总装材料对氦气吸附性能的试验研究

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1、航天器环境工程第28卷第3期268SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年6月总装材料对氦气吸附性能的试验研究薛长利1，一，刘伟强1(1．国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073；2．航天东方红卫星有限公司，北京100094)摘要：文章对卫星总装中所使用的部分吸附性材料进行了氦气吸附性能试验研究。通过试验及分析证明了所采用的吸附性材料对氦气的吸附很小，在采用累积法进行卫星检漏时，吸附性材料对检漏结果的影响可以忽略。关键词：质谱分析；吸附材料；氦气；检漏中图分类号：V250．3文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)03-026

2、8—06DOI：10．39690．issn．1673-1379．2011．03．0110引言航天器的密封性能关系着航天器飞行的寿命及可靠性【1之J，需要通过检漏等无损检测手段来保证航天器推进系统的装配质量。在航天器推进系统密封性的检测及试验研究中，氦质谱检漏经常作为重要的方法和手段【3】。在卫星研制过程中所采用的检漏方法主要有氦质谱正压单点检漏法、氦质谱正压积累检漏法和氦质谱正压真空检漏法。目前，我国卫星出厂前整星检漏和发射场整星检漏均采用氦质谱正压积累检漏法【4】。在采用正压积累法进行检漏，普遍认为：在试验的过程中，由于卫星总装材料、积累容器材料等对氦气有吸附作用，会对卫星的检漏

3、试验数据造成影响【5】。鉴于没有相关研究以及数据，我们对卫星总装过程中所使用的部分材料的吸附性进行了宏观的研究，探讨总装材料对检漏结果的影响。l试验原理1．1吸附机理当气体和固体表面处于平衡态时，靠近固体表面的气体密度总是大于远离表面的密度，这说明固体表面有俘获气体分子并使其滞留于表面附近的能力。这种气体被固体表面俘获而附着于表面上的现象称为吸附现象。承担吸附作用的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附现象的本质是固体表面分子与气体表面分子问的相互作用。它们之间的相互作用力有范德瓦尔斯力和化学键力两种形式，分别对应于物理吸附和化学吸附的宏观现象。物理吸附的特点是吸附比较弱，对

4、吸附质一般无选择性，温度越低吸附量越大，且可以形成多层吸附。而化学吸附的特点是吸附比较强，对吸附质有选择性，只能形成单层吸附【6J。氦气与纱布等总装材料的吸附为物理吸附，适用BET吸附等温线，即在相同的温度条件下，氦气与总装材料的吸附是多分子层吸附。按照气体吸附理论，第一层氦气分子在总装材料表面吸附后尚能提供足够强的吸引力产生第二层甚至更多层，尤其在低温下的物理吸附可形成多层分子吸附。BET吸附等温线的方程表达式【6J为仕再面‰’o’式中：P。为吸附分子的平衡气体压强；P。为同一温度时气体的饱和蒸气压；b为常数，与吸附热及汽化热有关；臼为覆盖度，表示被气体占据的吸附中心数与总吸附中

5、心数之比。对覆盖度为目的吸附表面，其吸附的气体摩尔数【6J为盯：掣，(2)N～⋯式中：盯为实际吸附分子的量；Ⅳ0为吸附中心数，根据研究，布满1cIn2表面的单分子层分子数约为收稿日期：2010．07．29；修回日期：2011-06．08作者简介：薛长利(1979一)，男，硕士研究生，研究方向为空间推进系统设计与分析。E-mail：xuechangli@sina．com。刘伟强(1957一)，男，教授，博士生导师，研究方向为航空宇航推进理论与工程。10。5个T“为阿伏加德罗常数，^h=6．02×l俨mol～。氨气在常温常压下理怒气体状态方程”’Pr=nRLf31式中：口为气体压力；V

6、为气体体秘：月为气体的摩尔数；R为普适气体常量；T为气体的绝对温度。I2检漏试验吸附模型正压积累检漏试验-I-的吸附材料K期处于人气环境中，材料的吸附中心已绛吸附了氮气、氧气、水蒸气等大气中的气体分子，井处丁动平衡状志。在试验过程巾，氨气体积分数缓慢增加，部分氮气随之吸附到吸附村料表丽，并达到新的动态牛衡。正压积累检蔼l；试验一Ii的氮气分配如图1所示。卫星推进系统内的氮气向积祟容器泄漏，其中一部分使得毒{累容器中的氮气体积分数增加，另部分被吸附材料表面捕获jf吸附。在积累段时删后，积累容器内氨气的体积分数变化为Ac：QAt-o-．RT；坐一a．RT，H)p执p乳p飘式中：AC为氯

7、气在积累容器巾的体积分数变化；口为卫星或者标准漏孔的漏率；加为积累宵效时间；n．为积累容器内气体总压力；％为积累容器内气体总体积。目t揎％试验§1H目“自目FigSchefpalJcdiagram“kI岫d蛐眦啪inl∞kage矧根据体积分数定义，氯气的体积分数为AC=见，风。(5)由武(1)～式(5)．并々A-Nv,RT／N^，由于正压积累检漏中岛‘印；，用P。1E替P，叩。后得“2器{I-面而可Ab可而}“6’由于氮质谱仪显示恤与实际体积分数成线性关系，通过氯质苜