航天器单机产品真空室检漏法测量结果的不确定度评定

2012-09-28 汪力 北京卫星环境工程研究所

  航天器推进系统的单机产品的漏率测试往往采用氦质谱真空室检漏法,研究该方法测量结果的不确定度评定具有重要的工程应用价值。本文首先对真空室检漏法的原理进行了分析探讨,并从不确定的基础理论出发系统地研究了氦质谱真空室检漏法测量结果的不确定度评定方法,并结合工作的具体案例给出了评价的具体步骤。

  真空室检漏法由于其具有较高的灵敏度,且可以模拟航天器单机产品工作的真实环境,因此已广泛应用于现阶段航天器推进系统的单机产品的检漏测试。当然,该种方法也可应用于小卫星的整星检漏测试。值得一提的是,真空室检漏法在某些文献中也称为“加压真空检漏法”,本文则采用文献中的名称。通常,真空室法的检漏系统示意图如图1 所示,当然还有其它的系统示意图,如将检漏仪直接接在真空室上等,具体可参考文献。

真空室法检漏系统示意图

图(tu)(tu)1 真空室(shi)法检(jian)漏系(xi)统(tong)示意图(tu)(tu)

  本文(wen)重点阐述现(xian)已广(guang)泛(fan)使用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)如(ru)图1 所示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)真空(kong)(kong)室法的(de)(de)(de)(de)(de)(de)检(jian)漏(lou)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)示(shi)意图,其基本原(yuan)理是利用真空(kong)(kong)校(xiao)准漏(lou)孔(kong)(kong)比对(dui)被检(jian)漏(lou)孔(kong)(kong)来(lai)进(jin)行测(ce)试(shi)(shi)。具体(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)试(shi)(shi)验(yan)过程是:首先建(jian)立(li)一(yi)个符合真空(kong)(kong)室检(jian)漏(lou)方法并满足检(jian)漏(lou)灵敏度要求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)检(jian)漏(lou)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)。对(dui)真空(kong)(kong)室抽真空(kong)(kong),达(da)到检(jian)漏(lou)要求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)真空(kong)(kong)度时打开截止阀,使真空(kong)(kong)室与已经工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)检(jian)漏(lou)仪(yi)(yi)(yi)(yi)连接,在(zai)仪(yi)(yi)(yi)(yi)器稳定(ding)后记录(lu)(lu)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)本底(di)值(zhi)(zhi)(zhi),然后打开真空(kong)(kong)校(xiao)准漏(lou)孔(kong)(kong),待(dai)仪(yi)(yi)(yi)(yi)器示(shi)值(zhi)(zhi)(zhi)稳定(ding),记录(lu)(lu)反应值(zhi)(zhi)(zhi),关闭(bi)真空(kong)(kong)校(xiao)准漏(lou)孔(kong)(kong)等待(dai)仪(yi)(yi)(yi)(yi)器回(hui)到本底(di)初值(zhi)(zhi)(zhi),对(dui)被检(jian)件(jian)充入(ru)工(gong)作(zuo)压力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氦气,记录(lu)(lu)检(jian)漏(lou)仪(yi)(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)反应值(zhi)(zhi)(zhi),从而达(da)到检(jian)漏(lou)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。目前航(hang)天器推进(jin)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)单(dan)机(ji)产(chan)品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)检(jian)漏(lou)测(ce)试(shi)(shi)结果(guo)只能给出(chu)测(ce)量值(zhi)(zhi)(zhi),却不(bu)(bu)能给出(chu)评价测(ce)试(shi)(shi)结果(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)参(can)数(shu)———不(bu)(bu)确定(ding)度。本文(wen)尝试(shi)(shi)从测(ce)试(shi)(shi)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)确定(ding)度和随(sui)机(ji)因素(su)所引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)确定(ding)度两(liang)方面对(dui)氦质(zhi)谱真空(kong)(kong)室检(jian)漏(lou)法测(ce)量结果(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)确定(ding)度进(jin)行研究(jiu)。

2、真空(kong)室检漏法(fa)测量(liang)结果不确定度来源分析

  真(zhen)空室(shi)检(jian)(jian)漏(lou)法(fa)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)的(de)(de)来(lai)源主要(yao)(yao)有以下(xia)几(ji)个(ge)方面:氦质(zhi)谱检(jian)(jian)漏(lou)仪、真(zhen)空校准漏(lou)孔、测(ce)(ce)试环境、测(ce)(ce)试时(shi)间和(he)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)操(cao)作者等(deng)(deng)。但在对(dui)真(zhen)空室(shi)检(jian)(jian)漏(lou)法(fa)测(ce)(ce)量(liang)结(jie)果(guo)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)进(jin)行(xing)评定(ding)(ding)(ding)(ding)时(shi),却很难将以上(shang)各个(ge)影响因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)量(liang)分(fen)(fen)别量(liang)化,然后(hou)再(zai)进(jin)行(xing)合成。原因(yin)(yin)(yin)(yin)在于有些(xie)因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)是(shi)(shi)耦合的(de)(de),如在测(ce)(ce)试不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)操(cao)作者引入的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)量(liang)时(shi),会不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可避免(mian)地将测(ce)(ce)试环境等(deng)(deng)因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)引起的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)量(liang)带入了。因(yin)(yin)(yin)(yin)此,可将以上(shang)影响因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)分(fen)(fen)成检(jian)(jian)漏(lou)测(ce)(ce)试系统(tong)效应不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)以及随(sui)机(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)引起的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)两部分(fen)(fen)组成。其中,检(jian)(jian)漏(lou)测(ce)(ce)试系统(tong)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)将考虑氦质(zhi)谱检(jian)(jian)漏(lou)仪、真(zhen)空校准漏(lou)孔等(deng)(deng)检(jian)(jian)漏(lou)测(ce)(ce)试系统(tong)的(de)(de)重要(yao)(yao)组成部分(fen)(fen)导致的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du),这(zhei)一部分(fen)(fen)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)是(shi)(shi)固定(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)(de);随(sui)机(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)引起的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du)则包(bao)含(han)了测(ce)(ce)试环境、不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)操(cao)作者、测(ce)(ce)试时(shi)间等(deng)(deng)其它因(yin)(yin)(yin)(yin)素(su)而带来(lai)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(du),是(shi)(shi)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)确(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)(de),与具体每次检(jian)(jian)漏(lou)测(ce)(ce)试的(de)(de)条件是(shi)(shi)相关的(de)(de)。

4、讨论(lun)

  该被(bei)检件其实是(shi)真空标(biao)准漏孔(kong),其标(biao)称值为2.60×10- 7 Pa·m3/s,U=18.0%(k=2), 由(you)国(guo)防科技工业(ye)真空一级(ji)计量站提供,因此可以认为是(shi)被(bei)检件的真值。若测试结(jie)(jie)果(guo)(guo)的置(zhi)信(xin)水平(ping)为0.95,则真值将绝大部分落在测试结(jie)(jie)果(guo)(guo)的区间(jian)内(nei),如图(tu)(tu)2所示。图(tu)(tu)中(zhong),细线(xian)部分为真值范围(wei),粗线(xian)部分为航天器单机产品真空室(shi)检漏法的测试结(jie)(jie)果(guo)(guo)。图(tu)(tu)3给出(chu)了置(zhi)信(xin)水平(ping)为0.99 的分析图(tu)(tu)。由(you)图(tu)(tu)3 可见,真值全部落在测试结(jie)(jie)果(guo)(guo)的范围(wei)内(nei)。因此,可以认为评定结(jie)(jie)果(guo)(guo)正确(que)。被(bei)检件最(zui)终(zhong)测试结(jie)(jie)果(guo)(guo)由(you)公式(24)给出(chu)。

航天器单机产品真空室检漏法测量结果的不确定度评定

图(tu)2 测(ce)试(shi)结果(guo)取包(bao)含因(yin)(yin)子(zi)k=2 时的(de)分析(xi)图(tu)图(tu)3 测(ce)试(shi)结果(guo)取包(bao)含因(yin)(yin)子(zi)k=3 时的(de)分析(xi)图(tu)

5、结束语(yu)

  本文(wen)基于不(bu)(bu)确定(ding)度(du)的(de)(de)(de)基础(chu)理论,对航天(tian)器单(dan)机(ji)产品的(de)(de)(de)真(zhen)空室检漏法测(ce)量(liang)结果的(de)(de)(de)不(bu)(bu)确定(ding)度(du)从测(ce)试的(de)(de)(de)系统影响因素和随机(ji)影响因素两(liang)方(fang)(fang)面进行了研究(jiu),通(tong)过实(shi)际案例证明了该(gai)评(ping)定(ding)方(fang)(fang)法的(de)(de)(de)正确性(xing)。本文(wen)的(de)(de)(de)评(ping)价方(fang)(fang)法将对其它真(zhen)空检漏方(fang)(fang)法测(ce)量(liang)结果的(de)(de)(de)不(bu)(bu)确定(ding)度(du)评(ping)定(ding)具有一定(ding)的(de)(de)(de)参考(kao)意义。