导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第3期　No.3 1999



便携式推进剂泄漏检测仪
王荣宗　 赵　忠　孙天辉
　　摘要　介绍了一台用于航天器推进剂泄漏检测的便携式小型质谱检测仪，详细阐述了仪器的设计、结构及特性，给出仪器的性能实验结果及卫星的推进剂的检测实例。
　　主题词　推进剂，泄漏，测量方法。
Portable Propellant Leakage Detector
Wang Rongzong　Zhao Zhong　Sun Tianhui
(Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou，730000)
　　Abstract　A portable mass spectrum detector used for propellant leakage is introduced. The design, structure and characteristics of the detector are described, and the performance experiment result and the detection example in satellite propellant are given.
　　Key Words　Propellant, Leakage, Measurement method.
1　引　言
　　航天器推进剂泄漏检测技术是关系到卫星、火箭及其它航天器安全发射的关键技术之一。推进剂泄漏造成飞行失败、航天事故屡见不鲜。为提高航天器的可靠性，防止推进剂泄漏的事故发生，应把航天器的密封设计、关键部件及整机检漏、燃料加注过程泄漏监测等作为系统工程问题进行考虑。
　　推进剂泄漏检测是在航天器推进系统燃料加注过程中以及加注后卫星、火箭在技术阵地及发射架停放期间，对卫星内及周围环境进行推进剂的浓度测量，根据检测到的推进剂的气体浓度，判断推进系统是否泄漏，并确定泄漏位置。当危险气体浓度达到设定阈值时，及时报警，确保发射安全。
　　推进剂泄漏检测仪必须满足卫星、火箭等航天器危险气体检测的基本要求。
　　a) 高可靠性。要求仪器具有高灵敏度和高分辨本领。在大气环境下，对航天器通常采用的推进剂如甲基肼、无水肼、四氧化二氮的检测灵敏度为1×10-6，浓度的测量范围应满足1×10-6～1×10-1。当几种组元同时存在时，仪器应具有高的鉴别能力，同时检测各种组分而不相互干扰。
　　 b) 快速响应。当推进剂发生泄漏时，仪器应在秒级时间内迅速检测并对浓度变化进行实时监测。
　　c) 仪器适用于卫星、火箭的发射环境。仪器采用便携方式对技术阵地和发射塔架进行灵活检测。
　　目前，推进剂的测量方法主要有：化学法、分光光度法、电化学法、色谱法、质谱法等。在市场上出现了一些商用仪器，如采用分光光度法的TLD-1有毒有害气体检测仪［1］，利用可燃气体燃烧改变电导的可燃气体检测仪，采用电化学法的二氧化氮检测仪。为提高检测的可靠性，在一些大型的航天器发射场中，采用了以质谱计为核心的大型危险气体监测系统，如美国肯尼迪航天中心的HGDS危险气体监测系统和用于民兵Ⅲ导弹监测的由Honeywell公司制造的TVD有毒气体监测系统［2，3］。小型四极质谱仪器的出现，为便携式推进剂泄漏检测仪的研制提供了可能，并出现了小型监测仪器。
2　仪器设计及结构
2.1　仪器工作原理
　　便携式推进剂泄漏检测仪原理方框图如图1所示。该仪器由敏感器、取样器、质谱计和小型真空系统等4部分组成。


图1　仪器工作原理方框图
　　敏感器是在梳状电极上制备一层敏感的LB有机膜，当被测气体通过时，膜的导电性能发生变化，利用膜的电阻的变化测量出气体的浓度大小。
　　质谱计是根据不同气体分子或原子具有不同质量的特性进行气体鉴别的仪器。四极质谱计通常由离子源、四极分析场和离子收集极组成。被测气体进入质谱室后，中性气体分子在离子源被电离为离子，带电的离子进入四极分析场后，不同质量的离子运动轨迹不同，并在分析场作用下按其质量大小顺序以谱的形式被鉴别。根据质量数确定气体成份，根据谱峰的强度确定浓度。
　　真空系统的作用是为质谱计提供真空的工作条件，它由真空室、涡轮分子泵、机械泵、真空测量规及相应的管道阀门组成。系统的极限压力通常为1×10-6 Pa，工作压力为1×10-3 Pa。
　　被测的气体经过取样毛细管，通过敏感器进入取样器，敏感器对被测气体进行粗测。同时，部分气体通过取样器的针阀被引入质谱室，经过质谱分析，进一步确认气体的成份及浓度。由于采用两种检测手段联用，提高了检测的可靠性。
2.2　仪器设计
2.2.1　仪器的主要技术指标
　　根据航天器推进剂泄漏检测的基本要求，仪器设计的主要技术指标为：
　　a) 在大气环境条件下仪器对常用的推进剂无水肼、甲基肼、四氧化二氮的检测浓度灵敏度为1×10-6； 
　　b) 浓度测量范围：1×10-6～1×10-1；
　　c) 响应时间：在低浓度下不大于60 s，高浓度下不大于10 s；
　　d) 真空系统启动30 min后，质谱室压力为1×10-5 Pa，进样时工作压力稳定度为10%；
　　e) 体积小、质量轻、便于携带，仪器质量为35 kg。
2.2.2　设计中考虑的问题
　　a) 质谱分析技术具有灵敏度高、鉴别能力强、快速响应和浓度测量范围宽等特点，可以满足上述仪器要求。但必须考虑到甲基肼、无水肼等推进剂在空气中发生反应而产生新的成份，采用质谱检测时应首先测量该组份在空气中的特征峰，特征峰不应和空气谱峰重叠。
　　b) 小型四极质谱计通常为真空质谱计，小型的四极分析场限制了仪器的灵敏度和分辨率，较大的峰的拖尾造成相邻峰贡献大。在大气环境下进行极微量分析时，必须对质谱计进行改进，对工作参数做最佳调整，实现在大本底信号相邻旁，检测微小的样品信号。
　　c) 小型便携式仪器要求高真空系统必须小型化，而小型的质谱室由于体积小，进样系统及抽气系统的任何小的波动，有可能造成质谱室工作压力不稳、增加质谱峰的噪音、影响仪器浓度检测灵敏度。
　　d) 为了实现对卫星内部测量的原位置浓度，仪器必须采用较长的毛细管取样。取样系统必须保证气体在毛细管内为粘滞流状态，使气体有序流动。同时，必须考虑取样毛细管的延迟时间应尽可能短。毛细管不应改变被测气体组份，不应有记忆效应。
2.2.3　仪器结构及设计
　　便携式推进剂泄漏检测仪的整机结构如图2所示，机箱内安装1台小型涡轮分子泵、1台小型前级真空泵、相应的管道阀门、分子泵电源、敏感膜传感器和测量电源。机箱的上面，装有质谱室、质谱计探头及电源、真空测量规和进样装置。质谱电源和真空测量规通过R232接口与586笔记本计算机相联，进行质谱的数据处理和真空系统的压力测量。
　　整机尺寸为480 mm×340 mm×250 mm。


图2　仪器整机结构图
　　　　　　1—质谱计电源；2—质谱计探头；3—真空规；4—质谱室；5—针阀；
　　　　　　6—敏感传感器；7—毛细管； 8—涡轮泵；9—取样泵；10—前级泵；
　　　　　　11—涡轮泵电源；12—敏感器电源； 13—机箱。
　　小型四极质谱计选用QMS200质谱计，离子源为轴向源，分析场长度为80 mm，采用电子倍增器为离子收集，质谱计电源由计算机控制。主要技术指标为：质量范围为1.67×10-27 kg～3.34×10-25 kg；分辨率为8.35×10-28 kg～4.175×10-27 kg；最小可检分压力为1×10-11 Pa；相邻峰贡献为5×10-5；最大工作压力为1×10-3 Pa。
　　小型涡轮分子泵采用风冷-水冷两用的分子牵引泵，主要技术指标为：极限真空为10-8 Pa；前级压力为1 330 Pa；对氮抽速为50 L/s。前级泵和取样泵选用XZ-0.2型机械泵，抽速为0.2 L/s；极限压力为67 Pa。
　　传感器对无水肼灵敏度为5×10-7，响应时间为60 s。
3　仪器性能实验和测试
3.1　空气中甲基肼、无水肼、四氧化二氮质谱特征峰实验
　　在相同工作条件下，对纯甲基肼、四氧化二氮、无水肼和含有空气的甲基肼、四氧化二氮、无水肼进行质谱分析，结果表明，其谱峰有很大差别。在空气中配入一定浓度的样品，将混合气体引入到质谱室，测量混合气体谱，将混合气体谱和空气谱进行比较，可以得到该样品的特征峰。在空气中甲基肼的特征峰为m=2.505×10-26 kg，四氧化二氮的特征峰为m=5.01×10-26 kg。当微量的甲基肼和四氧化二氮在空气中同时存在时，其特征峰不变，可以利用特征峰进行各自测量而互不干扰。无水肼在空气中的特征峰为m=2.839×10-26 kg，和空气中水的碎片峰相叠加，无法直接测量，只能利用解线性方程的质谱分析法进行间接测量。图3为空气中甲基肼、四氧化二氮的质谱图。


图3　空气中甲基肼、四氧化二氮质谱
3.2　仪器检测浓度灵敏度实验
　　如上所述，利用小型真空质谱计进行微量测量难度很大，因此如何改进结构，选择合理的工作参数，提高检测灵敏度是本仪器的关键技术问题。对甲基肼、无水肼、四氧化二氮质谱检测灵敏度进行研究，结果表明，影响检测灵敏度的主要因素有以下几方面。
3.2.1　 质谱计技术指标及工作参数对检测灵敏度的影响
　　a) 小型四极型真空质谱计的最小可检分压力是影响本仪器检测灵敏度的最关键的技术指标。为了提高检测灵敏度，质谱计的设计应选用高效率的轴向离子源，四极分析场应尽可能有高的传输率，选用偏轴安装电子倍增器作为离子收集极。确保质谱计的最小可检分压力为1×10-12 Pa或更低的指标。
　　b) 分辨本领和峰形的影响。为了在空气的高本底中检测微量的危险气体，质谱计必须具有足够高的分辨率和好的峰形。质谱峰的前、后的拖尾要小，相邻峰的贡献应达到1×10-6级。这样，才有可能在大的本底峰的相邻峰处，检测到微量成份的谱峰。
　　c) 质谱计工作参数的影响。为了同时得到上述指标，质谱计必须在最佳的工作参数下工作，其中包括：
　　1) 离子源各级工作电压的调整，使离子从离子源引出效率最高，离子进入四极分析场的入口条件最好；
　　2) 离子引入能量和四极分析场电压直-交比的调整(分辨本领调整)，使质谱计在高的灵敏度下，具有高的分辨本领和好的峰形；
　　3) 电子倍增器工作电压的调整，使倍增器具有高的增益和最小的噪音。
　　应该特别强调，质谱计工作参数的调整应同时考虑灵敏度、分辨本领、峰形、噪音等指标折衷进行，因为这些指标是相互关联甚至相互矛盾的。
3.2.2　 污染的影响
　　质谱计污染的重要来源是真空系统油，特别是扩散泵油的污染。涡轮泵真空系统的污染来自前级机械泵油。油蒸气在离子的电子作用下，在离子源电极表面和四极杆入口处的表面形成绝缘膜，由于电荷积累改变电场而导致灵敏度下降和峰形变坏，增加了峰的拖尾。轻微污染时，可采用烘烤或调整离子源参数来改善性能，污染严重时，必须对四极质谱计探头进行清洗。
3.2.3　本底及噪音的影响
　　高的本底峰和大的噪音使仪器检测灵敏度降低。m=2.505×10-26 kg、m=5.01×10-26 kg的本底峰来自真空系统，噪音来自质谱室压力不稳、倍增器噪音及测量仪器的不稳等因素。为了提高检测灵敏度，必须降低本底和噪音。
3.3　仪器性能指标调试
3.3.1　甲基肼检测灵敏度测试
　　为了测试甲基肼检测灵敏度指标，仪器应调整在最佳工作状态，对真空系统进行烘烤，质谱计进行去气，降低m=2.505×10-26 kg峰的本底。根据质谱计的实验结果，将四极质谱计工作参数调整为最佳状态，即峰强最大且稳定度好、峰形无崎变和拖尾、分辨本领的调整应采用1%谷定义达到单位分辨，并保证具有足够高的峰强度。为了降低噪音，质谱计质量扫描速度不能太快，应调整适中。
　　质谱室压力达到1×10-5 Pa后，启动取样泵，空气样品通过取样毛细管引入取样室，利用针阀将取样室的样品气体分流到质谱室，维持质谱室工作压力为1×10-4 Pa。在多离子工作模式下同时测量m=2.505×10-26 kg峰、压力和时间的变化曲线。当m=2.505×10-26 kg峰稳定后，在工作条件不变的情况下，在毛细管的进样口引入配制好的一定浓度的甲基肼样品气体，质谱计记录m=2.505×10-26 kg峰的增高，测量出信号值Is。关闭甲基肼样品，m=2.505×10-26 kg峰下降复原后，测量本底噪音In。灵敏度的计算公式为
C = C0×In / Is
式中　C0为样品气体浓度。
　　图4为甲基肼测量曲线。


图4　甲基肼测量曲线
3.3.2　无水肼检测灵敏度测定
　　为了进行检测仪无水肼测量，敏感膜测量电路应预热30 min，当输出本底稳定后即可进行测量。启动取样泵，空气样品经取样毛细管通过敏感膜探头、测量电路进行测量并以电压信号显示出空气的本底Vb(单位为 mV)，然后测量配制好的一定浓度的无水肼样品气体，相应地显示出该浓度下的信号Vs。关闭样品，信号复原后，测量本底噪音Vn。灵敏度的计算公式为
C = C0×Vn /(Vs－Vb)
式中　C0——样品浓度。
3.3.3　仪器响应时间测定
　　仪器的响应时间是指从进样开始时间到测量信号达到最大值的70%所需的时间，包括质谱计仪器的响应时间和取样毛细管的延滞时间，及取样室样品浓度的平衡时间。仪器取样毛细管是一个长度为6 m，内径为1.8 mm的聚四氟乙烯管，取样泵抽速限制为0.01 L/s。因此， 取样毛细管的延滞时间是限制仪器响应时间的重要因素。
3.3.4　真空系统性能测试
　　a) 系统启动时间测试。系统启动时间是指真空系统从开机到质谱计能满足进行灵敏度测量条件时所需的时间。测试方法为：启动前级真空泵，记录起始时间为T1，按操作规程启动涡轮分子泵、真空室烘烤、质谱计去气、记录压力变化。当真空室压力达到4×10-5 Pa时，质谱计可进行灵敏度测量，记录时间为T2，系统的启动时间为T = T2－T1。
　　b) 质谱室压力稳定度测试。压力稳定度是在仪器工作的条件下真空室工作压力的波动与工作压力之比。测量方法为：当真空室压力达到1×10-5 Pa后，取样泵启动并用毛细管进行取样，利用针阀进样维持真空室的工作压力1×10-4 Pa，并记录压力和时间的变化曲线。在10 min的时间段内，测量压力波动的偏差值ΔP，计算公式为
δ=△P/P
本仪器于1998年通过鉴定，仪器实测技术指标见表1。
表1　仪器实测的主要技术指标

序　号项目名称设计指标实测指标
1检测浓度灵敏度1×10-68×10-7
2浓度测量范围1×10-6～0.11×10-6～1
3响应时间10 s10 s
4测量质量范围1.67×10-27 kg～1.67×10-25 kg1.67×10-27 kg～3.34×10-25 kg
5压力稳定度10%7%
6启动时间1 h25 min
7重量35 kg29.2 kg

4　结　论
　　便携式推进剂泄漏检测仪是为航天器推进系统燃料泄漏检测而研制的小型便携式专用仪器。它具有灵敏度高、鉴别能力强、浓度测量范围宽、响应速度快等特点，可对航天器上用的多种危险气体进行实时监测。仪器的小型化可使操作者携带仪器在技术阵地或发射塔架上进行灵活检测。
　　该仪器在进样系统进行适当改进后，还可在工业流程检测、危险环境气体监测、人体呼气和血气分析及监护等领域具有广泛应用前景和推广价值。
作者单位：王荣宗　 赵　忠　孙天辉(兰州物理所，兰州，730000)
参考文献
　[1]　MDA Scientific， Inc.Manual Part No.870044, 1990.
　[2]　Hall James J. An application of space technique for propulsion detection.The Boeing Company,Kennedy Space Center, Florida.
　[3]　Luskus IE,et al.Evaluation of a portable mass spectrum meter of monomethyl hydrazine and nitrogen tetroxide in air.AD-027824
收稿日期：1999-02-15
