航天產品常用泄漏檢測方法

王 凡，陳光奇，王榮宗

(蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

航天產品研制過程涉及到大量有密封性能要求的組件或部件、甚至整機產品，如載人航天器的密封艙、衛星推進劑燃料貯箱、星載一次電源用氫－鎳蓄電池、衛星通信用天線、記時用頻標光源以及其它各種星載儀器等。航天產品密封性能直接關系到航天器的發射成功率和在軌使用壽命。泄漏檢測貫穿航天產品設計、制造、關鍵工藝點控制、部件性能、整星出場、發射及運行全過程，是確保航天產品密封性能的重要手段。

航天領域使用的泄漏檢測方法多種多樣，從檢測精度上可以分為粗檢和細檢兩種，粗檢主要用于較大漏孔的檢測工作，適用于產品研制過程中的密封性能定性分析。細檢主要用于微小漏孔的測量和定位，適用于產品密封性能的定量檢測，主要介紹細檢漏方法。細檢從測量原理上可以分為氦質譜檢漏法、壓力變化檢漏法和原工質檢漏法。在檢測方法選擇上需要從被檢測對象的密封性能指標要求、體積大小和結構復雜性、檢測工作安全性、檢測成本等方面綜合考慮。目前，氦質譜檢漏方法在航天產品的泄漏檢測工作中應優先選擇。

2 氦質譜檢漏方法分析

2.1 原理及分類

氦質譜檢漏法是利用氦質譜檢漏儀的氦分壓力測量原理，實現被檢件的氦泄漏量測量。當被檢件密封面上存在漏孔時，示漏氣體氦氣及其它成分的氣體均會從漏孔泄出，泄漏出來的氣體進入氦質譜檢漏儀后，由于氦質譜檢漏儀的選擇性識別能力，僅給出氣體中的氦氣分壓力信號值。在獲得氦氣信號值的基礎上，通過標準漏孔比對的方法就可以獲得漏孔對氦泄漏量［1］。

根據檢漏過程中的示漏氣體存貯位置與被檢件的關系不同，可以將氦質譜檢漏法分為真空法、正壓法、真空壓力法和背壓法。

2.2 真空法

采用真空法檢漏時，需要利用輔助泵或檢漏儀對被檢產品內部密封室抽真空，采用氦罩或噴吹的方法在被檢產品外表面施氦氣，當被檢產品表面有漏孔時，氦氣就會通過漏孔進入被檢產品內部，再進入氦質譜檢漏儀，從而實現被檢產品泄漏量測量。按照施漏氣體方法的不同，又可以將真空法分為真空噴吹法和真空氦罩法［2］。其中真空噴吹法采用噴槍的方式向被檢產品外表面噴吹氦氣，可以實現漏孔的精確定位;真空氦罩法采用有一定密閉功能的氦罩將被檢產品全部罩起來，在罩內充滿一定濃度的氦氣，可以實現被檢產品總漏率的測量。

真空法的優點是檢測靈敏度高，可以精確定位，能實現大容器或復雜結構產品的檢漏。真空法的缺點是只能實現一個大氣壓差的漏率檢測，不能準確反映帶壓被檢產品的真實泄漏狀態。

真空法的檢測標準主要有QJ3123－2000《氦質譜真空檢漏方法》、GB/T 15823－2009《氦泄漏檢驗》，主要應用于真空密封性能要求，但不帶壓工作的產品，如空間活動部件、液氫槽車、環境模擬設備等。

2.3 正壓法

采用正壓法檢漏時，需對被檢產品內部密封室充入高于一個大氣壓力的氦氣，當被檢產品表面有漏孔時，氦氣就會通孔漏孔進入被檢外表面的周圍大氣環境中，再采用吸槍的方式檢測被檢產品周圍大氣環境中的氦氣濃度增量，從而實現被檢產品泄漏測量。按照收集氦氣方式的不同，又可以將正壓法分為正壓吸槍法和正壓累積法。其中正壓吸槍法采用檢漏儀吸槍對被檢產品外表面進行掃描探查，可以實現漏孔的精確定位;正壓累積法采用有一定密閉功能的氦罩將被檢產品全部罩起來，采用檢漏儀吸槍測量一定時間段前后的氦罩內氦氣濃度變化量，實現被檢產品總漏率的精確測量。

正壓法的優點是不需要輔助的真空系統，可以精確定位，實現任何工作壓力下的檢測。正壓法的缺點是檢測靈敏度較低，檢測結果不確定度大，受測量環境條件影響大。

正壓法的檢測標準主要有QJ3089－1999《氦質譜正壓檢漏方法》、QJ2862－1996《壓力容器焊縫氦質譜吸槍罩盒檢漏試驗方法》，主要應用于大容積高壓密閉容器產品的檢漏，如高壓氦氣瓶、艙門檢漏儀等。

2.4 真空壓力法

采用真空壓力法檢漏時，需要將被檢產品整體放入真空密封室內，真空密封室與輔助抽空系統和檢漏儀相連，被檢產品的充氣接口通過連接管道引出真空密封室后，再與氦氣源相連，當被檢產品表面有漏孔時，氦氣就會通過漏孔進入真空密封室，再進入氦質譜檢漏儀，從而實現被檢產品總漏率的測量。

真空壓力法的優點是檢測靈敏度高，能實現任何工作壓力的漏率檢測，反映被檢件的真實泄漏狀態。真空壓力法的缺點是檢漏系統復雜，需要根據被檢產品的容積和形狀設計真空密封室。這里需要說明在檢漏過程要求確保充氣管道接口無泄漏，或者采取特殊的結構設計將所有充氣管道連接接口放置在真空密封室外部。

真空壓力法的檢測標準有GB/T 15823－2009《氦泄漏檢驗》，主要應用于結構簡單、壓力不是特別高的密封產品，如電磁閥、高壓充氣管道、推進劑貯箱、天線、應答機、整星產品等。

2.5 背壓法

采用背壓法檢漏時，首先將被檢產品置于高壓的氦氣室中，浸泡數小時或數天，如果被檢產品表面有漏孔，氦氣便通過漏孔壓入被檢產品內部密封腔中，使內部密封腔中氦分壓力上升。然后取出被檢產品，將表面的殘余氦氣吹除后再將被檢產品放入與檢漏儀相連的真空容器內，被檢產品內部密封腔內的氦氣會通過漏孔泄漏到真空容器，再進入氦質譜檢漏儀，從而實現被檢產品總漏率測量。檢漏儀給出的漏率值為測量漏率，需要通過換算公式計算出被檢產品的等效標準漏率。

背壓法的優點是檢測靈敏度高，能實現小型密封容器產品的泄漏檢測，可以進行批量化檢測。背壓法的缺點是不能進行大型密封容器的檢漏，否則由于密封腔體容積太大，導致加壓時間太長。此外，每個測量漏率都對應兩個等效標準漏率，在細檢完成后還需要采用其它方法進行粗檢，排除大漏的可能。

背壓法的檢漏標準主要有QJ3212－2005《氦質譜背壓檢漏方法》、GJB360A－1996《電子及電氣元件試驗方法方法112密封試驗》，主要應用于各種電子元器件產品檢漏。

3 壓力變化檢漏方法

3.1 原理及分類

壓力變化法是利用被檢測產品內部密閉容器壓力變化實現被檢產品總漏率測量。一般漏率計算公式如下［3］:

式中 Q為被檢測產品總漏率，Pa·m3/s;ΔP為測量時間間隔內的密封容器壓力變化量，Pa;V為被測產品密閉容器容積，m3;Δt為測量時間間隔，s。

一般情況下，按照壓力增大或減小的狀態可以將壓力變化法分為靜態升壓法和靜態降壓法，如果測量間隔時間前的壓力小于測量間隔時間后的壓力，則稱之為靜態升壓法，反之則稱之為靜態降壓法。按照所選用壓力測量傳感器的不同將壓力變化法分為絕對壓力變化法、差壓力變化法和真空壓力變化法。

3.2 絕對壓力變化法

絕對壓力變化法是采用絕對壓力傳感器實現被檢測產品密閉容器內的壓力測量，對于真空密閉容器來說，停止抽空后通過測量某一間隔時間段內壓力上升值，實現被測產品總漏率測量，對于帶壓容器來說，通過測量充氣后某一間隔時間段內壓力下降值，實現被測產品總漏率測量。

絕對壓力變化法的優點是測量方法簡單，操作方便。絕對壓力變化法的缺點是被測容器內壓力受溫度影響大，當需要精確測量漏率時，必須對測量結果進行溫度修正，但是對于不同結構的被檢件，壓力隨溫度變化規律也不完全一樣，需要通過大量的實驗來確定修正方法。

絕對壓力變化法一般應用于真空系統研制過程的定量檢漏工作，某些特殊場合的在線泄漏檢測，例如神舟飛船艙門密封性能的在軌檢測工作就是采用絕對壓力變化法的原理實現的。

3.3 差壓力變化法

差壓力變化法是采用差壓傳感器實現被檢測產品密閉容器內的壓力測量，差壓傳感器的兩端分別連接被測容器和基準容器，其中基準容器是一個相對被檢件來說是無泄漏存在的密閉容器，測量前向被測容器和基準容器同時充入相同壓力的氣體，經過一定時間間隔后，如果被測容器有漏孔存在，會導致被測容器的壓力發生變化，而基準容器壓力不會發生變化，差壓傳感器會給出了這一微小壓力變化量，從而實現漏率測量［4］。

差壓力變化法的優點是檢測靈敏度高，可以克服溫度變化對測量結果的影響。差壓力變化法的缺點是結構復雜，需要專用的測量系統才能實現。這里需要說明，基準密閉容器的容積材料需要與被測對象的容積應盡量一致或接近，以減小測量不確定度。

差壓力變化法一般應用于批量化小型產品的檢漏工作。

3.4 真空壓力變化法

真空壓力變化法是利用真空抽氣原理實現雙道密封結構的泄漏檢測工作。雙道密封結構示意圖如圖2所示，其工作過程中，存在兩個泄漏通道，一個是被檢件外的大氣環境向密封腔體內泄漏，一個是密封腔體向被檢件內的真空環境泄漏，密封腔體內壓力變化可以用公式(2)表示。通過求解公式(2)表示的微分方程可以獲得密封腔體內的壓力變化與兩道密封圈漏率間的關系，從而實現漏率測量［5］。

式中 Pt為密封腔體內的瞬時壓力，Pa;t為測量時間，s;V為雙道密封腔體容積，m3;Q1為密封圈1的泄漏率，Pa·m3/s;Q2為密封圈 2 的泄漏率，Pa·m3/s。

圖2 雙道密封結構泄漏示意圖

真空壓力變化法的優點是能準確分辨出雙道密封結構的哪一個密封圈發生泄漏，從而為堵漏工作提供指導。真空壓力變化法的缺點是兩道密封圈的漏率相等時，密封腔體內壓力不會發生變化，無法通過壓力變化法實現漏率測量。

真空壓力變化法適用于雙道密封結構的長期在線密封泄漏監測，例如空間站主結構靜密封泄漏監測工作。

4 原工質檢漏方法

4.1 原理及分類

原工質檢漏是利用被檢件內部填充的工作介質作為示漏氣體，實現被檢件漏率測量的一種方法。當采用原工質檢漏時，被檢件內部在檢測前已經填充了示漏氣體，不需要額外的充壓設備。如果被檢件有漏孔存在，被檢件內部的示漏氣體就會通過漏孔泄漏到被檢件所處的周圍環境中，采用大氣取樣或真空收集的方式將泄漏出來的氣體引入到測量傳感器內部即可實現被檢件泄漏檢測，經常使用的傳感器是質譜計。

原工質檢漏一般適用于無法采用氦質譜檢漏法或壓力變化檢漏法的場合，在航天產品領域，原工質檢漏方法主要應用于發射場衛星推進劑、火箭共底危險氣體、鎳氫蓄電池和空間站艙外氣體泄漏檢測等場合，但是隨著航天工業的發展，原工質檢漏方法的應用也將越來越廣泛。

4.2 衛星推進劑泄漏檢測方法

衛星推進劑泄漏檢測主要采用質譜計和化學檢測管聯用的方法對空氣中甲基肼、無水肼、四氧化二氮進行檢測。檢測系統示意圖如圖3所示［6］。測量時，利用取樣泵的抽氣能力將遠端的氣體引到檢測系統內，進入檢測系統的氣體可以部分進入化學檢測管實現大泄漏量定期測量，部分氣體進入質譜室，實現微小泄漏量連續測量。

此外，為了確保測量結果的準確性，采用TLD－1型有毒氣體檢測儀對衛星周圍環境及星內進行定期檢測。該儀器采用化學紙帶和光比色相結合的方法實現漏率的精確測量，檢測靈敏度可以達到20 ppb量級。

4.3 火箭共底危險氣體泄漏檢測方法

火箭共底危險氣體泄漏檢測采用β－FD型放射電離規(簡稱β規)進行總壓力測量和質譜計進行分壓力測量相結合的方法實現［7］。檢測系統結構示意圖如圖4所示，主要由氣體成分分析裝置、抽空裝置和壓力測量裝置組成。其中，壓力測量裝置用于共底內壓力總壓力測量，核心部件是一臺只β規。氣體成分分析裝置用于對共底內氫、氧濃度進行監測，其核心部件為一臺質譜計。抽空裝置用于共底的抽空和氣體取樣。當共底內氫濃度和總壓力達到危險值時系統給出報警信號，從而實現火箭低溫級共底的安全監測。

火箭共底安全監測系統是火箭發射場工作的標配儀器之一，已經應用于歷次發射場火箭共底危險氣體泄漏檢測工作，準確率達到100%。

4.4 鎳氫蓄電池泄漏檢測方法

圖3 衛星推進劑泄漏檢測系統結構示意圖

圖4 共底安全監測系統結構示意圖

鎳氫蓄電池檢測采用類似氦質譜真空壓力法實現鎳氫蓄電池的泄漏量測量，測量傳感器為質譜計。測量系統結構圖如圖5所示，主要由質譜分析部分和樣品檢測部分組成［8］。當檢測時，鎳氫蓄電池放置在檢漏室內，由于鎳氫蓄電池結構為全密封金屬罐體結構，罐內裝有工作介質和氫氣，在電池不充電情況下，電池內氫氣壓力約為常壓(0.1 MPa)，當電池充滿電時，電池內氫氣壓力會上升至數個MPa，如果電池罐體有泄漏，充電前后氫氣泄漏量會明顯上升，通過比較充電前后質譜室內氫氣分壓力的變化量實現氫泄漏量測量。

圖5 鎳氫蓄電池檢漏系統結構示意圖

鎳氫電池檢漏工作起初是為了開展長壽命通信衛星研制工作的需要，目前已經廣泛應用于各類深空探測航天器的鎳氫蓄電池研制工作中，是評價鎳氫蓄電池在軌工作壽命的關鍵手段之一。

4.5 空間站艙外氣體泄漏檢測方法

空間站艙外氣體泄漏檢測方法主要是利用空間站在軌運行的太空屬于高真空條件，當艙體發生泄漏時，會導致漏孔周圍空間的壓力會上升，從而實現漏率測量。目前成功應用的方法主要有指向規法和質譜計法，其中指向規法采用高靈敏度真空規實現空間站周圍氣體總壓力的測量，通過比較測量點壓力與空間艙外周圍空間壓力的差別實現漏率測量;采用質譜計的分壓力測量原理，通過測量漏孔周圍某種特質氣體的分壓力變化情況實現泄漏量測量。

在指向規法檢漏方面，上個世紀70年代，NASA馬歇爾空間飛行中心(MSFC)開展了用于空間環境下使用的指向規檢漏儀研制工作，所研制的檢漏儀原打算用于空間站和航天器的艙外在軌檢漏工作［9］。俄羅斯研制了一種雙探頭指向規式手持艙外檢漏儀，從1993年開始在“和平號”空間站上進行科學實驗，1998年“和平號”空間站因撞擊發生泄漏時，該儀器用于在軌泄漏位置的探測。在質譜計檢漏方面，NASA已研制成功一種名叫微量氣體分析儀(Trace Gas Analyzer—TGA)的儀器［10］，用于空間站宇航員出艙活動過程中的泄漏檢測工作，能實現空間站艙外冷卻系統氦泄漏、推進劑泄漏、空間站密封艙體泄漏等檢測工作。該儀器的關鍵部件是一臺微型四極質譜計，能實現氨、肼、氮和氧等氣體的分壓力測量。目前，TGA檢漏儀被放置在空間站內，處于待命狀態。

5 航天產品泄漏技術發展趨勢

隨著航天技術不斷發展，特別是我國載人航天的發展、空間站長期工作要求、探月工程和深空探測等航天項目的陸續展開，必然對航天器密封及檢漏技術提出新的要求。未來泄漏檢測技術應著重開展如下方面研究工作:

(1)不同密封結構檢漏技術研究。空間站是供人長期工作的航天器，為了保證空間站在軌長期安全運行確保航天員的安全，需要對空間站密封艙進行泄漏檢測。空間站需要泄漏檢測的密封結構包括:艙內泄漏檢測、空間站雙道靜密封結構檢測和艙外漏率檢測。

(2)極小漏率密封容器的漏率檢測。在探月工程和深空探測任務中，為了保證對星球表面“土壤”進行成分分析的真實性，需要極小漏率的探測樣品封裝容器，漏率值要求達到10－13Pa·m3/s。為了滿足極小漏率檢測的要求，必須研究高靈敏度檢測裝置和檢測方法，對密封容器進行評價。

(3)航天器密封器件在空間環境中原工質泄漏檢測技術研究。通過地面試驗和密封評價，確定航天器裝有液體介質的密封容器在空間運行過程中泄漏檢測和漏率測量，以保證航天器在軌運行的長壽命指標要求。

(4)航天器密封設計采用的新材料、新結構、新工藝的密封性能評價。需要重點開展空間密封材料對氧、氮、空氣及氦等艙內實際氣體的滲透率測試。不同密封結構、不同工作狀態下的漏率比對測量。密封材料和密封結構加速老化試驗后的漏率性能變化測試等。

［1］肖祥正.泄漏檢測方法與應用［M］.北京:機械工業出版社，2010;50.

［2］吳孝儉，閆榮鑫.泄漏檢測［M］.北京:機械工業出版社，2005;98～102.

［3］達道安.真空設計手冊［M］第三版.北京:國防工業出版社，2004;1272.

［4］喻新發，閆榮鑫，孟冬輝.差壓檢漏系統壓力與溫度響應的計算分析［J］.航天器環境工程，2006(3);175～176.

［5］孫冬花，陳聯，丁棟，等.空間站雙道密封壓力變化檢漏技術研究［C］.中國真空學會質譜分析和檢漏專業委員會第十六屆年會，2011;100～105.

［6］王榮宗，趙忠，孫天輝.便攜式推進劑泄漏檢測儀［J］.導彈與航天運載技術，1993(3);55～62.

［7］陳光奇，王麗紅，孫冬花，等.火箭低溫貯箱的新型共底安全監測系統［J］.導彈與航天運載技術，2010(4);46～48.

［8］陳光奇，王榮宗，陳聯，等.鎳－氫蓄電池氫檢漏系統設計及特性.中國真空學會質譜分析與檢漏專業委員會第十四屆年會，2007;20～24.

［9］K.W.Woodis，Leak detector for use in space environment，Marshall Space Flight Center，NASA TN D－5841，1970.

［10］Chutjian A，.Darrach M R，etc.A miniature Quadrupole Mass Spectrometer Array and GC For Space Flight:Astronaut EVA and Cabin－Air Monitoring.00ICES－202;1～10.