基于气相色谱法的电推进航天器氙气泄漏检测系统

窦仁超，喻新发，孙立臣，洪晓鹏，刘兴悦，闫荣鑫，任国华，杨定魁

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

基于气相色谱法的电推进航天器氙气泄漏检测系统

窦仁超，喻新发，孙立臣，洪晓鹏，刘兴悦，闫荣鑫，任国华，杨定魁

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

为了能够对电推进航天器加注后的泄漏进行检测，对氙气泄漏检测方法和关键技术进行研究，研制了一套基于气相色谱法的氙气泄漏检测系统。试验结果表明，氙气体积分数在1×10-7～5×10-4之间时，系统可以定性定量判断氙气的真实泄漏量（1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）；而当氙气体积分数超过5×10-4时，则应定性判断电推进系统有大泄漏（泄漏量＞10-2Pa·m3·s-1）。检测系统能够满足电推进航天器加注后泄漏检测任务的要求。

气相色谱法；氙气；泄漏检测；电推进航天器

0 引言

电推进具有高比冲、长寿命和可实现高度自主巡航等特点，因此成为欧美各航天大国重点研究的对象，并成功应用于深空探测、高轨通信等长寿命在轨任务［1-3］。电推进航天器的全面发展使得现有航天器推进系统发生重大变革［4-6］。电推进系统使用的推进剂一般为惰性气体，氙气以其原子质量大、易电离等优点成为电推进系统首选推进剂［7］；但是高浓度的氙气具有较大的毒理性质［8-10］，在氙气充放气期间、电推进系统发射场加注和加注后存储期间需要对环境中的氙气体积分数进行监测，以保证现场工作人员的人身安全。同时，电推进航天器一般具有较长的寿命，携带的推进剂相对较少，其对泄漏的容忍度更低，因此也需要对加注后的电推进航天器的泄漏状态进行检测。

氦质谱检漏仪和四极质谱仪是航天器泄漏检测工作中最常用的设备［11-14］。氦质谱检漏仪具有设备体积小、移动灵活、检测灵敏度高、测试时间短、定性定量容易等优点，被广泛应用在检漏的各个领域内，但是其只能以氦气或氢气作为示漏气体。四极质谱仪具有检测气体种类多、检测灵敏度高、物质定性能力强、可以对残余气体中的多种气体同时进行检测等优点，但是其一般用于真空环境下的真空检漏工作［14］。

为了能够完成电推进航天器加注期间和加注后周围环境中氙气体积分数的变化和航天器整体泄漏状态的检测，本文对基于气相色谱技术的电推进系统泄漏检测方法和检测设备进行了研究。

1 泄漏检测方法研究

1.1电推进系统泄漏导致环境氙气体积分数变化的分析

从最恶劣情况对推进剂加注环境中的氙气体积分数进行分析：如加注所用氙气最大需求量为120kg，加注大厅空间尺寸约10m×10m×10m，即1000m3，假设所有氙气均泄漏在加注大厅中未扩散至室外，且大厅内气体均匀混合。查资料［15］得到0.1MPa气压下，氙气的压缩系数在15℃和50℃时为分别0.9941和0.9959，可粗略取其为0.995。利用气体状态方程计算得到0.1MPa气压下氙气的分压约为2900Pa，即体积分数为2.9%，远高于氙气的体积分数安全上限（0.3%），因此必须对现场环境的氙气体积分数变化进行检测。

使用现有的仪器设备和检测方法不能在氙气加注后对航天器进行泄漏检测，无法掌握航天器的氙气泄漏真实情况。因此，氙气加注后会将航天器放置在包装箱内一段时间，在此期间可对航天器推进分系统的总漏率进行检测，以确定其是否满足要求。依据航天器总漏率检测流程和标准要求，航天器需要在包装箱内放置24h，包装箱内的氙气体积分数将会产生一定变化。存放航天器的包装箱体积约为80m3，按照电推进分系统总漏率设计指标（1×10-4Pa·m3·s-1）计算出的氙气体积分数增加值为 1.08×10-6，故氙气泄漏检测设备的指标应优于1×10-6。

综上所述，为了保证航天器推进分系统密封性能和加注现场工作人员的健康安全，需要对发射场加注期间和加注后周围环境中氙气体积分数进行检测，氙气泄漏检测设备的指标应优于1×10-6。该指标即为本研究中电推进系统氙气泄漏检测系统设计的目标值。

1.2微量气体成分检测方法的选择

目前适用于检测空气中微量气体成分的原理和方法有多种，如四极质谱仪、气相色谱仪、气体传感器以及各种专用气体分析仪。它们各有其特定的使用环境：如四极质谱仪一般用于真空残余气体分析，通过分析质荷比以及离子碎片确定分析对象的组成结构，具有较好的定性能力［14，16-18］；气相色谱仪一般用于分析正压或高压气体环境中常量和微量气体成分，利用不同物质在固定相和流动相分配系数的差别，使不同化合物从色谱柱流出的时间不同，然后通过检测器确定每种组分的含量，具有较好的分离定量能力［19-20］；气体传感器利用气体与传感器间特定的物理属性、化学反应等作用将气体的成分、含量等信息反映到仪表或计算机，对特定待测气体具有选择性，一般一种类型的气体传感器只能检测某一种气体［21-23］。由于气体传感器具有体积小、功耗低、重量轻、灵敏度高、重复性好、成本低，以及集成化和智能化等优点，所以在工业生产和民用生活中逐渐被广泛使用，用于检测大气环境某些特定气体成分和含量变化。为了更加直观了解上述三种气体成分检测方法的特点，将它们的优缺点进行比较，见表1。

表1　三种测试方法优缺点对比Table 1 Comparison of three methods for detecting trace gases

表1　（续）

从表1可以看出：四极质谱仪和气相色谱仪均具有较高的灵敏度和较强的检测能力，但是仪器系统相对复杂。气体传感器结构系统简单、价格便宜、性能稳定、可靠使用环境要求低，但是已有的商业化氙气传感器检测灵敏度仅为10-3，达不到发射场电推进系统氙气泄漏检测要求。

四极质谱仪和气相色谱仪可以满足多种气体成分检测和电推进发射场检漏需求。调研发现，为搭建检测能力优于10-6级别的氙气泄漏检测系统，以气相色谱仪为核心则性价比较高，且更适合检测空气中或正压环境中各气体成分含量变化。

2 测试系统组成

利用气相色谱仪测试特点研发一套加注期间及加注后电推进航天器氙气泄漏检测系统，由气相色谱仪、循环泵、风扇、航天器包装箱（或加注大厅）以及加注氙气后的航天器等组成，如图1所示。航天器包装箱主要用于富集氙气，风扇用于将泄漏的氙气混合均匀，循环泵将航天器周围环境的气体取送至气相色谱仪的取样器（一般为定量环）内，通过进样阀将待测气体切换至色谱柱内进行分离，由检测器依次给出分离后的各成分含量响应信号。

为了验证氙气泄漏检测系统的性能，进行了大量测试试验。测试系统如图2所示，主要由氙气泄漏检测系统、标定设备等组成，并用航天器检漏收集容器模拟加注大厅，其密闭空间体积为86m3。通过标定设备（如图2（c）所示）采用专利技术向模拟加注大厅内充入高纯氙气，使得模拟加注大厅内氙气体积分数分别达到 5×10-7、1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、1.5×10-4、1×10-3和 1×10-2，测得氙气泄漏检测系统在各氙气体积分数值下的信号响应量，以判断系统的测试能力。

图1　气相色谱法航天器氙气泄漏检测系统Fig. 1 The spacecraft leak detection system with GC

图2　氙气泄漏检测系统测试试验Fig. 2 The leak detection experiments for the electric propulsion spacecraft

3 试验结果

模拟加注大厅内空气中不同氙气体积分数的测试结果如图3和图4所示。

图3　空气中不同氙气体积分数（5×10-7、1×10-6、5×10-6、1×10-5）测试结果Fig. 3 The test results with 5×10-7， 1×10-6， 5×10-6，1×10-5xenon in the air

图4　空气中不同氙气体积分数（1×10-4、1.5×10-4、1×10-3、1×10-2）测试结果Fig. 4 The test results of 1×10-4， 1.5×10-4， 1×10-3，1×10-2xenon in the air

从图3和图4可以看出：新研制的氙气泄漏检测系统的氙气体积分数检测范围下限为5×10-7、上限为1×10-2。试验过程中测试气相色谱仪的本底噪声约为0.3mV，其检测1.5×10-4标准体积分数氙气时的响应值为420mV，可以计算出氙气泄漏检测系统在当前条件下的氙气检测灵敏度为 A=0.3× 1.5×10-4÷420≈1×10-7。另外，氙气体积分数在1×10-7～5×10-4之间时，测试信号具有较好线性关系，可以定性定量判断氙气的真实泄漏量（1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）；而当氙气体积分数超过5×10-4时，则可以定性判断电推进系统有大泄漏（泄漏量＞10-2Pa·m3·s-1）。

可见该氙气泄漏检测系统能够真实反映电推进航天器加注后的泄漏情况，具备完成型号检测任务要求的能力。

4 结束语

为满足电推进航天器泄漏检测任务需求，调研了多种泄漏检测方法和设备后，研制了基于气相色谱法的电推进航天器氙气泄漏检测系统。该测试系统简单、成本低、检测灵敏度高，能直接定量检测环境中的氙气体积分数。试验证明，该系统定量检测氙气体积分数变化范围为 1×10-7～5×10-4，并能定性检测5×10-4以上的氙气体积分数变化，可以实现电推进航天器推进剂泄漏的快速检测，为有关航天任务的可靠实施提供保障。

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（编辑：张艳艳）

A leak detection system for the electric propulsion spacecraft after xenon being filled

DOU Renchao， YU Xinfa， SUN Lichen， HONG Xiaopeng， LIU Xingyue， YAN Rongxin， REN Guohua， YANG Dingkui
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China）

In order to test the leakage of the electric propulsion spacecraft after the xenon being filled， the leak detection methods and the key technologies are studied. A leak detection system is developed based on the gas chromatography （GC）. It is verified by the experiments to be reliable. The result shows that the leak detection system could detect the leak of qualitative analysis and quantitative analysis for the leak of spacecraft （1.0×10-5～5.0×10-2Pa·m3·s-1）， when the range of the volume fraction of xenon is 1×10-7～5×10-4in the air. If the volume fraction of xenon exceeded 5×10-4， it could confirm that the spacecraft had a huge leak （the leakage＞10-2Pa·m3·s-1）. This system could satisfy the leak detection requirements of the electric propulsion spacecraft.

gas chromatography； xenon gas； leak detection； electric propulsion spacecraft

TB774

B

1673-1379（2016）04-0446-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.019

2016-03-01；

2016-06-28

北京卫星环境工程研究所自主研发项目“电推进系统氙气充装与检漏技术”（编号：YY-BZ（WM）-2013-02）

窦仁超（1982—），男，硕士学位，主要从事航天器泄漏检测、有害气体检测和分析等工作。E-mail:dourenchao@126.com。