非接觸式超聲的航天器可視化指引泄漏定位方法研究

孫　偉，任國(guó)華，李唯丹，閆榮鑫，孫立臣，李　征

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京　100094）

非接觸式超聲的航天器可視化指引泄漏定位方法研究

孫偉，任國(guó)華，李唯丹，閆榮鑫，孫立臣，李征

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

航天器在軌泄漏快速定位方法對(duì)確保航天員生命安全和航天任務(wù)的成功具有十分重要的意義，是保障航天器安全可靠的重要途徑之一。針對(duì)空間站大型艙體結(jié)構(gòu)為檢測(cè)對(duì)象，以泄漏聲學(xué)為理論基礎(chǔ)，分析其泄漏超聲在空間中的傳播情況，探討可視化非接觸式超聲漏點(diǎn)定位的方法，通過研制陣列式超聲傳感器與攝像頭相結(jié)合的新型復(fù)合可視化探頭，研究可視化引導(dǎo)算法，對(duì)比試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該方法的有效性和快速性。研究結(jié)果表明，該方法可有效確定漏點(diǎn)方向及位置，從視覺上直接引導(dǎo)人員向泄漏主方向巡檢，節(jié)省時(shí)間，漏點(diǎn)定位精度為±20 mm。研究結(jié)果為空間站大型艙體泄漏快速檢測(cè)提供了有效的方法，對(duì)航天器在軌泄漏定位策略的制定具有十分重要的指導(dǎo)意義。

超聲；可視化；航天器；泄漏定位

0　引言

隨著載人航天技術(shù)的快速發(fā)展，空間站等長(zhǎng)期在軌運(yùn)行航天器對(duì)其密封性能要求越來越嚴(yán)格；面對(duì)保障航天員和航天器安全的迫切需求，對(duì)航天器的在軌維護(hù)與服務(wù)能力提出了更高的要求。由于長(zhǎng)期受到復(fù)雜的空間環(huán)境影響，空間站密封艙體及管路很可能發(fā)生泄漏，嚴(yán)重威脅飛行任務(wù)和航天員的生命安全，研究航天器在軌快速漏點(diǎn)定位方法是非常重要的［1-2］。NASA在2001年利用研發(fā)的便攜式超聲檢漏儀UL101成功發(fā)現(xiàn)國(guó)際空間站的一個(gè)艙內(nèi)的管道泄漏［3］；美國(guó)Inficon公司開發(fā)了一款whisper手持式超聲檢漏儀。法國(guó)Synergys公司也開發(fā)一款可視化的檢漏儀Leak Shooter，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的直接視覺顯示。目前國(guó)外先進(jìn)的超聲檢漏儀并不具備指引或引導(dǎo)功能，而國(guó)內(nèi)還沒有國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品問市。許多單位只開展了一些聲學(xué)檢漏理論研究，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所率先針對(duì)航天器在軌檢漏的需求，開展了對(duì)非接觸式超聲航天器在軌檢漏技術(shù)及儀器的研究工作。重點(diǎn)從理論和實(shí)驗(yàn)研究分析非接觸式超聲可視化快速漏點(diǎn)定位方法，對(duì)未來大型航天器在軌快速檢漏提供有效的技術(shù)途徑。

1　理論分析

航天器密封艙體內(nèi)發(fā)現(xiàn)泄漏時(shí)，氣體在壓力差的作用下從密封結(jié)構(gòu)中沿泄漏通道向艙外真空環(huán)境泄漏，氣體介質(zhì)穿過微小孔徑時(shí)，其流速較高，氣體中包含大量的漩渦，氣體漩渦間的相互作用的內(nèi)應(yīng)力使得其各體積元上受到了大小相等、方向相反的起伏力的作用，從而導(dǎo)致氣體中屬于四極子聲源性質(zhì)的聲源產(chǎn)生。由于泄漏超聲聲源的形成機(jī)理和形成過程十分復(fù)雜，但整個(gè)泄漏過程仍然滿足理想氣體流動(dòng)中的微小聲波基本的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、物態(tài)方程以及熱傳遞方程；而泄漏引起的氣體分子振動(dòng)收到的阻尼作用只受黏滯性和熱傳導(dǎo)的影響；假設(shè)氣體密度為ρ0，速度為v，時(shí)間為t，壓力為p，比熱比為r，動(dòng)力黏度為η，體積黏滯系數(shù)ξ；按照斯托克斯氣體計(jì)算，其體積黏滯系數(shù)ξ=0；利用瑞利聲學(xué)比對(duì)方法，引入萊特希爾張量，則可得到速8模型可推得聲功率為［4］:

式中:S為聲傳播方向的垂直接收面積，m2；K為萊特希爾系數(shù)；V為泄漏氣體速度，m/s；c0為基準(zhǔn)聲速，331.45 m/s；

而整個(gè)泄漏過程設(shè)為絕熱流動(dòng)，按氣體動(dòng)力學(xué)原理，泄漏過程能量守恒，進(jìn)而可推得其出口速度［5］:

而泄漏超聲沿空氣傳播存在衰減效應(yīng)，主要為吸收衰減、散射衰減和擴(kuò)散衰減。前兩者主要取決于媒質(zhì)的特性，而后一類則由聲源特性而引起。吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律，聲壓隨傳播距離的變化如式（4）［7］。

式中:a為衰減系數(shù)，dB/m；l為傳播距離，m；psound為聲壓，Pa；p0為聲源聲壓，Pa。這里的衰減系數(shù)是總衰減系數(shù)其等于吸收衰減系數(shù)和散射衰減系數(shù)之和。而擴(kuò)散衰減主要考慮聲波傳播中因波陣面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致聲強(qiáng)的減弱，取決于聲源輻射的波形及聲速狀況而與媒質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。而泄漏超聲在漏孔處因泄漏而形成的湍流和沖擊，造成氣體擾動(dòng)，因其近場(chǎng)長(zhǎng)度較短，故泄漏超聲的擴(kuò)散衰減是存在的，簡(jiǎn)化為球面波其聲強(qiáng)衰減隨波陣面半徑r-2規(guī)律衰減［7］。

假設(shè)單位距離為x，沿軸向距離設(shè)為li，而徑向距離為rj，如圖1所示；因此，在一定的li和rj下的聲功率如式（5）:

圖1　泄漏聲源的沿軸向和徑向傳播示意圖

假設(shè)接收端換能器的入口面積為Sc，測(cè)量面和漏孔點(diǎn)源法線的夾角為θ，則檢測(cè)到的泄漏超聲功率則是該距離下li的聲功率為:

從理論模型中可以看出，當(dāng)載人艙體發(fā)生泄漏，艙體的厚度為L(zhǎng)時(shí)，艙體體積為V，艙內(nèi)初始?jí)毫0，艙外為真空環(huán)境，在特定的測(cè)定距離li和測(cè)定方向θ，通過泄漏超聲的聲壓或聲功率監(jiān)測(cè)，就可判定漏孔是否存在，且評(píng)估漏孔大小。

因此，一定距離下垂直于被檢平面的漏點(diǎn)中心處聲壓值最大，在無外界影響各向同性的空間中，其聲壓值分布如圖2所示，峰值處為漏孔中心位置。

圖2　泄漏聲源空間場(chǎng)分布示意圖

2　可視化漏點(diǎn)定位方法分析

根據(jù)上述分析，在一定距離下的漏孔可通過巡檢找到泄漏聲源特征最大的位置及漏孔中心位置，而在未知漏孔位置的情況下，可利用多個(gè)探頭與攝像頭相結(jié)合的復(fù)合式探頭，來分別檢測(cè)不同空間中不同位置的泄漏聲源特征值的情況，靠近漏孔的特征值越大，遠(yuǎn)離漏孔的特征值越小，形成向量梯度，指向特征大的方向則可認(rèn)定為漏孔的主方向。

在便攜式超聲檢漏設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)泄漏檢測(cè)可視化指引模塊；設(shè)計(jì)一種8路傳感器和高清攝像頭共同組成陣列式切換超聲探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的檢測(cè)以及對(duì)檢測(cè)實(shí)景實(shí)時(shí)攝像和引導(dǎo)結(jié)果的顯示。陣列超聲傳感器探頭如圖3所示，具有S0～S7壓電式超聲傳感器，攝像頭安放在中間，攝像頭的線路與傳感器線路相互獨(dú)立。8路超聲傳感器通過8路切換開關(guān)，由DSP定時(shí)觸發(fā)切換，實(shí)現(xiàn)8路傳感器信號(hào)經(jīng)開關(guān)控制后單路分時(shí)傳入高精度AD進(jìn)而由DSP進(jìn)行后續(xù)處理，其結(jié)果經(jīng)對(duì)比通過串口將傳輸給ARM顯示模塊，每一路結(jié)果對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)區(qū)域而攝像頭接收到的視頻信號(hào)傳輸給ARM顯示模塊。

圖3　可視化超聲探頭示意圖及實(shí)物圖

在攝像模式下，屏幕會(huì)隨著DSP接收到的超聲探頭的信號(hào)進(jìn)行改變。將屏幕等分為3×3的9個(gè)區(qū)域，除中心區(qū)域外，其他區(qū)域與圖4的8個(gè)傳感器相對(duì)應(yīng)。設(shè)8個(gè)傳感器接收到的數(shù)值分別為S0～S7，接收到的信號(hào)經(jīng)處理之后，將8路數(shù)據(jù)存為數(shù)組進(jìn)行特征比對(duì)，判斷變化趨勢(shì)，從攝像屏幕中心指向趨勢(shì)最大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)指引效果，如圖5所示。

圖4　可視化指引方法示意圖

在檢測(cè)過程中，沿指示方向進(jìn)行巡檢，當(dāng)||S0-S4|-|S2-S6||＜M時(shí)，M值根據(jù)漏率指標(biāo)的具體設(shè)定，判定漏孔中心位置，則中間部分指示在攝像圖像上顯示出中間灰色框，如圖5所示。

圖5　中間值最大時(shí)屏幕狀態(tài)圖

3　試驗(yàn)測(cè)試

3.1泄漏聲源測(cè)試試驗(yàn)

利用Φ400 mm密封容器平臺(tái)模擬在軌的壓力邊界條件，容器平臺(tái)持續(xù)提供一個(gè)真空環(huán)境，將試驗(yàn)室環(huán)境類比于艙內(nèi)的大氣環(huán)境。在該壓力邊界條件下，試驗(yàn)室的大氣將通過安裝在密封容器上的通道型漏孔（包括0.3 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.0 mm 和2.0 mm）向容器內(nèi)的真空環(huán)境泄漏，試驗(yàn)人員則可利用超聲在軌檢漏系統(tǒng)在試驗(yàn)室的大氣端進(jìn)行檢測(cè)。便攜式超聲在軌檢漏儀被固定在三維四自由度的平臺(tái)上，通過沿X、Y、Z移動(dòng)在一定距離上通過不同方向的偏移量檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示［8］。

采用檢測(cè)儀垂直于艙體壁面移動(dòng)的巡檢方式，其漏孔中心位置的聲壓值最大如圖7、8所示，即可確定漏孔的位置。

圖6　超聲泄漏檢測(cè)理論分析試驗(yàn)系統(tǒng)圖

上述試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，在漏孔中心位置上存在高峰，在徑向方向上在各項(xiàng)同性的空間中，其聲壓按照近似1/r（W∝P2）規(guī)律衰減。因此，在不同的徑向距離上的聲壓幅度是具有明顯差異性的，說明了陣列式的探頭在空間中不同位置檢測(cè)到的同一泄漏源的聲信號(hào)是具有差異的，且因衰減是單調(diào)的，其泄漏源方向幅度比遠(yuǎn)離泄漏源的位置信號(hào)強(qiáng)，根據(jù)這樣的梯度，即可給予指向性。

圖7　不同漏孔X方向上水平偏移量的泄漏超聲壓試驗(yàn)圖

圖8　不同漏孔Z方向上垂直偏移量的泄漏超聲壓試驗(yàn)圖

3.2漏點(diǎn)定位試驗(yàn)

以壁板結(jié)構(gòu)的漏孔為試驗(yàn)對(duì)象，分別利用巡檢方式和可視化指引方式對(duì)不同的漏孔進(jìn)行多次測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證可視化指引檢漏方法的正確性，試驗(yàn)系統(tǒng)及巡檢的定位方法如圖9所示，設(shè)備移動(dòng)速度平均為5 mm/s，整個(gè)試驗(yàn)板為尺寸為Φ420 mm。平板上共加工5個(gè)漏孔，通過測(cè)量得到不同的漏孔孔徑，分別為0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm，2.0 mm，其壁板厚為2.5 mm。兩種方法首先都按照?qǐng)D9的軌跡進(jìn)行檢測(cè)，可視化指引方法則根據(jù)指示進(jìn)行方位走動(dòng)，若無報(bào)警指示顯示，則依然沿圖9軌跡走。分別進(jìn)行單一漏孔檢測(cè)試驗(yàn)，記錄用時(shí)、定位誤差、漏孔個(gè)數(shù)等，試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

圖9　超聲漏點(diǎn)定位測(cè)試試驗(yàn)圖

表1　漏點(diǎn)定位試驗(yàn)結(jié)果（平均結(jié)果）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，可視化指引漏點(diǎn)定位方法比巡檢漏點(diǎn)定位方法耗時(shí)少，定位快速，兩種方法的準(zhǔn)確性均較高，無漏檢現(xiàn)象，定位精度均在±20 mm內(nèi)，巡檢方式精度略高。相比之下，檢測(cè)小漏孔時(shí)，巡檢和可視化指引方法檢漏時(shí)間相差約為30多秒，而在檢測(cè)大漏率時(shí)，時(shí)間優(yōu)勢(shì)較為突出，主要由于漏孔越大，泄漏超聲信號(hào)越強(qiáng)，其中心與周圍的背景差異性越大，在空間中形成的梯度較為明顯，可快速確定主方向，檢測(cè)出漏孔位置；而定位精度方面主要是由于該新方法的探頭中心并未有超聲傳感器，是由四周相鄰的傳感器檢測(cè)結(jié)果差異性來確定中心位置的，因此，漏孔位置的確定存在一定的誤差±20 mm。

4　結(jié)論

非接觸式超聲可視化指引漏點(diǎn)定位方法為理論分析提供了依據(jù)，建立了泄漏超聲的理論模型，并通過試驗(yàn)研究，分析了理論模型的正確性和合理性，證明了可視化指引漏點(diǎn)定位方法的可行性；通過漏孔定位試驗(yàn)，驗(yàn)證了該新方法的快速性，在檢測(cè)大漏、大面積情況下更具優(yōu)勢(shì)，可節(jié)約近50%的時(shí)間，其定位精度可達(dá)±20 mm；研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)航天器在軌快速漏點(diǎn)定位提供技術(shù)支持。

［1］綦磊，孫偉，孫立臣，等.非接觸式超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.航天器環(huán)境工程，2014，31（2）:212-216.

［2］王凡，陳光奇，王榮宗.航天產(chǎn)品常用泄漏檢測(cè)方法［J］.真空與低溫，2012，18（4）:235-240.

［3］HooverA.Maryland CompanyExpandingTechnologyin Space-NASAWon'tLeave EarthwithouttheCTRLUL101［R］.CTRL Systems，Inc，2002.

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［5］陳卓如，金朝銘.流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004:410-411.

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［7］馮若.超聲手冊(cè)［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2006:17-27.

［8］SunW，Yan RX，Sun LC，etal.Evaluationofinfluence factors on the portable ultrasonic leak detectionmethod for the space station on orbit［C］//Advances in Engineering Materials and Applied Mechanics:Proceedings of the International ConferenceonMachinery，CRCPress，2015:71.

STUDY OF THE VIDEO GUIDABLE LEAK LOCATIONMETHOD FOR SPACECRAFT BASED ON THEUN-CONTACT ULTRASONIC TESTING

SUNWei，REN Guo-hua，LIWei-dan，YAN Rong-xin，SUN Li-chen，LIZheng
（Beijing Instituteof Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

It is very important to study the fast leak locationmethod for the on-orbit spacecraftand astronaut safety. The space station cabin was the studying object.And themethod research was based on aero-acoustic theory to analysis leak ultrasonic resource distribution in the space.And thismethod was researched by designing new complex sensor of array ultrasonic sensor and video sensor and studying the video guide leak location arithmeticmethod.Then，itwas validated that thismethod was speedy and effective by the experiments research.The research conclusions indicate that the video guide leak location method can guide the leak orientation and find the leak position.The result can lead handler to the main leak orientation find the leak to reduce the detection time.And themethod location accuracy is±20 mm.Thismethod is very fit for the space station huge cabin leak detection on orbit to improve efficiency.It is very significative for spacecraft leak detection operation on orbit.

ultrasonic；video guide；spacecraft；leak location

TB77

A

1006-7086（2016）03-0143-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.004

2016-01-20

國(guó)家自然基金（U1537109）和載人航天預(yù)先研究（020109）

孫偉（1984-），男，遼寧省凌源人，工程師，碩士，主要從事航天器真空與檢漏技術(shù)研究。E-mail:sunwei84@163.com。