基于最小二乘法的氦质谱非真空累积检漏方法研究

綦磊，孙立臣，洪晓鹏，王勇，任国华

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

基于最小二乘法的氦质谱非真空累积检漏方法研究

綦磊，孙立臣，洪晓鹏，王勇，任国华

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

航天器的密封性能测试分为部组件级测试和系统级测试。系统级密封性能测试大多采取氦质谱非真空累积检漏法，由于收集室内氦气浓度分布不均匀，检漏仪读数不稳定，漏率初值或终值的读取可能不准确，进而造成测量误差。提出一种基于最小二乘法拟合的氦质谱非真空累积检漏方法，在非真空累积过程中，多次读取收集室内漏率值，并利用最小二乘法对漏率变化率进行拟合，进而求出被检件漏率。大量试验结果表明，与传统的氦质谱非真空累积检漏法相比，该方法可有效避免单次数据测量造成的测量误差，具有更高的数据可信度。

航天器；氦质谱检漏；非真空累积；最小二乘法

0 引言

近年来，随着航天器设计在轨寿命的延长，航天器的密封性能成为衡量航天器质量高低的一个重要参数[1-3]，关系到航天器发射的是否成功以及在轨寿命。因此，必须对航天器进行严格的密封性能测试。航天器的密封性能测试主要分为部组件级测试[4]和系统级测试[5]。部组件级密封性能测试，由于被检件尺寸相对较小，大多采取氦质谱真空检漏法。系统级密封性能测试受制于被检件尺寸较大，大多采取氦质谱非真空累积检漏法，该方法所采用的测试系统主要包括收集室（检漏专用收集室或航天器运输包装箱）、氦质谱检漏仪、大气标准装置和气体漏率标定系统（标准PV放样系统或标准漏孔）等[6]。

1 方法概述

使用标准漏孔作为漏率标定系统时，氦质谱非真空累积检漏法的基本工作原理如图1所示，将已知漏率Q1的正压标准漏率放入收集室中，记录氦质谱检漏仪读出的漏率初值U11，累积时间t1，记录氦质谱检漏仪读出的漏率终值U12。取出标准漏孔，向被检件中充入一定浓度的氦气（浓度根据检漏灵敏度确定，航天器检漏一般用99.999%浓度氦气），密封好后放入收集室中，记录氦质谱检漏仪读出的漏率初值U21；累积时间t2，记录氦质谱检漏仪读出的漏率终值U22，则被检件的漏率Q2通过式（1）计算[7]。每次读取漏率值前，取一定量的基准气体（氦气浓度不变）对氦质谱检漏仪进行校准，确保检漏仪对相同浓度示漏气体的输出漏率值保持一致。

这种方法只需记录漏率初值和终值，操作简单，计算方便。但在实际应用中，由于收集室内氦气浓度分布不均匀，检漏仪读数不稳定等，漏率初值或终值的读取可能不准确，进而造成测量误差。在累积过程中，多次读取漏率值，并利用最小二乘法对漏率变化率进行拟合，从而求出被检件的漏率Q2为：

式中：Q1为标准漏孔全漏率，Pa·m3/s；k1为标准漏孔在收集室内氦气漏率变化率，Pa·m3/s2；k2为被检件在收集室内氦气漏率变化率，Pa·m3/s2。

图1 氦质谱非真空累积检漏法示意图Fig.1 Schematic diagram of thenon-vacuum accumulation leak detectionmethod forhelium mass spectroscopy1.氦质普检漏仪；2.pe；3.大气基准气体；4.风扇；5.被检件；6.收集室；7.充气回收装置；8.高纯氦气

2 系统最小可检漏率测量

将全漏率为Q1的正压标准漏孔A放置于收集室中，将收集室密封后，启动风扇搅拌收集室箱内气体，使标准漏孔泄漏到收集室中的氦气达到均匀状态。将检漏仪连接大气基准气体，得到漏率值U01，再将检漏仪连接收集室，得到漏率值U11，每个2 h记录一次大气基准气体漏率值和收集室内氦气漏率，同时记录检漏仪质谱室入口压力以及收集室大气压力，分别为U0i和U1i，连续累积24 h，如表1所列。

表1 正压标准漏孔A漏率累积记录表Table1 Leak rateaccumulation of pressure standard leak A

利用最小二乘法进行对漏率变化率进行数据拟合，得到本次测量的氦气漏率变化率为k1=1.31× 10-13Pa·m3/s2，如图2所示。

记录氦质谱检漏仪噪声In为1×10-9Pa·m3/s，计算该检漏系统的最小可检漏率值为：

式中：Q1为被积累的标准漏孔A全漏率，Pa·m3/s；In为氦质谱检漏仪的噪声，Pa·m3/s；tn为累积总时间间隔，s；k1为收集室内氦气漏率变化率，Pa·m3/s；

图2 标准漏孔A漏率变化率最小二乘法拟合曲线Fig.2 LeastSquare fitting curveof leak rateand time for pressure standard leak A

3 被检件检漏

打开收集室，将正压标准漏孔A取出，静置一定时间，使收集室内氦气浓度降至试验前水平。将全漏率为Q2的正压标准漏孔B放置于收集室中，将收集室密封后，启动风扇搅拌收集室箱内气体，使标准漏孔泄漏到收集室中的氦气达到均匀状态。将检漏仪连接大气基准气体，得到漏率值U′01，再将检漏仪连接收集室，得到漏率值U′11，每2 h记录一次大气基准气体漏率值和收集室内氦气漏率，同时记录检漏仪质谱室入口压力以及收集室大气压力，分别为U′01和U′1i，连续累积24 h，如表2所列。用最小二乘法进行对漏率变化率进行数据拟合，得到本次测量的氦气漏率变化率为k2=2.11×10-13Pa·m3/s2，如图3所示。

表2 正压标准漏孔B漏率累积记录表Table2 Leak rateaccumulation of pressure standard leak B

图3 标准漏孔B漏率变化率最小二乘法拟合曲线Fig.3 LeastSquare fitting curveof leak rateand time for pressure standard leak B

已知标准漏孔A的全漏率Q1为2.06×10-7Pa·m3/ s，利用式（2），便可以算出被检件的漏率Q2为3.31× 10-7Pa·m3/s，与被检件漏率真值3.51×10-7Pa·m3/s相比，相对测量误差为5.7%，满足航天器密封性能测试的要求[8-9]。

4 结论

氦质谱非真空累积检漏法因操作简单，检漏成本低，广泛应用于国内航天器系统级总漏率测试。由于收集室内氦气浓度分布不均匀，检漏仪读数不稳定，漏率初值或终值的读取可能不准确，进而造成测量误差。提出一种基于最小二乘法拟合的氦质谱非真空累积检漏方法，在非真空累积过程中，每隔一定时间读取收集室内漏率值，并利用最小二乘法对漏率变化率进行拟合，通过标准漏孔漏率变化率和被检件漏率变化率的比例关系，进而求出被检件漏率。试验结果表明，这种方法的相对测量误差小于10%，满足航天器密封性能测试的要求。

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[2]金春玲，回天力，王国忱，等.非真空收集器检漏技术在航天领域的应用研究[C]//中国真空学会质谱分析和检漏专业委员会年会，2013.

[3]薛长利，丁勤，蒋炎华，等.氦质谱检漏技术在小卫星领域的应用[C]//2011年小卫星技术交流会论文集，北京，2011. [4]汪力，郑江滨，闫荣鑫.航天器部件真空检漏试验管理系统的设计[J].航天器环境工程，2012，29（6）：700-704.

[5]孙立臣.氦质谱检漏技术在航天器总装试验阶段的应用[C]//2013年真空工程学术会议暨2013年真空咨询学术会议论文集，沈阳，2013.

[6]王勇，闫荣鑫.航天器氦质谱吸枪检漏法的不确定度评定研究[J].中国空间科学技术，2010，30（4）：71-75.

[7]王勇，邵容平，闫荣鑫，等.氦质谱非真空积累检漏法中几个问题的研究[J].真空科学与技术学报，2012，32（2）：118-122.

[8]王强庆，薛长利，丁琴，等.航天器检漏线性拟合参数的不确定度评定分析[J].真空与低温，2014，20（1）：19-23.

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RESEARCH ON NON-VACUUM ACCUMULATION LEAK TESTING BY HELIUM MASS SPECTROSCOPY BASEDON LEAST SQUAREMETHOD

QILei，SUN Li-chen，HONG Xiao-peng，WANG Yong，REN Guo-hua
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Spacecraft leak testing is divided into component testing and system testing.System leak testmostly take themethod of non-vacuum accumulation leak testing by helium mass spectroscopy.Due to the uneven distribution of helium in the accumulation chamber and the unstable readings of helium mass spectrometer leak detector，the initialand final leakage rate valuesmay notbe read accurately whichmay result in themeasurementerror.In this paper，a non-vacuum accumulation leak testing by helium mass spectroscopy based on leastsquaremethod is introduced.In the processof helium gas accumulation，read the helium gas density in the accumulation chamber at regular intervals and calculate the helium gas density charge rate using least squaremethod.Then，the leakage rate of the objectunder test is given.A large number of test results show that，compared w ith the traditionalmethods，thismethod can effectively avoid themeasurementerror caused by single testing and the resultshave a higher credibility.

spacecraft；helium massspectroscopy；non-vacuum accumulation；leastsquaremethod

TB42

A

1006-7086（2017）03-0154-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.006

2017-03-13

国家自然基金（U1537109）、载人航天预先研究（020109）

綦磊（1985-），男，山东潍坊人，工程师，硕士，主要从事航天器密封性能测试技术研究。E-mail:qilei511@126.com。