楊 純，回天力，高 靜，張 杰

(北京衛(wèi)星制造廠，北京100094)

1 引言

空間站工程是我國載人航天重點工程，為航天員長期在軌駐留提供必要活動和工作條件的大型綜合平臺，未來空間站的主要任務是有人參與的空間科學實驗和技術試驗，以及空間操作試驗?？臻g站運行期間，受真空、高低溫交變、微流星及空間碎片、原子氧、太陽輻射及宇宙射線的相互作用，均存在不同程度的泄漏，如國際空間站在2004年1月和2007年11月曾先后兩次發(fā)生艙體的泄漏故障［1］。目前國外空間站泄漏監(jiān)測主要采用兩種方法［2］:一種是在空間站艙內布置陣列式無線聲發(fā)射傳感器，通過泄漏部位發(fā)出聲波的頻率和相位差，對漏孔的大小和位置進行檢測，第二種方法是采用氮氣分壓傳感器，實時測量空間站密封艙內的氮氣分壓強，通過軟件計算艙體的漏率，并通過便攜式超聲波傳感器進行精確定位。針對空間站的密封主結構泄漏監(jiān)測方法開展研究，需要建立一套能夠可靠、準確地評估空間站結構泄漏率的技術手段，使空間站運行期間，能夠及時發(fā)現(xiàn)泄漏問題，向航天員發(fā)出報警，為空間站的安全運行和航天員的人身安全提供保障。

本文應用VC++6.0設計了一種基于壓降［1］檢漏原理的“空間站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)”。VC++6.0是功能強大的Windows應用程序開發(fā)工程軟件，其在底層通訊控制和數(shù)據(jù)庫管理上有很大優(yōu)勢，并將多種控件集成，使得界面設計美觀直接?？臻g站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)采用了Moxa多串口卡，綜合用了Access數(shù)據(jù)庫、CSope集成曲線繪制控件、CButtonST界面美化控件及CTreeCtrl控件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集存儲及曲線實時更新，達到了實時監(jiān)測艙體漏率并快速報警的目的。

2 泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理與構成

本文采用絕壓法(壓降檢漏法)對空間站進行泄漏監(jiān)測，實時監(jiān)控艙內的壓力和溫度變化，并通過壓力下降速率計算出漏率，將漏率以顯示或報警的方式告知航天員，提醒其采取措施，從而實現(xiàn)空間站泄漏監(jiān)測的目的［3］。

由于艙內氣體成分復雜，且各種氣體的分壓時刻發(fā)生變化，必須采取技術手段排除環(huán)境因素波動影響，而無論是有人值守還是無人值守，艙內的N2分壓都是最穩(wěn)定的。此外，氮氣在大氣中占有量是最多的，約占80%。因此，從理論上講，采用氮氣的分壓強來測量和監(jiān)測密封艙內壓力的變化能夠排除諸多干擾因素，有效監(jiān)測有人生活的密封艙內壓力變化?？臻g站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)就是通過間接(艙內總壓減去各組成氣體的分壓得到氮氣分壓)測量艙內氮氣分壓的變化來實現(xiàn)漏率計算與泄漏監(jiān)測的［3］。

空間站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)由氮氣分壓傳感器、溫度傳感器、聲響報警模塊、色變報警模塊、多串口采集卡、數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)、漏率顯示模塊和微機控制系統(tǒng)組成。泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 空間站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composing maps of the leakage monitoring of space station

2.2 系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)軟件設計思路

氣壓波動曲線如圖2所示，反映出空間站密封艙內氮氣分壓的變化情況。在初始的充氣和穩(wěn)壓階段只對系統(tǒng)進行監(jiān)測計算。開始監(jiān)測時采集一次艙內氮分壓P0和溫度值T0;當采集30次時，計算氮分壓的平均值PN2均，目的是排除由于氣壓不穩(wěn)而出現(xiàn)的劇烈波動值，剔除野值。當連續(xù)測得10個氮分壓的平均值PN2均后，計算其平均值PN2總均和標準誤差σ，如圖2的均值曲線所示，此時相當于總計采集300個壓力值，計算檢測門檻值P1M(圖2中的上閾值)和P2M(圖2中的下閾值)，分別為:P1M=PN2總均-2σ;P2M=PN2總均-3σ，并對其長期存儲備用。不直接采集300個壓力值計算出閾值是為了減小艙壓波動對計算結果的影響，而采用30個壓力進行平均，并對平均值進行求解標準偏差，更符合統(tǒng)計學規(guī)律。由于壓力傳感器和溫度傳感器是24 h不間斷工作，為了避免數(shù)據(jù)量占用站內計算機寶貴的數(shù)據(jù)存儲空間，傳感的采樣頻率一般設置在1 s至1 min之間，具體數(shù)值可由航天員根據(jù)艙內氣壓的波動情況自行設置，這樣300個點的采樣時間處于5 min至5 h之間，可滿足多數(shù)情況下的測試需求。300個點的總采樣時間對應艙體漏率的計算周期，不改變測試精度，只影響報警周期。

圖2 空間站密封艙內的氣壓變化曲線圖Fig.2 Graph showing pressure change of the sealed cabin space station

根據(jù)系統(tǒng)設置參數(shù)給出N·σ(N倍的標準誤差)，由此給出門檻壓力值，如果氮分壓一直降低且低于了門檻壓力值，則判斷為“真漏”。目的是排除在監(jiān)測過程中由于溫度變化引起“偽泄漏”。同時監(jiān)測過程中采集的壓力數(shù)值暫存器是實時更新的，即均值曲線是隨著時間及艙內氮分壓的變化同步更新，由此得到的閾值曲線及門檻壓力值也是實時更新，這樣漏率的計算也能達到實時監(jiān)測的目的。其中門檻壓力值為“下閾值-N·σ”，其中N為手動設定參數(shù)，此參數(shù)決定著漏率的實時計算速度，N越大監(jiān)測時間越長，反之越短。N的取值范圍為1～10，一般取中間段5～7，對于無人值守的穩(wěn)定情況下，一般選擇7～10;而對于有人值守的復雜情況，一般取3以下，這樣反應速度更快、更靈敏。

由以上分析得出軟件的核心處理思路為:當空間站密封艙內的氮分壓穩(wěn)定后，首先對系統(tǒng)參數(shù)進行初始化設置，再進入系統(tǒng)監(jiān)測準備狀態(tài)，根據(jù)采集到的300個壓力值計算出上限門檻壓力值和下限門檻壓力值，得出門檻值后程序自動進入漏率監(jiān)測狀態(tài)。采集的壓力值、溫度值及對應的采集時間自動存儲在壓力溫度數(shù)據(jù)庫中，同時界面上采用樹形控件CTreeCtrl讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實時更新顯示。對于計算出來的漏率設定新的數(shù)據(jù)庫，保存采集的漏率及排障期限。采集數(shù)據(jù)的時間間隔根據(jù)傳感器的傳輸速率決定為1～3 s。數(shù)據(jù)庫將采集到的數(shù)據(jù)備份到Excel表中，并具有手動清空和壓縮的功能。

2.2.2 軟件邏輯設計

完成傳感器初始化后，系統(tǒng)復位錄入新的系統(tǒng)參數(shù)，則系統(tǒng)開始采集壓力數(shù)據(jù)。因為系統(tǒng)采集的是當前艙內溫度T0下的絕對壓力P0，需換算為標準大氣壓的壓力P標，見公式1。

式中:22.5為艙內環(huán)控生保系統(tǒng)控制的平均溫度。當采集30次時計算獲得一個氮分壓的平均值PN2均。

圖3 系統(tǒng)軟件邏輯圖Fig.3 Logic diagram of the system software

式中:PN2均為氮分壓的平均值;PN2i為每次采集的氮分壓值。

當測得10個氮分壓的平均值PN2均時，計算其平均值PN2總均和標準誤差σ。

式中:PN2均i為30 個氮分壓的均值;PN2總均為300 個氮分壓的均值。

計算檢測門檻值P1M和P2M，分別為:P1M=PN2總均-2σ;P2M=PN2總均-3σ。具體的計算流程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用Windows API串口編程技術，對連接傳感器的多串口卡進行配置［5］。傳感器和多串口卡連接后，微機控制器對各傳感器分配COM口［6］，每個傳感器有各自不同的通信命令格式和傳輸速率，所以初始化時對每個傳感器都分開進行參數(shù)初始化［7］。

2.2.4 數(shù)據(jù)管理

VC++提供了多種訪問數(shù)據(jù)庫的技術，本系統(tǒng)采用ODBC訪問技術［8］。ODBC提供了一套統(tǒng)一的APT函數(shù)，在客戶應用程序訪問關系數(shù)據(jù)庫時提供一個統(tǒng)一的接口。系統(tǒng)選用Access2007作為數(shù)據(jù)儲存的工具。MFC為ODBC提供了一些關鍵的類以支持數(shù)據(jù)庫操作。CDatabase類用來與數(shù)據(jù)源相連，以獲取指定的數(shù)據(jù)集合。一般使用 CRecordSet派生類對數(shù)據(jù)源進行操作［8］。主要步驟為:建立數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，添加對ODBC數(shù)據(jù)庫的支持;添加數(shù)據(jù)庫操作成員，ODBC功能加入。

2.3 系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn)

傳感器負責進行工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，以獲得空間站在軌的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1)N2分壓傳感器作為氮分壓傳感器，測壓范圍為:0～300 kPa，測壓精度:1/1000;

2)溫度傳感器采用溫濕度變送器，其溫度測量靈敏度為0.1℃，溫度測量范圍-30～60℃;

3)多串口卡采用Moxa CP-168U標準多串口卡來實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)的實時采集，具有8個RS-232串口，每個串口可支持的速率最高達921.6 kps。

采用微機控制器控制多串口卡對壓力和溫度數(shù)據(jù)實時采集控制并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理運算。

2.4 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)效果

系統(tǒng)PC界面部分是采用MFC和Access相結合實現(xiàn)的［9］，MFC 是構架在 Winows API函數(shù)上的類庫，其可視化的外觀，很好地實現(xiàn)了人機交互功能。采用視圖分割技術將整個界面分成測量曲線顯示區(qū)、統(tǒng)計計算及參數(shù)設定區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)、歷史漏率察看區(qū)、測量數(shù)據(jù)顯示區(qū)、系統(tǒng)總控制區(qū)。其效果圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)效果圖Fig.4 The map of System impression

3 系統(tǒng)檢測靈敏度驗證試驗

3.1 試驗目的

考查空間站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)報警的正確性和及時性，以及漏率計算的準確性。

3.2 試驗方法概述

選用某軌道艙作為測試對象，艙體體積為9.4 m3，選取漏率為 1.67 ×10-1，1.67 ×10-2，6.68×10-3Pa·m3/s的3種不同的標準漏孔代表大漏、中漏、小漏，模擬密封艙體的不同泄漏狀態(tài)，考查泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)報警的有效性和及時性，并通過與標準漏孔漏率的比對，分析系統(tǒng)漏率計算結果的準確性(圖5)。

3.3 試驗結果

試驗結果表明:該報警系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)產品存在的10-3Pa·m3/s量級的漏孔，并能夠進行正確、有效聲光報警;系統(tǒng)的漏率計算誤差(與標準漏孔標稱漏率相比)＜10%;系統(tǒng)顯示的排障時間與理論計算時間偏差＜10%，其測試準確性和報警可靠性均滿足產品的設計要求(表1)。

表1 泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)檢測靈敏度驗證試驗結果Table 1 Results of sensitivity detection of leakage monitoring alarm system

圖5 泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)檢測靈敏度驗證試驗示意圖Fig.5 Sketch of sensitivity detection of the leakage monitoring alarm system

4 結論

經神舟飛船軌道艙試驗驗證，空間站泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)具有檢漏靈敏度高、反應時間短、可靠性高等特點，能正確及時有效報警，可實現(xiàn)空間站泄漏監(jiān)測報警，良好效果，具有現(xiàn)實應用價值。

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