空間站在軌泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 純，回天力，高 靜，張 杰

(北京衛(wèi)星制造廠，北京100094)

1 引言

空間站工程是我國(guó)載人航天重點(diǎn)工程，為航天員長(zhǎng)期在軌駐留提供必要活動(dòng)和工作條件的大型綜合平臺(tái)，未來(lái)空間站的主要任務(wù)是有人參與的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，以及空間操作試驗(yàn)?？臻g站運(yùn)行期間，受真空、高低溫交變、微流星及空間碎片、原子氧、太陽(yáng)輻射及宇宙射線的相互作用，均存在不同程度的泄漏，如國(guó)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［1］。目前國(guó)外空間站泄漏監(jiān)測(cè)主要采用兩種方法［2］:一種是在空間站艙內(nèi)布置陣列式無(wú)線聲發(fā)射傳感器，通過(guò)泄漏部位發(fā)出聲波的頻率和相位差，對(duì)漏孔的大小和位置進(jìn)行檢測(cè)，第二種方法是采用氮?dú)夥謮簜鞲衅鳎瑢?shí)時(shí)測(cè)量空間站密封艙內(nèi)的氮?dú)夥謮簭?qiáng)，通過(guò)軟件計(jì)算艙體的漏率，并通過(guò)便攜式超聲波傳感器進(jìn)行精確定位。針對(duì)空間站的密封主結(jié)構(gòu)泄漏監(jiān)測(cè)方法開(kāi)展研究，需要建立一套能夠可靠、準(zhǔn)確地評(píng)估空間站結(jié)構(gòu)泄漏率的技術(shù)手段，使空間站運(yùn)行期間，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏問(wèn)題，向航天員發(fā)出報(bào)警，為空間站的安全運(yùn)行和航天員的人身安全提供保障。

本文應(yīng)用VC++6.0設(shè)計(jì)了一種基于壓降［1］檢漏原理的“空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)”。VC++6.0是功能強(qiáng)大的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工程軟件，其在底層通訊控制和數(shù)據(jù)庫(kù)管理上有很大優(yōu)勢(shì)，并將多種控件集成，使得界面設(shè)計(jì)美觀直接?？臻g站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用了Moxa多串口卡，綜合用了Access數(shù)據(jù)庫(kù)、CSope集成曲線繪制控件、CButtonST界面美化控件及CTreeCtrl控件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)及曲線實(shí)時(shí)更新，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙體漏率并快速報(bào)警的目的。

2 泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理與構(gòu)成

本文采用絕壓法(壓降檢漏法)對(duì)空間站進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控艙內(nèi)的壓力和溫度變化，并通過(guò)壓力下降速率計(jì)算出漏率，將漏率以顯示或報(bào)警的方式告知航天員，提醒其采取措施，從而實(shí)現(xiàn)空間站泄漏監(jiān)測(cè)的目的［3］。

由于艙內(nèi)氣體成分復(fù)雜，且各種氣體的分壓時(shí)刻發(fā)生變化，必須采取技術(shù)手段排除環(huán)境因素波動(dòng)影響，而無(wú)論是有人值守還是無(wú)人值守，艙內(nèi)的N2分壓都是最穩(wěn)定的。此外，氮?dú)庠诖髿庵姓加辛渴亲疃嗟?，約占80%。因此，從理論上講，采用氮?dú)獾姆謮簭?qiáng)來(lái)測(cè)量和監(jiān)測(cè)密封艙內(nèi)壓力的變化能夠排除諸多干擾因素，有效監(jiān)測(cè)有人生活的密封艙內(nèi)壓力變化?？臻g站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就是通過(guò)間接(艙內(nèi)總壓減去各組成氣體的分壓得到氮?dú)夥謮?測(cè)量艙內(nèi)氮?dú)夥謮旱淖兓瘉?lái)實(shí)現(xiàn)漏率計(jì)算與泄漏監(jiān)測(cè)的［3］。

空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由氮?dú)夥謮簜鞲衅?、溫度傳感器、聲響?bào)警模塊、色變報(bào)警模塊、多串口采集卡、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、漏率顯示模塊和微機(jī)控制系統(tǒng)組成。泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composing maps of the leakage monitoring of space station

2.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

氣壓波動(dòng)曲線如圖2所示，反映出空間站密封艙內(nèi)氮?dú)夥謮旱淖兓闆r。在初始的充氣和穩(wěn)壓階段只對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)算。開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)采集一次艙內(nèi)氮分壓P0和溫度值T0;當(dāng)采集30次時(shí)，計(jì)算氮分壓的平均值PN2均，目的是排除由于氣壓不穩(wěn)而出現(xiàn)的劇烈波動(dòng)值，剔除野值。當(dāng)連續(xù)測(cè)得10個(gè)氮分壓的平均值PN2均后，計(jì)算其平均值PN2總均和標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，如圖2的均值曲線所示，此時(shí)相當(dāng)于總計(jì)采集300個(gè)壓力值，計(jì)算檢測(cè)門(mén)檻值P1M(圖2中的上閾值)和P2M(圖2中的下閾值)，分別為:P1M=PN2總均-2σ;P2M=PN2總均-3σ，并對(duì)其長(zhǎng)期存儲(chǔ)備用。不直接采集300個(gè)壓力值計(jì)算出閾值是為了減小艙壓波動(dòng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，而采用30個(gè)壓力進(jìn)行平均，并對(duì)平均值進(jìn)行求解標(biāo)準(zhǔn)偏差，更符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。由于壓力傳感器和溫度傳感器是24 h不間斷工作，為了避免數(shù)據(jù)量占用站內(nèi)計(jì)算機(jī)寶貴的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，傳感的采樣頻率一般設(shè)置在1 s至1 min之間，具體數(shù)值可由航天員根據(jù)艙內(nèi)氣壓的波動(dòng)情況自行設(shè)置，這樣300個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí)間處于5 min至5 h之間，可滿足多數(shù)情況下的測(cè)試需求。300個(gè)點(diǎn)的總采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)艙體漏率的計(jì)算周期，不改變測(cè)試精度，只影響報(bào)警周期。

圖2 空間站密封艙內(nèi)的氣壓變化曲線圖Fig.2 Graph showing pressure change of the sealed cabin space station

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)給出N·σ(N倍的標(biāo)準(zhǔn)誤差)，由此給出門(mén)檻壓力值，如果氮分壓一直降低且低于了門(mén)檻壓力值，則判斷為“真漏”。目的是排除在監(jiān)測(cè)過(guò)程中由于溫度變化引起“偽泄漏”。同時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中采集的壓力數(shù)值暫存器是實(shí)時(shí)更新的，即均值曲線是隨著時(shí)間及艙內(nèi)氮分壓的變化同步更新，由此得到的閾值曲線及門(mén)檻壓力值也是實(shí)時(shí)更新，這樣漏率的計(jì)算也能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。其中門(mén)檻壓力值為“下閾值-N·σ”，其中N為手動(dòng)設(shè)定參數(shù)，此參數(shù)決定著漏率的實(shí)時(shí)計(jì)算速度，N越大監(jiān)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。N的取值范圍為1～10，一般取中間段5～7，對(duì)于無(wú)人值守的穩(wěn)定情況下，一般選擇7～10;而對(duì)于有人值守的復(fù)雜情況，一般取3以下，這樣反應(yīng)速度更快、更靈敏。

由以上分析得出軟件的核心處理思路為:當(dāng)空間站密封艙內(nèi)的氮分壓穩(wěn)定后，首先對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，再進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備狀態(tài)，根據(jù)采集到的300個(gè)壓力值計(jì)算出上限門(mén)檻壓力值和下限門(mén)檻壓力值，得出門(mén)檻值后程序自動(dòng)進(jìn)入漏率監(jiān)測(cè)狀態(tài)。采集的壓力值、溫度值及對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間自動(dòng)存儲(chǔ)在壓力溫度數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)界面上采用樹(shù)形控件CTreeCtrl讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新顯示。對(duì)于計(jì)算出來(lái)的漏率設(shè)定新的數(shù)據(jù)庫(kù)，保存采集的漏率及排障期限。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔根據(jù)傳感器的傳輸速率決定為1～3 s。數(shù)據(jù)庫(kù)將采集到的數(shù)據(jù)備份到Excel表中，并具有手動(dòng)清空和壓縮的功能。

2.2.2 軟件邏輯設(shè)計(jì)

完成傳感器初始化后，系統(tǒng)復(fù)位錄入新的系統(tǒng)參數(shù)，則系統(tǒng)開(kāi)始采集壓力數(shù)據(jù)。因?yàn)橄到y(tǒng)采集的是當(dāng)前艙內(nèi)溫度T0下的絕對(duì)壓力P0，需換算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力P標(biāo)，見(jiàn)公式1。

式中:22.5為艙內(nèi)環(huán)控生保系統(tǒng)控制的平均溫度。當(dāng)采集30次時(shí)計(jì)算獲得一個(gè)氮分壓的平均值PN2均。

圖3 系統(tǒng)軟件邏輯圖Fig.3 Logic diagram of the system software

式中:PN2均為氮分壓的平均值;PN2i為每次采集的氮分壓值。

當(dāng)測(cè)得10個(gè)氮分壓的平均值PN2均時(shí)，計(jì)算其平均值PN2總均和標(biāo)準(zhǔn)誤差σ。

式中:PN2均i為30 個(gè)氮分壓的均值;PN2總均為300 個(gè)氮分壓的均值。

計(jì)算檢測(cè)門(mén)檻值P1M和P2M，分別為:P1M=PN2總均-2σ;P2M=PN2總均-3σ。具體的計(jì)算流程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用Windows API串口編程技術(shù)，對(duì)連接傳感器的多串口卡進(jìn)行配置［5］。傳感器和多串口卡連接后，微機(jī)控制器對(duì)各傳感器分配COM口［6］，每個(gè)傳感器有各自不同的通信命令格式和傳輸速率，所以初始化時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器都分開(kāi)進(jìn)行參數(shù)初始化［7］。

2.2.4 數(shù)據(jù)管理

VC++提供了多種訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)，本系統(tǒng)采用ODBC訪問(wèn)技術(shù)［8］。ODBC提供了一套統(tǒng)一的APT函數(shù)，在客戶應(yīng)用程序訪問(wèn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)提供一個(gè)統(tǒng)一的接口。系統(tǒng)選用Access2007作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的工具。MFC為ODBC提供了一些關(guān)鍵的類以支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)操作。CDatabase類用來(lái)與數(shù)據(jù)源相連，以獲取指定的數(shù)據(jù)集合。一般使用 CRecordSet派生類對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作［8］。主要步驟為:建立數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，添加對(duì)ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)的支持;添加數(shù)據(jù)庫(kù)操作成員，ODBC功能加入。

2.3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳感器負(fù)責(zé)進(jìn)行工作現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，以獲得空間站在軌的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1)N2分壓傳感器作為氮分壓傳感器，測(cè)壓范圍為:0～300 kPa，測(cè)壓精度:1/1000;

2)溫度傳感器采用溫濕度變送器，其溫度測(cè)量靈敏度為0.1℃，溫度測(cè)量范圍-30～60℃;

3)多串口卡采用Moxa CP-168U標(biāo)準(zhǔn)多串口卡來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，具有8個(gè)RS-232串口，每個(gè)串口可支持的速率最高達(dá)921.6 kps。

采用微機(jī)控制器控制多串口卡對(duì)壓力和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集控制并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)效果

系統(tǒng)PC界面部分是采用MFC和Access相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的［9］，MFC 是構(gòu)架在 Winows API函數(shù)上的類庫(kù)，其可視化的外觀，很好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。采用視圖分割技術(shù)將整個(gè)界面分成測(cè)量曲線顯示區(qū)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算及參數(shù)設(shè)定區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)、歷史漏率察看區(qū)、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示區(qū)、系統(tǒng)總控制區(qū)。其效果圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)效果圖Fig.4 The map of System impression

3 系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

考查空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警的正確性和及時(shí)性，以及漏率計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3.2 試驗(yàn)方法概述

選用某軌道艙作為測(cè)試對(duì)象，艙體體積為9.4 m3，選取漏率為 1.67 ×10-1，1.67 ×10-2，6.68×10-3Pa·m3/s的3種不同的標(biāo)準(zhǔn)漏孔代表大漏、中漏、小漏，模擬密封艙體的不同泄漏狀態(tài)，考查泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警的有效性和及時(shí)性，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率的比對(duì)，分析系統(tǒng)漏率計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性(圖5)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:該報(bào)警系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的10-3Pa·m3/s量級(jí)的漏孔，并能夠進(jìn)行正確、有效聲光報(bào)警;系統(tǒng)的漏率計(jì)算誤差(與標(biāo)準(zhǔn)漏孔標(biāo)稱漏率相比)＜10%;系統(tǒng)顯示的排障時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間偏差＜10%，其測(cè)試準(zhǔn)確性和報(bào)警可靠性均滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求(表1)。

表1 泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of sensitivity detection of leakage monitoring alarm system

圖5 泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖Fig.5 Sketch of sensitivity detection of the leakage monitoring alarm system

4 結(jié)論

經(jīng)神舟飛船軌道艙試驗(yàn)驗(yàn)證，空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有檢漏靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短、可靠性高等特點(diǎn)，能正確及時(shí)有效報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)空間站泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警，良好效果，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

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