙體結(jié)構(gòu)密封面漏率：穿艙設(shè)備、接插件、管接頭等部件，在保證了部件本身的密封性后，還要保證其與艙體結(jié)構(gòu)安裝的密封面的漏率，要求單位長度密封圈的漏率小于 1×10-5Pa·m3·s-1·m-1。

4 管路密封系統(tǒng)漏率的設(shè)計

管路密封系統(tǒng)包括熱控制系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)和推進控制系統(tǒng)的管路。

4.1 管路漏率的確定

4.1.1 熱控制系統(tǒng)管路的漏率

熱控制系統(tǒng)管路為流體外回路系統(tǒng)，一般位于非密封艙，其漏率主要視系統(tǒng)的泄漏補給能力而定。

設(shè)定外回路在軌工作時間為n年，工作溫度為T1～T2，其泄漏補償能力為 Δm，工質(zhì)的摩爾質(zhì)量為M。則由式(2)可知，管路容許的漏率Q與T相關(guān)且成正比，可以分別計算得到溫度 T1、T2所對應的漏率Q1、Q2。

一般在地面對管路進行檢漏時，都是在常溫常壓非真空狀態(tài)下進行[9]，為了使檢漏結(jié)果能夠同時滿足在軌溫度范圍的要求，則外回路管路的漏率指標為Q外=min{Q1, Q2}。

4.1.2 環(huán)控生保系統(tǒng)管路的漏率

環(huán)控生保系統(tǒng)管路包括流體內(nèi)回路、供氣（氧氣、空氣）回路。

1）流體內(nèi)回路的漏率

流體內(nèi)回路一般貫穿于密封艙和非密封艙，密封艙內(nèi)部分的漏率設(shè)計要同時考慮泄漏至密封艙的工質(zhì)氣體的醫(yī)學要求，以及管路的泄漏補償能力。

密封艙內(nèi)的流體內(nèi)回路工質(zhì)泄漏后，將會影響艙內(nèi)的氣體成分。若此種氣體成分有醫(yī)學指標要求，那么漏率設(shè)計要以管路泄漏一定時間后，密封艙內(nèi)工質(zhì)氣體的累積量仍然滿足醫(yī)學要求作為約束。

若流體內(nèi)回路為液路，在系統(tǒng)內(nèi)有泄漏補償設(shè)備，漏率設(shè)計取決于泄漏補償能力，由此確定內(nèi)回路的液路漏率要求Q內(nèi)2的方法同4.1.1節(jié)所述。

最終確定流體內(nèi)回路的漏率為Q內(nèi)=min{Q內(nèi)1, Q內(nèi)2}。

2）供氣回路的漏率

依據(jù)以往型號研制經(jīng)驗，供氣回路管路的漏率一般為 10-4～10-3Pa·m3·s-1。按照在軌 2 年計算，假設(shè)艙體完全不泄漏，則整個壽命期內(nèi)的泄漏氣體量小于1 kg，所引起的密封艙艙壓上升小于2 kPa，不足以影響載人航天器無人期間艙壓 0～101.3 kPa、有人期間艙壓81.3～101.3 kPa的控制體制。

因此，在供氣回路管路漏率設(shè)計上一般沿用以往型號指標要求，漏率設(shè)定為 10-4～10-3Pa·m3·s-1，并根據(jù)漏率要求在氣體總量配置上予以考慮。

4.1.3 推進控制系統(tǒng)管路的漏率

推進控制系統(tǒng)的氣路、液路管路漏率設(shè)計可參考環(huán)控生保系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)管路漏率設(shè)計，要同時考慮回路的泄漏補償能力，以及穿艙管路的泄漏需滿足醫(yī)學指標要求，在此不再贅述。

4.2 管路密封系統(tǒng)漏率分配

管路密封系統(tǒng)與艙體密封系統(tǒng)一樣，也是由多部件集成的密封體，主要包括管路、管路設(shè)備和管接頭。在確定了管路密封系統(tǒng)漏率后，要向各組成部件進行漏率指標分配。

1）管路漏率：管路多為焊接而成，其漏率主要為焊縫漏率，要求單管焊縫漏率一般小于1.0×10-7Pa·m3·s-1；

2）管路設(shè)備漏率：串接在管路內(nèi)的管路設(shè)備，特別對于有截止功能的管路設(shè)備，內(nèi)漏、外漏指標均要滿足要求，檢漏時的溫度、壓力條件均要覆蓋在軌工況，要求漏率一般小于 1.0×10-7Pa·m3·s-1；

3）管接頭漏率：目前管接頭多采用標準接頭，由產(chǎn)品制造方進行保證，要求漏率一般小于1.0×10-7Pa·m3·s-1。

5 結(jié)束語

載人航天器密封系統(tǒng)漏率設(shè)計是總體設(shè)計的重要內(nèi)容，根據(jù)艙體密封系統(tǒng)、管路密封系統(tǒng)的漏率設(shè)計方法確定漏率要求并進行指標分配后，各責任單位必須嚴格按照指標要求進行質(zhì)量控制，以確保艙體密封系統(tǒng)、管路密封系統(tǒng)在軌正常運行。

（References）

[1]戚發(fā)軔. 載人航天器技術(shù)[M]. 2版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003: 184-190

[2]袁家軍. 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2004: 315-320

[3]彭成榮. 航天器總體設(shè)計[M]. 北京: 中國科學技術(shù)出版社, 2011: 592-593

[4]閆治平, 黃淑英. 檢漏方法的靈敏度估算[J]. 中國空間科學技術(shù), 2002, 22(1): 59-64 Yan Zhiping, Huang Shuying. Sensitivity calculation formulas of leakage detecting method[J]. Chinese Space Science and Technology, 2002, 22(1): 59-64

[5]李明蓬, 張志廣, 王亞軍. 關(guān)于漏率表達式的討論[C]//第十三屆全國質(zhì)譜分析和檢漏會議文集, 2005: 35-37

[6]卓樂恒. 氦檢漏技術(shù)的在線應用及漏率換算[J]. 機械開發(fā), 2000(3): 18-20 Zhuo Leheng. On-line application of helium leak test and leak rate conversion[J]. Machine Development, 2000(3):18-20

[7]孫偉, 閆榮鑫, 韓琰, 等. 真空室壓升法測量液態(tài)工質(zhì)漏率可行性分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011, 28(5):467-468 Sun Wei, Yan Rongxin, Han Yan, et al. Feasibility analysis of liquid leak rate testing with static pressure rise vacuum method[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2011,28(5): 467-468

[8]孫偉, 閆榮鑫, 韓琰, 等. 液態(tài)工質(zhì)與示漏氣體 He的漏率等效關(guān)系研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(2):190-193 Sun Wei, Yan Rongxin, Han Yan, et al. The leak equivalent relationship between liquid medium and tracer gas helium[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010,27(2): 190-193

[9]孫尚武, 凌智勇, 楊繼昌, 等. 兩種液體在微圓管道內(nèi)流動特性的試驗研究[J]. 機械設(shè)計與制造, 2005, 7(7):112-113 Sun Shangwu, Ling Zhiyong, Yang Jichang, et a1.Experimental research on two kinds of liquid flow in microchannels[J]. Machinery Design & Manufacture,2005, 7(7): l12-113

[10]李戰(zhàn)華, 崔海航, 徐征, 等. 微米管道液體流量測量的幾個問題[C]//第六屆全國實驗流體力學學術(shù)會議文集, 2004: 161-166