空间站泄漏监测报警方案设想——绝压法

回天力 ，刘刚 ，高静 ，贾东永 ，杨纯 ，孙国辉

（1北京卫星制造厂，北京100190；2中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094；3国家知识产权局，北京100088）

1 引言

空间站是我国载人航天工程的重点项目，未来的空间站主要任务是开展有人照料的空间科学实验和应用技术试验，为航天员长期驻留提供必要生活和工作条件的大型综合平台。此外，空间站长期处于太空运行和工作，整个系统结构庞大且功能复杂。一旦出现泄漏事件，势必危及空间站的正常工作和航天员的生命安全。因此能够在最短时间内发现空间站的泄漏，并向航天员发出警报以便其采取相应的应急与补救措施成为空间站必须解决的关键问题。

国外的空间站建立较早，主要有苏/俄的“礼炮”号系列空间站、“和平”号（MIR）空间站，美国的“天空实验室”，欧洲航天局的空间实验室（Spacelab），以及由美、俄、日、欧等16国共同建设的国际空间站（ISS）。

这些空间站运行期间，受真空、高低温交变、微流星及空间碎片、原子氧、太阳辐射及宇宙射线等的作用[1]，均不同程度的受到泄漏的威胁，如国际空间站在2004年1月和2007年11月曾先后两次发生舱体的泄漏故障[2]。为解决空间站泄漏监测问题，从1990年起，美国就开始进行空间站的泄漏监测研究，多年的研究成果表明[3]：对于贯穿性裂缝的泄漏最有效的检测方式是采用“舱压监测法”；对于冲击（微流星、空间碎片引起的）、裂纹、孔洞引起的泄漏最有效的监测方式是“声发射法”。“声发射法”的优势在于可以在监测泄漏的同时进行漏点的定位，但系统复杂、核心技术多、研制难度大，仅有美国等极少数国家掌握该项技术；“舱压监测法”的优势在于系统相对简单，有效载荷小，技术攻关周期短，可在短期内实现装备，且配合便携式检漏仪同样可以实现漏点的快速定位，因此，本文重点针对“舱压监测法”提出一种基于“绝压法”的空间站泄漏监测报警方案。

2 绝压法泄漏监测原理

“绝压法”又名“压降法”，是通过测量被检产品在一定时间内由泄漏引起的压力变化量来检漏的一种方法。其原理如图1所示。

压降法漏率的计算公式为：

式中：Q为被检系统漏率，Pa·m3/s；V为被检件的内部容积，m3；t为测量周期，s；P1为被检件内部压力初值，Pa；T1为被检件内部温度初值，K；P2为被检件内部压力终值，Pa；T2为被检件内部温度终值，K。

采用绝压法对空间站进行泄漏监测，只需实时监控舱内的压力和温度变化（必要时采取技术手段消除环境因素波动影响），并通过压力下降速度计算出漏率，将漏率以显示或报警的方式提供航天员进行处置，即可实现空间站泄漏监测的目的。

图1 压降法检漏原理图[4]

3 空间站环境条件

充分了解空间站舱体环境是研究舱体泄漏监测技术方案的前提。

3.1 空间站舱外环境[6]

舱体处于约400km的宇宙空间，舱体向阳面的温度高达200℃，背阳面则低于零下100℃。它将直接影响着舱体内的温度环境。

3.2 空间站舱内环境

（1）舱体内部有大量热源。除舱壁对宇宙空间的热辐射外，主要是舱内有多种发热的仪器设备，还有航天员产生的热量。舱体内壁设有温控泡沫材料，环控生保系统通风（风速为0.2m/s）使核心舱（118m3）内温度控制在（22.5±3.5）℃之内，但舱内局部温度仍会超出上述范围。

（2）舱体内部气体成分及其质量始终处于动态过程。除舱体自身泄漏外，航天员每人每天耗氧量和排湿量分别为：0.85kg、1.82kg，同时呼出1.0kg的二氧化碳，至少有25种有毒有害物质，如二甲基胺、酚、苯、四氯乙烯等，其中有16种挥发性毒物质，还有各种病菌。环控生保系统为确保航天员的生活质量和安全，当舱内压力高于101kPa时及时泄压、当舱内压力低于81kPa时及时增压、及时补氧和消除有毒有害的物质。用以确保舱内部的压力为（91±10）kPa；氧分压为（22±2）kPa；湿度为（50±20）%；二氧化碳小于1kPa。

（3）舱内的仪器设备产生不同频率的噪音。

（4）舱内最大允许泄漏率为：0.49Pa·m3/s。

4 泄漏监测报警模式

当空间站舱体发生泄漏时，要求发现的时间越早越好。航天员需要从泄漏监测报警系统获得排障期限比获得泄漏率更为重要。为此泄漏监测报警可采用声、光报警与显示“排障期限”相结合的方式。其中灯光又分为：绿、黄、红三色等级，依次表示不同的泄漏等级；声音报警分为两级，用铃声或语音提示来进行分级报警。同时采用液晶屏显示相应的允许排障期限和漏率数据。“排障期限”是指舱内压力泄漏到81kPa的时间，分别以大于1年、1年至1天、小于1天三个等级进行划分，并与声、光报警相对应。报警显示内容如表1所示。

表1 报警模式与等级划分

5 绝压法泄漏监测方案对比分析

通过空间站密封舱内部环境分析可知，密封舱体内气体成分多，处于动态变化中，有航天员生活时，密封舱内的氧气、二氧化碳、水汽等气体时刻处于变化中，如果采用总压力及上面提到的几种气体做介质来监测压力变化比较困难。同时，通过进一步分析，在环控生保系统中，无论是有人状态还是无人状态，舱体在不发生泄漏的前提下，氮气都是最稳定的。此外，氮气在空气中占有量是最多的，约占80%。因此从理论上讲，采用氮气的分压力来测量和监测密封舱内压力的变化能够排除诸多干扰因素，能够有效地监测舱内压力变化，从而可作为绝压法监测空间站舱体泄漏的优选方案。

采用绝压法测量氮气分压力进行空间站泄漏监测主要有“氮分压直接监测法”和“氮分压间接监测法”两种方法。下面以一个容积118m3，漏率4.9×10-2Pa·m3/s的空间站工作舱为例，计算两种方法在舱压从95kPa下降至81kPa时的报警反应时间及反应时间的占用率（最短报警反应时间与排障时间的比值）。

5.1 氮分压直接监测法

氮分压直接监测法是通过直接测量空间站工作舱内的氮分压和温度来计算舱体漏率和实施报警的。泄漏检测系统检测的是舱体漏率，舱体漏率Q与舱体有效容积V有关，还与时间Δt内舱体泄漏的氮分压压降ΔPN有关。即

式中，Q为舱体漏率，Pa·m3/s；V为舱体有效容积，m3；ΔPN为氮分压压降，Pa；Δt为泄漏时间，s；γN为舱内氮分压的浓度，%。

（1）当舱内其它气体质量变化影响到氮分压直接检测时：

舱内氮分压（N2）为：76.16 kPa，检测误差为：762Pa；氩分压（Ar）为：0.93kPa，由于舱内有航天员生活，氧分压（O2）为：22±2kPa；二氧化碳分压（CO2）为：0.55±0.45kPa；水气分压（H2O）为：1.3576±0.9856kPa；氮分压PN及其浓度γN关系为：

式中，PN、PO、PC、PH、PA分别为舱内 N2、O2、CO2、H2O、Ar的分压，单位Pa。

式中，ΔPN为时间内氮分压的变化量（单位Pa）；PN1、PO1、PC1、PH1、PA1、T1分别为时间初始时的舱内 N2、O2、CO2、H2O、Ar的分压（单位 Pa） 和舱内绝对温度（单位 K）；PN2、PO2、PC2、PH2、PA2、T2分别为 Δt时间后的舱内 N2、O2、CO2、H2O、Ar的分压（单位 Pa）和舱内绝对温度（单位K）。

氮分压浓度变化量δγN如表2所列。

按照误差的传递理论，ΔPN/γN的误差 δ（ΔPN/γN）可用下式表示：

表2 氮分压浓度变化量

式中，PN2，δPN1为舱内氮分压及其检测误差，Pa；T2，δT1为舱内气体温度及其检测误差，K；PO2，δPO1为舱内氧分压及其误差，Pa；PC2，δPC1为舱内二氧化碳分压及其误差，Pa；PH2，δPH1为舱内水气分压及其误差，Pa；PA2，δPA1为舱内氩分压及其误差，Pa。

设：PN2＝76.16kPa；δPN1=762Pa；T2=295.65K；δT1为:1℃；经计算 ΔPN/γN的误差值为 3582Pa。

任何检测系统都存在着检测误差，同样监测系统要想检测到泄漏，泄漏必须经过一段Δtmin时间，其泄漏量大于监测系统自身的检测误差时才能检测到泄漏。这段 Δtmin时间即为“最短反应时间”（Δtmin=δΔP总·Δt/14kPa）。

通过空间站工作舱的容积，可计算得到舱内压力从95kPa降到81kPa的时间，这个时间为允许的排障期限。再用ΔP总的检测误差δΔP总，可计算得到舱内其它气体质量变化影响氮分压直接检测时的最短反应时间及其占用率，如表3所列：

（2）当舱内其它气体质量变化不影响氮分压直接检测时：

式中，PN1，T1为Δt时间初始时的舱内氮分压和舱内绝对温度（K）；PN2，T2为Δt时间后的舱内氮分压和舱内绝对温度（K）。

按照误差的传递理论，ΔPN/γN的误差 δ（ΔPN/γN）可用下式表示：

式中，PN2，δPN1为舱内氮分压及其检测误差，Pa；T2，δT1为舱内气体温度及其检测误差，K。

用 ΔP总的检测误差 δΔP总，可计算得到舱内其它气体质量变化不影响氮分压直接检测时的最短反应时间及占用率如表4所列：

5.2 氮分压间接监测法

氮分压间接监测法是通过间接测量空间站工作舱内的氮气分压和温度来计算舱体漏率和实施报警的。这种方法需要分别测量舱内的总压力以及气体组分的分压力，通过计算得到氮气分压力。舱体的漏率计算公式与式（2）相同。

表3 舱内其它气体质量变化影响氮分压直接检测时的最短反应时间及占用率

表4 舱内其它气体质量变化不影响氮分压直接检测时的最短反应时间及占用率

由于舱内有航天员生活，氮分压PN以及ΔPN可用下式表示：

式中，ΔPN为Δt时间内氮分压的变化量（单位Pa）；P总1、PO1、PC1、PH1、PA1、T1分别为 Δt时间初始时的舱内总压、O2、CO2、H2O、Ar的分压（单位 Pa）和舱内绝对温度（单位 K）；P总2、PO2、PC2、PH2、PA2、T2分别为 Δt时间后的舱内总压、O2、CO2、H2O、Ar的分压（单位Pa）和舱内绝对温度（单位K）。

（1）舱总压，O2分压，CO2分压，H2O 分压，Ar分压都检测时，并假设：

按照误差的传递理论，ΔPN的误差δΔPN可用下式表示：

用 δΔPN值，可计算得到舱总压、O2分压、CO2分压、H2O分压、Ar分压都检测时最短反应时间及占用率如表5所示：

（2）只检测舱总压，O2分压，其他气体分压忽略，并假设：

按照误差的传递理论，ΔPN的误差δΔPN可用下式表示：

用 δΔPN值可计算得到只检测舱总压、O2分压时最短反应时间及占用率如表6所列。

5.3 泄漏监测方案对比

反应时间是一个绝对数值，不同容积的舱体有不同的反应时间，其大小并不能直接评价监测方案的性能；而反应时间占用率是一个相对数值，它是反应时间与排障时间的比值，它反映了报警时间占航天员处置泄漏时间的比重，因而可以用来评价报警反应的快慢，且只与泄漏监测方法有关，与舱体的容积无关。

表5 舱总压，O2分压，CO2分压，H2O分压，Ar分压都检测时最短反应时间及占用率

表6 只检测舱总压，O2分压时最短反应时间及占用率

表7 绝压法泄漏监测方案对比

表7列出了两种绝压法泄漏监测方案的反应时间占用率及其特点，通过比较可以看出，氮分压间接监测法（扣除O2、CO2、H2O、Ar分压）的报警速度最快，具有最好的监测报警效果。

6 结论

采用绝压法测量氮气分压力来监测密封舱内压力的变化能够排除诸多干扰因素，可作为有人值守时空间站舱体泄漏监测的优选方案。泄漏监测报警可采用声、光报警与显示“排障期限”相结合的分级报警模式。氮分压间接监测法（扣除O2、CO2、H2O、Ar分压）比氮分压直接监测法具有更快的报警速度，且可有效利用环控生保系统提供的分压信号，可作为有人值守期间空间站舱体泄漏监测与报警的一种可行方案。◇

［1］黄本诚.空间环境工程学[M].北京：宇航出版社，1993:130.

［2］喻新发，闫荣鑫，邵容平，等.空间站在轨密封检漏技术研究[J].航天器环境工程，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，闫治平，金春玲，等.采用压降检漏法对大型密封容器检漏时的“升压”现象分析[J].航天器环境工程，2011，28（3）：264-267.

［5］闫荣鑫.常用密封检漏方法的注意事项[C]∥第十四届全国质谱分析和检漏会议、第九届全国真空计量测试会.2007：55-56.

［6］张天平.国外空间站物化再生环控生保技术情报研究[R].中国空间技术研究院，2008.