衛星推進系統檢漏多余物控制分析

鐘 亮，馮 琪，王靜濤，閆榮鑫

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

衛星的生產過程對多余物的控制要求非常嚴格，帶有多余物出廠的產品存在隨機性的重大質量事故隱患[1]。而衛星的推進系統是對多余物最為敏感的系統。如果控制不嚴，多余物進入推進系統內部，會造成內部閥門堵塞、過濾元件流導降低、閥門密封元件損傷等，從而使得推進系統無法工作、推力下降或閥門出現泄漏等，進而造成一路發動機系統的失效，最終導致整個發射任務失敗[2]。衛星總裝過程中對推進系統的測試包括漏率測試（又稱檢漏）、減壓器測試、壓力傳感器測試、發動機電磁閥測試等等，其中每一次測試都有充排氣過程，而以檢漏對推進系統的充排氣操作最多。衛星推進系統的檢漏需要多次對系統內部進行充排氣操作，存在較高的多余物引入風險，因而在檢漏過程中對多余物的控制要求最為嚴格。本文通過對檢漏過程中充氣過程的各個環節多余物情況進行實際測試和分析，提出充氣過程中多余物控制的措施。

1 多余物產生環節

1.1 來源途徑梳理

衛星的推進系統內部多余物來源主要有三個途徑[3-4]：產品設計和生產缺陷造成的遺留多余物[5]，管路裝配焊接環節產生的多余物，以及后期充氣過程產生的多余物。衛星推進系統焊裝完成后，系統內部只有通過充氣才能引入多余物，因而充氣過程是衛星研制后期多余物控制的關鍵點。通過對推進系統的充排氣過程進行梳理，得到如圖1所示的故障樹。

圖1 衛星推進系統多余物來源途徑Fig.1 Sources of redundant substance in the satellite propulsion system

通過梳理和分析得知，在總裝檢漏任務中可能會造成衛星推進系統內部引入多余物的主要方面有氣源、充排氣操作臺閥門、充排氣操作臺內部壓縮機工作、工藝管道內部殘留、工藝管道組裝過程和工藝管道與衛星充排氣接口連接過程等。

1.2 產生原因分析

1）氣源內部的多余物

衛星充壓氣體均為99.999%的氦氣、氮氣等。因高純氣體的生產標準中只規定氣體成分的體積百分含量，對非氣體成分的顆粒未作明確規定，且氣瓶為重復使用，所以氣源內包含顆粒大小和數量未知。

2）充排氣操作臺中的多余物

操作臺內部閥門采用針閥形式，其密封面為相互壓緊的金屬面，在壓緊過程中會相互摩擦，可能產生多余物。同時，其上下運動的螺紋副摩擦也可能產生多余物。此外，充排氣操作臺內部安裝的氣動壓縮機，其內部活塞運動過程中會相互摩擦，也有可能產生多余物。

3）工藝管道內部遺留的多余物

工藝管道內部為波紋結構，難以徹底清洗，因此容易殘留多余物，并且在運輸轉運過程中很可能引入多余物。

4）工藝管道組裝過程和與衛星連接過程產生的多余物

工藝管道為單根工藝管道、各種工裝接頭、手動閥門和過濾器等的組合體，連接形式多為球頭對錐面或內錐面對外錐面的密封結構。在連接過程中，管道端口暴露于大氣狀態下；由于環境的潔凈度會隨空調運轉、人員活動等因素而變化[6-7]，因而空氣中的塵埃粒子有進入管道的可能性。

工藝管道和衛星充排氣接口的連接過程與工藝管道組裝過程類似，均存在密封面的多余物清理問題和多次重復連接時引入多余物的風險。工藝管道與衛星連接之前，通常必須連接非燒結型的過濾器。過濾器處于衛星推進系統充排氣管路的末端，也是多余物控制的最后關口，其在充排氣過程中是否有效是多余物控制的關鍵因素之一。

2 多余物實際情況測試

2.1 環境多余物

在潔凈度為 1萬級的衛星測試工位附近對空氣中的多余物進行測試，結果如表1所示。測試發現空氣中含有少量直徑大于10 μm的顆粒物。這些顆粒一般為粉塵，屬于柔性顆粒[8]。

表1 空氣多余物情況（1萬級，28.3L）Table 1 Redundant particles in the air (Class 10 000)/28.3L

2.2 氣源和充排氣操作臺多余物

對25瓶高純氮氣、36瓶高純氦氣進行了多余物測試試驗，結果如圖2所示。試驗結果表明，高純氮氣較高純氦氣潔凈度高，其多余物直徑均小于7 μm，滿足檢漏的使用要求。

圖2 氣源和充排氣操作臺多余物對比Fig.2 Comparison of redundant particles in the gas source and the charge/discharge operation table

衛星充排氣操作臺的入口和出口處都設置了7 μm 金屬網格型過濾器。對閥門在測試期間不操作和操作時的多余物情況和啟動壓縮機前后操作臺輸出氣體的多余物情況進行了對比測試，結果亦如圖2所示。

試驗結果表明，充排氣操作臺內部殘留有多余物，閥門的操作和壓縮機的啟動都會增加多余物，但是增加的多余物主要是直徑0.5～1 μm的顆粒。通過出口過濾器的有效控制，充排氣操作臺的輸出氣體多余物滿足檢漏要求。

2.3 管道連接過程產生的多余物

通過對試驗件進行取樣分析[9-11]，得到微量1Cr18Ni9Ti零件摩擦產生的磨屑；將磨屑使用激光粒度分析儀進行粒度分布分析，結果如圖3所示。從圖中可以看出，1Cr18Ni9Ti材料的磨屑粒度主要集中在7～50 μm，通過7 μm的過濾器可以有效控制該種剛性顆粒。

圖3 1Cr18Ni9Ti零件磨屑粒度分布Fig.3 Distribution of 1Cr18Ni9Ti abrasive dust

2.4 充壓工藝管道內部多余物

經過對實際使用的不銹鋼金屬軟管進行一系列的測試（結果如表 2所示），分析可知，管道長期使用或者長時間存放后，內部會有較多直徑 7 μm以下的多余物。通過高純氮氣進行吹除后，其數量會明顯減少。由于這些多余物直徑均小于7 μm，故不影響其所在管道在檢漏時的正常使用。

表2 在用不銹鋼金屬軟管多余物情況/990 LTable 2 Redundant substance in the old flexible stainless hose/990 L

2.5 過濾器的過濾效果測試

為了試驗衛星充排氣過程中使用的7 μm保護過濾器的過濾作用，專門設計了試驗系統，如圖4所示。在測試時使用標準顆粒進行測試，金屬與礦物粒子（1～200 μm）、球形玻璃粒子（1～40 μm）、鎳球（2～10 μm）、不銹鋼球（24～65 μm 和 60～125 μm），每次測試時每種顆粒取0.1 g，共計0.5 g。在進行不同壓力狀態時加入的是各種顆粒的混合物，每一個壓力下的測試均使用新的測試過濾器，測試結果如表3所示；在進行30 MPa壓力試驗時，每次加入一種顆粒，每一種顆粒均使用新的測試過濾器，測試結果如表4所示。

圖4 金屬過濾器過濾效果試驗系統氣路原理Fig.4 Gas circuit of the test system for examining the metallic filter’s performance

表3 不同壓力下過濾前后的顆粒個數/990 LTable 3 The number of redundant particles before and after filtration at different pressures /990 L

表4 30 MPa下不同顆粒過濾前后的個數/990 LTable 4 The number of redundant particles before and after filtration for different particles at 30 MPa/990 L

試驗結果表明，壓力在20 MPa以下，過濾器對于各種顆粒的過濾作用均有效；在30 MPa壓力下的開閥瞬間，過濾器下游出現了大于7 μm的顆粒，但7 μm以上顆粒數不再隨時間增加。對各種顆粒單獨在30 MPa壓力下進行試驗后發現，過濾器對于不同的金屬剛性顆粒的過濾作用不會失效，但是對于金屬與礦物粒子顆粒在開閥瞬間出現失效，因而可以判斷在30 MPa的壓力下過濾器對于柔性粒子的過濾能力下降。通過后續試驗發現緩慢開啟充壓閥門，使過濾器兩端的壓差小于要求的最大壓差0.68 MPa時，過濾器不會失效。

試驗證明過濾器的納污能力較強——0.5 g的多余物遠遠超過實際檢漏中遇到的多余物質量，但是其流阻并沒有明顯變化，且能夠保證過濾器的過濾精度。

3 多余物控制措施

通過試驗分析發現，對于衛星的推進系統而言，在總裝檢漏及其他需要充排氣的測試過程中，可以采用以下控制措施來減少多余物的引入：

1）衛星推進系統的充排氣必須在1萬級環境下安裝管道，并減少管道端口暴露大氣的時間，斷開連接后應該及時對各端口進行密封保護；

2）供氣氣源必須采用高純氣體，氣體引入充排氣操作臺前，必須對氣瓶的接口進行清潔處理，防止其暴露大氣期間積累的多余物進入充排氣操作臺管道內部；

3）充排氣操作臺研制時要求零部件內部必須經過清潔處理，并在充排氣操作臺的出口和入口安裝7 μm金屬網格型過濾器，研制完成后需要對各充氣口進行多余物測試，測試合格后才可應用于衛星測試；

4）工藝管道組件必須按照星上管道的潔凈度要求經過嚴格清洗后才能使用；

5）充排氣系統的各個環節連接時，應該在1萬級環境下進行，連接前必須對連接面進行清潔（用蘸無水乙醇的綢布或者無塵拭布擦拭）；

6）充排氣系統連接完成后可采用高純氮氣吹除的方式減少管道內部的多余物，吹除完成后必須對各端口進行密封保護，在與衛星推進系統接口連接時再打開連接端口；

7）工藝管道組件的末端必須根據需要安裝一個具有一定精度和壓力范圍的金屬網格型過濾器，再與衛星推進系統充排氣接口連接；

8）對于金屬網格型過濾器，在使用過程中必須控制其充氣速率的變化，保證其出入口兩端壓力差低于其最大允許壓差。

4 控制效果

為證明上述控制措施的效果，在某衛星檢漏前，按照圖4所示的方法進行相關連接和操作。對連接后管道系統內的多余物進行了4組測試，結果如表5所示。從測試結果來看，采取本文第3部分所述控制方法完全杜絕了大于7 μm的多余物進入衛星接口，極大地減少了衛星在檢漏過程中多余物的引入概率。

表5 多余物控制效果/990 LTable 5 Control effect of redundant substances /990L

5 結束語

通過梳理衛星推進系統的多余物的產生途徑和原因，并進行有針對性的測試試驗，分析衛星推進系統總裝檢漏時可能引入多余物的各方面情況，總結出若干條多余物控制措施。這些措施的控制效果在實際衛星檢漏工作中得到了充分驗證，可以推廣應用于各種航天器的推進系統安裝和測試中，對提高航天器推進系統的運行可靠性具有實際意義。

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