電推進系統工質氣體微流量校準裝置的設計

趙 瀾，成永軍，孫雯君，張瑞芳，李亞麗，管保國，丁 棟

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

推進系統是航天器的核心，電推進技術是一種先進的空間推進技術。電推進系統是通過電熱/靜電/電磁作用將電能轉變為工質氣體動能的裝置[1]。以高比沖、長壽命等特點已經在姿態控制、南北位置保持、軌道轉移、大氣阻尼補償、深空探測主推進等空間各個應用領域得到了廣泛應用。

比沖和總體效率是電推進系統重要的兩項技術指標。電推進系統工質氣體微流量與比沖成反比、與推力成正比[2]，與推力器的總體效率成反比。因此，一方面工質氣體微流量校準的準確度在比沖一定情況下影響電推進系統推力的準確度，進而影響到航天器的姿態和軌道控制精度；另一方面，工質氣體微流量校準的準確度影響電推進系統的總體效率，即意味著可以通過減少工質氣體的總攜帶量增加有效載荷的比重，或者在相同情況下增加電推進系統的壽命?？傊?，工質氣體微流量精確校準關系到航天器的推力的準確度，也影響航天器的姿態和軌道控制精度、壽命、效率、成本和承載能力等，需要在實際工況下采用真實的工質氣體對電推進系統氣體微流量進行精確校準。

1 設計原理

在氣體流量測量技術研究的基礎上，通過試驗、理論分析，結合電推進系統工質氣體微流量實際使用情況，確定了基于定容法校準電推進系統工質氣體微流量的技術方案，提出絕壓定容升壓法和差壓定容升壓法兩種校準電推進系統工質氣體微流量的方法。

1.1 絕壓定容升壓法

絕壓定容升壓法是一種通過直接測量校準室內壓力變化而獲得流量的校準方法[3]。電推進系統工質氣體微流量測量儀器微流量計的出口端為真空（一般＜1 000 Pa）?？紤]到溫度修正，絕壓定容升壓法校準流量的計算如式（1）。

式中：Q為被校微流量計氣體流量，Pa·m3/s；V為校準室有效容積，m3；Δp為校準時間內校準室壓力的變化，Pa；Δt為校準時間，s；T為校準室內氣體溫度，℃。

圖1為絕壓定容升壓法校準微流量計的原理圖。在時間間隔Δt內，流量為Q氣體通過微流量計流入已知容積V的校準室中，引起的壓力變化為Δp。根據公式（1），實現對被校儀器的校準。

圖1 絕壓定容升壓法校準原理圖Fig.1 Schematic diagram of absolutely pressure constant volume rise pressure method

絕壓定容升壓法校準過程中，當校準室容積V設計為0.01 m3，流量Q與容積V、測量時間Δt、壓力變化Δp之間的對應關系如表1所列。

1.2 差壓定容升壓法

差壓定容升壓法是通過測量校準室與參考室之間的壓力變化而獲得流量校準的方法，被校儀器的出口壓力可調節，一般出口壓力小于0.2 MPa。圖2為差壓定容升壓法校準微流量計的原理圖。校準時，向參考室和校準室充入具有額定壓力的氣體，關閉參考室與校準室之間的閥門，用差壓電容薄膜真空計測量在Δt時間內校準室中壓力變化值Δp，根據式（1）實現對被校儀器的校準。

圖2 差壓定容升壓法校準原理圖Fig.2 Schematic diagram of differential pressure constant volume rise pressure method

差壓定容升壓法校準過程中，校準室容積V設計為0.01 m3，則流量Q與容積V、測量時間Δt、壓力變化Δp之間的對應關系如表2所列。

表2 差壓定容升壓法各參數對應關系Tab.2 Corresponding relationship of each parameter for differential pressure constant volume rise pressure method

2 校準裝置的設計

電推進系統工質氣體微流量校準裝置主體采用雙通道對稱結構，包括抽氣系統、校準系統、容積測量系統、穩壓系統、多工質氣路轉換系統、恒溫與烘烤系統、數據采集系統等，裝置原理如圖3所示。

2.1 抽氣系統

抽氣系統有兩路，第一路抽氣系統主要由干式機械泵、分子泵、截止閥及放氣閥組成，用于對校準室及參考室抽氣，可避免抽氣機組對真空容器的污染，提高對氫氣等質量數較小的氣體的抽速。第二路抽氣系統主要由干式機械泵及截止閥組成，用于對容積測量系統、穩壓系統、多工質氣路轉換系統抽氣。

2.2 校準系統

校準系統設計為雙通道對稱結構，主要由校準室、參考室、133 kPa絕壓電容薄膜真空計、1.33 kPa絕壓電容薄膜真空計、133 kPa差壓電容薄膜真空計、1.33 kPa差壓電容薄膜真空計、冷陰極真空計、全金屬角閥、鉑電阻溫度計及截止閥等組成。

圖3 電推進系統工質氣體微流量校準裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of working gas micro-flow calibration apparatus for electric propulsion system

校準室和參考室均采用Φ300的球體制作，容積為10 L，耐壓壓力為0.25 MPa，材料為真空熔煉的SUS316L不銹鋼。內表面機械拋光處理，以提高腔室的潔凈度，外表面噴砂噴丸鈍化處理。腔室接口采用真空焊接，按超高真空密封要求進行檢漏處理。校準室進行真空除氣工藝處理，降低腔室材料表面出氣率，減少出氣對裝置校準結果的影響。

校準室、參考室設計多個測試接口，分別連接鉑電阻溫度計、電容薄膜真空計及真空閥門；底部為DN40的抽真空接口。在校準室（參考室）和抽氣機組之間采用DN40CF真空角閥連接。校準室的接口全部采用VCR或CF法蘭等金屬密封形式。溫度計采用Φ2絲、VCR固定的結構，傳感器伸入校準室及參考室內。

2.3 容積測量系統

容積測量系統主要包括容積測量室、標準容器、電容薄膜真空計、壓力計及截止閥等。其中容積測量室上配有多個外接接口，分別連接標準容器、電容薄膜真空計、壓力計、截止閥，接口采用金屬密封形式，降低系統漏放氣率。

工作用容積的測量采用參考容積法。將一個已知容積V0的標準容器，用閥門與被測容器連接，將標準容積中壓力為p0的氣體等溫膨脹到抽成真空的被測容積V中，測量出膨脹后的氣體壓力p，根據波義耳-馬略特定律，按式（2）就可以計算出被測容積[4]。

根據被測容積（校準室、參考室）的大小，容積測量室、標準容器均設計為1 L，耐壓壓力為0.25 MPa，標準容器容積由法定計量技術機構標定。用1臺滿量程為133 kPa電容薄膜真空計測量p0和p，通過式（2）可計算出校準室及接頭容積。

為了節約氙氣，采用高純氮氣做為容積測量用氣體。校準結束后，通過高純氮氣瓶給定容室充高于101 kPa的保護氮氣，避免定容室受到污染。

2.4 穩壓系統

穩壓系統主要包括穩壓室、壓力計、放氣閥及截止閥等。穩壓室共有3個，每個設計容積為50 L，耐壓壓力0.60 MPa，采用SUS304不銹鋼材料，側面連接壓力計及進出氣截止閥、放氣閥。穩壓室內表面機械拋光處理，提高腔室的潔凈度。一般情況下，入口壓力為0.2～0.5 MPa，穩壓室中始終保持正壓狀態。如需更換校準氣體，可通過與抽氣系統連接的管道及閥門，對穩壓室抽真空，保證校準氣體的純度。

2.5 多工質氣路轉換系統

多工質氣路轉換系統為一套高純氣體供氣系統，包括2路工質氣體管路及3路試驗氣體管路，由高壓氣瓶、壓力表、截止閥及管道等組成，主要提供Xe、Kr、Ar、He和N2等5種高純氣體，通過閥門開關，可分別將單一高純氣體引入穩壓室，氣瓶與閥門之間采用金屬軟管連接。轉換閥門布置在臺面。通過閥門及管道與抽氣系統連接，對供給校準氣體的壓力進行調節及控制，實現多工質氣體的轉換，保證工質氣體的純度。抽氣系統配備獨立的干泵，用于抽除管道內的氣體。

2.6 恒溫與烘烤系統

恒溫與烘烤系統主要是為了減小校準過程中校準室、參考室溫度波動以及實現校準室、參考室內的高潔凈度。在設計中，恒溫及烘烤系統采用夾克式形狀，校準室、參考室外側夾克內包裹加熱絲，加熱絲根據所需功率大小均勻分布于夾克式加熱套內，減小真空室器壁上的溫度變化，保證加熱過程中溫度受熱分布均勻。溫度控制與監測系統采用網絡分布結構，用溫度計測量溫度，溫度控制范圍23～300℃。試驗測試之前，通過烘烤加熱系統對校準室及參考室進行48 h烘烤，以提高系統潔凈度，減小系統中H2O、H2等氣體成分。

2.7 數據采集系統

數據采集系統包括控制柜和數據采集工控機?？刂乒袂鞍逵杏|摸屏、PLC、交流接觸器、壓力顯示、真空計、溫度顯示等?？刂乒窈蟀逖b有交流接觸器、繼電器等電氣元器件，可以打開后門板方便的進行維護操作。控制操作包括分子泵、機械泵的啟停，系統烘烤加熱的啟停。數據采集計算機以研華工控機為上位機，通過PCI1610串口擴展卡、PCI1716多功能數據采集卡實現對不同電容薄膜真空計、壓力計、冷陰極真空計、溫度傳感器等的控制及數據采集?？刂萍皵祿幚碥浖捎肔abVIEW軟件編寫，采用模塊化的程序設計方法，可將不同校準內容設計成單獨的功能模塊，由主界面程序構成結構框架，各子模塊分別完成一定的功能，在主界面程序或其他的子程序中調用。各功能模塊間的獨立性較強，都可單獨調試、修改、移植、更新。

3 測量不確定度評估

嚴格按照JJF1059.1-2012《測量不確定度的評定與表示》的要求[5]，通過建立數學模型，分析測量不確定度來源，確定各個測量不確定度分量大小，最后評定校準裝置的測量不確定度。

3.1 不確定度來源

依據不確定度傳遞率，流量Q的合成標準不確定度用式（3）計算：

其中：

校準裝置的相對合成標準不確定度u1按式（8）計算。

流量Q的不確定度來源主要由容積的測量、壓力差的測量、時間間隔的測量、溫度的測量等因素引入。

3.2 不確定度分量分析

（1）定容室容積測量準確度

根據式（2）可得容積V的測量不確定度用式（9）計算。

通過計算，容積測量不確定度為0.5%。

（2）壓力測量準確度

壓力p用電容薄膜真空計測量，根據校準證書不確定度為0.8%。

（3）時間測量準確度

時間t用秒表測量，流量測量過程所需時間為300～2 000 s，秒表的不確定度為0.1%。

（4）溫度測量準確度

溫度用鉑電阻溫度計測量，根據鉑電阻溫度計校準證書，溫度測量不確定度為0.2%。

3.3 不確定度合成

將不確定度分量按方和根法合成，并計算出校準裝置的擴展不確定度。

4 結論

設計的電推進系統工質氣體微流量校準裝置采用雙通道對稱結構，主要包括抽氣系統、校準系統、容積測量系統、穩壓系統、多工質氣路轉換系統、恒溫及烘烤系統、數據采集系統等7部分。校準裝置設計的校準范圍為5×10-5～5×10-1Pa·m3/s，入口壓力為0.2～0.5 MPa，出口壓力為100 Pa～0.2 MPa，擴展不確定度小于2.0%（k=2），校準氣體為Xe、Kr、Ar、He和N2，可以滿足電推進系統研制任務的計量需求。