方向規用于空間站檢漏的探討
泄漏監測是在軌空間站長期可靠運行必須解決的難題，本文開展了方向規用于空間站檢漏的應用基礎研究。在地面真空實驗系統上，用小孔向真空室引入氣體模擬空間站泄漏，通過磁力傳動系統改變方向規入口法線與小孔中心線夾角模擬與空間站泄漏點的方位，通過調整方向規在刻度尺上的位置模擬與空間站泄漏點的距離。在通過漏孔漏率分布服從余弦定律的條件下，研究結果表明用方向規對可疑泄漏點進行掃描，在一定范圍內可確定漏孔位置并估計漏率大小，最后討論了將方向規用于空間站檢漏需要進一步研究解決的相關問題。
在軌空間站要長期可靠運行，泄漏監測是必須解決的重要難題。方向規是定向分子流的主要測量工具，用于空間真空度的測量。由于空間站運行高度一般為200~500km，軌道環境真空度約為10-7~10-4 Pa，從空間站艙內泄漏出的氣體分子相對于周圍高真空環境會形成定向分子流，如能利用方向規對空間站可疑漏點探測，有望根據它對定向分子流的測量值判斷泄漏是否發生、確定泄漏點的位置和估算漏率大小。參考文獻提出了采用方向規監測空間站泄漏的設想，在空間站艙體連接處設計一環形軌道，通過電路伺服系統驅動方向規沿軌道移動，根據掃描信號的變化判斷泄漏點，因此需要開展相應的實驗研究。由于空間站艙體泄漏點幾何形狀和結構難以預料，泄漏后的氣體分子流分布常很復雜，為此本文以空間站艙體通過小孔泄漏為研究對象，假定氣體分子泄漏后服從余弦定律，通過地面真空系統研究了方向規指示值與漏孔方位、距離的關系，研究結果為方向規用于空間站檢漏的基礎研究提供了參考數據。
1、實驗系統的設計
如果空間站艙體某點通過小孔泄漏后，氣體分子分布服從余弦定律
2.2、方向規與泄漏點距離對檢漏結果的影響
在圖2的實驗系統上，可在夾角a處于0b~180b任意角度下開展研究，本文在a=0b、l在5~45cm條件下進行實驗。對真空室(16)抽氣并在真空度進入10-7 Pa量級后，通過小孔(12)向真空室中引入N2氣作為示漏氣體，采用真空規(13)測得真空室中穩定后的壓力為1.3×10-4 Pa，通過CDG測得小孔入口壓力為2.3Pa，計算得到相應的漏孔漏率Q為2.2×10-4 Pa.m3/s。實驗結果如圖6所示，圖6中橫坐標為方向規與泄漏點的距離，縱坐標是方向規指示值。
圖6 方向規指示值與泄漏點距離的關系
從實驗結果可以看出，計算所得方向規指示值與實驗結果相當一致，當方向規與泄漏小孔距離小于30cm時，其指示值大于真空室平衡后的壓力，且隨著與泄漏點距離的增大呈指數遞減，計算所得指示值略大于實測值；當方向規與泄漏小孔距離大于30cm時計算得到的方向規指示值略小于實測值，且實測值不隨距離的增大而變化，其值接近真空室中氣體壓力pV值，此時方向規分辨不出從小孔泄漏后直接進入檢測器中的氣體分子。由此可以得出，在上述條件下方向規對漏孔的可檢測距離為30cm，若增大對真空室的有效抽速，在相同條件下可提高真空室中的真空度，從而在現有基礎上能拓展方向規的檢漏距離。
綜合2.1和2.2節可知，在方向規所處真空室壓力不變的條件下、方向規與泄漏點在一定的夾角和距離范圍內，依據其指示值的變化能判斷出可疑泄漏點，若已知方向規和漏孔方位及距離的條件下，可通過式(8)估算出泄漏漏率大小。
2.3、討論
以上研究是在氣體分子泄漏后服從余弦定理的條件下、實驗過程中漏孔漏率和真空泵抽速都保持不變、方向規所處真空室中壓力也保持不變的情況下，通過方向規指示值的變化判斷泄漏是否發生。若方向規實際用于在軌空間站泄漏監測中，還需要解決一些復雜的技術難題。首先，在軌空間站泄漏點幾何結構難以預料，泄漏后的氣體分子流場分布比較復雜，要根據方向規指示值估算泄漏漏率大小，需進一步研究氣體泄漏后的分子流場分布；其次，在軌空間站上的方向規相對周圍環境氣體分子具有很高的相對運動速度，空間站周圍環境氣體在方向規內形成的平衡壓力取決于方向規入口法線與空間站飛行方向的夾角、空間站飛行速率及高度等，以上參數的變化將引起方向規指示值的變化，因此需結合在軌空間站飛行姿態開展研究；此外，在軌空間站發生泄漏后形成的定向分子流，其方向與空間站運行速度方向及泄漏位置相關，方向規檢漏結果與泄漏點的方位和距離相關，因此需合理設計出方向規在空間站上的運行軌道及安裝位置，保證在檢漏過程中方向規入口盡可能的對準艙體泄漏后形成的定向分子流，以提高檢漏結果的正確性。總之，要將方向規用于空間站泄漏監測中，需要進一步開展相關研究工作。
3、結論
本文探討了方向規用于空間站檢漏的基礎，通過薄壁小孔模擬空間站泄漏漏孔，在氣體分子泄漏后服從余弦定律的前提下，研究了方向規檢漏結果與泄漏點方位、距離的關系。地面實驗結果表明，在一定條件下計算得到方向規指示值與實驗值相當一致，采用方向規對可疑泄漏點在一定角度和距離范圍內掃描，可通過方向規指示值的變化判斷泄漏是否發生并估計漏孔漏率大小，檢漏結主要取決于方向規與泄漏點的方位、距離以及方向規所處真空室的壓力。若方向規用于空間站泄漏監測中，由于泄漏后氣體分子分布復雜，并且檢漏結果與方向規和泄漏點方位、距離、空間站運行速度等相關，因此需要進一步突破多項技術瓶頸，設計出方向規用于空間站泄漏監測的整體方案，有望使其成為一種新的空間站泄漏監測工具。
