淺談飛行器燃油系統(tǒng)氣密檢測技術(shù)

寧東，李紅才

（國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003）

0 引言

飛行器（飛行設(shè)備）是指在大氣層內(nèi)外飛行的器械，包括飛機(jī)、宇宙飛船、火箭等。氣密檢測技術(shù)涉及熱學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等多個(gè)學(xué)科。在飛行器設(shè)計(jì)制造時(shí)，飛行器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與系統(tǒng)的密封性密不可分。飛行器的密封結(jié)構(gòu)分為氣體密封結(jié)構(gòu)和液體密封結(jié)構(gòu)。不同的飛行器甚至同一飛行器內(nèi)不同系統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)都存在差別，例如飛行器的加壓艙是氣體密封結(jié)構(gòu)，燃油系統(tǒng)是液體密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)泄漏是威脅飛行器運(yùn)行安全和造成空難的重要原因。在飛行器制造和日常維護(hù)檢修時(shí)，不同飛行器內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)的檢漏標(biāo)準(zhǔn)存在差異，需要選用合適的氣密檢測方法，保證密封性能完好，進(jìn)而保證飛行器運(yùn)行安全。而優(yōu)化檢測手段、提升精度、降低或避免檢測對密封結(jié)構(gòu)的損傷對于飛行器的可靠性有著重要的意義。

1 飛行器燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)

在飛行器的系統(tǒng)構(gòu)成中，燃油系統(tǒng)是飛行器的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。飛行器的燃油系統(tǒng)的組成部分包括了燃油箱子系統(tǒng)、主燃油子系統(tǒng)、啟動燃油子系統(tǒng)、通風(fēng)子系統(tǒng)、緊急放油子系統(tǒng)和地壓加油子系統(tǒng)[1]。它不僅承擔(dān)著給飛行器輸送“血液”的任務(wù)，而且還具有保持飛行器重心不偏移和起到冷卻飛行器上其他設(shè)備的作用，一旦燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會影響飛行器實(shí)現(xiàn)特定功能，危及飛行安全。飛行器燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）燃油系統(tǒng)燃油箱、管道與活門的布局復(fù)雜；

（2）隨著飛行過程中燃油消耗，飛行器的重心可能會發(fā)生偏移，若重心偏移嚴(yán)重將對飛行器的平衡造成重大影響，甚至?xí)?dǎo)致飛行器墜機(jī)；

（3）對燃油的清潔性要求較高，清潔度不高的燃油會導(dǎo)致燃燒時(shí)熱不穩(wěn)定，影響飛行器的穩(wěn)定飛行。

2 飛行器燃油系統(tǒng)氣密性

飛行器燃油系統(tǒng)氣密性是指飛行器在部件裝配和總體裝配前后的飛行器氣密性，主要分為導(dǎo)管連接的氣密性、焊縫的氣密性和產(chǎn)品組合后的整體氣密性。

在燃油系統(tǒng)中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)管數(shù)量和規(guī)格繁多，氣密性大都靠擰緊力矩和工人操作經(jīng)驗(yàn)來保證。受空間角度的限制，焊接管道時(shí)操作困難導(dǎo)致焊縫數(shù)量多且氣密性不易保證。油箱采用鈑金鉚接結(jié)構(gòu)，涉及鉚釘?shù)拿芊夂透鱾€(gè)工序組合后的密封，很難做到整體密封[2]。

3 常用的燃油系統(tǒng)氣密檢測方法

3.1 氣泡檢測法

氣泡檢測法適用于允許承受正壓的容器、管道、零部件和密封元器件等氣密性檢驗(yàn)。其原理是：當(dāng)漏孔的兩側(cè)存在壓差時(shí)，氣體會從高壓端經(jīng)過氣孔流向低壓端，當(dāng)?shù)蛪憾私萦谀撤N液體中，漏孔處將會出現(xiàn)吹起的氣泡，出現(xiàn)氣泡的起始部位即漏孔的位置。主要分為充氣檢測法（又稱為打氣檢測法）、抽真空檢測法以及熱槽法。氣泡檢測法示意圖如圖1所示。使用該方法時(shí)，應(yīng)適應(yīng)專用檢漏液，專用檢漏液在進(jìn)入燃油系統(tǒng)時(shí)不產(chǎn)生其他氣泡，氣泡只在泄漏點(diǎn)處出現(xiàn)。專用檢漏液只對泄漏點(diǎn)氣泡發(fā)生反應(yīng)。此外，應(yīng)選用合適的檢測氣體。當(dāng)?shù)卮髿鈮郝饵c(diǎn)不高于–40℃時(shí)，應(yīng)選擇黏度系數(shù)低的檢測氣體，如不含油或機(jī)械雜質(zhì)的干燥空氣、氮?dú)夂秃獾取?/p>

該方法適用于裝置安裝初期時(shí)對允許正壓的零件進(jìn)行事前檢查，進(jìn)行泄漏檢測[3]。然而，如果采用檢測裝置檢測聚集在焊縫中的漏點(diǎn)時(shí)，由于氣體極易擴(kuò)散，所以可以開展水浴檢測。在泄漏點(diǎn)上涂上中性肥皂水用來檢測氣泡的位置。氣泡檢測法的泄漏檢測精度取決于氣泡的直徑和氣泡的形成頻率。氣泡檢測法工作原理如圖2所示。

3.2 氦質(zhì)譜檢測法

氦質(zhì)譜檢漏儀檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的檢漏技術(shù)。尤其在航天領(lǐng)域的檢測工作中得到廣泛運(yùn)用。根據(jù)使用方法不同分為氦質(zhì)譜噴吹法和氦質(zhì)譜吸槍法。具有較好的靈敏度，在實(shí)際操作應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料和尺寸，選擇適用的方法。

氦質(zhì)譜注入檢測法的原理：利用輔助泵使系統(tǒng)泵進(jìn)入低真空狀態(tài)，并將系統(tǒng)連接到檢漏儀的質(zhì)譜室。預(yù)先將檢漏儀的質(zhì)譜室抽至極限真空，然后利用質(zhì)譜檢漏儀對被檢測容器進(jìn)行排氣。當(dāng)質(zhì)譜室達(dá)到工作壓力時(shí)，用儀器噴槍將氦氣噴射到被測容器的疑似泄漏部分。如果有泄漏，氦氣就會通過泄漏孔進(jìn)入被測容器并迅速進(jìn)入檢漏儀顯示在輸出儀表。輸出讀數(shù)變化的大小可以決定被測孔的泄漏率。噴槍的位置可以確定泄漏的位置。這是目前使用最廣泛、最方便的方法。

氦質(zhì)譜吸槍檢測法的原理是在系統(tǒng)內(nèi)填充恒壓氦氣。當(dāng)被檢查部件出現(xiàn)泄漏時(shí)，氦氣會從泄漏處逸出。吸槍指向泄漏孔時(shí)，氦氣與周圍空氣一起被吸入質(zhì)譜儀室，產(chǎn)生泄漏指示，從而檢測泄漏點(diǎn)。但需要注意的是，在使用氦質(zhì)譜吸槍檢測方法時(shí)，要對標(biāo)定條件下使用的正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行檢測。另外，和吸槍相連的軟管需使用內(nèi)部清潔的金屬管或塑料軟管，長度不宜過長。應(yīng)控制吸槍的移動速度，吸槍與表面的距離應(yīng)在3mm以內(nèi)。在吸槍嘴端增加彈性蓋可以使吸槍與待測表面有較好的密封連接接觸。

氦質(zhì)譜檢測技術(shù)檢測程序?yàn)槌檎婵铡⒊浜?、保氣壓、算漏率。它基于一個(gè)簡單的原理：在真空中，氦氣可以從其他氣體中分離出來。主要是漏氣探測器提供了一個(gè)電磁場，使進(jìn)入的氦氣在一個(gè)加速電場中帶電后變成氦離子束。當(dāng)離子束進(jìn)入相互垂直的磁場時(shí)，會因洛倫茲力而做圓周運(yùn)動。軌道半徑由下式?jīng)Q定：

式中，R——離子偏轉(zhuǎn)半徑（cm）；H——磁場強(qiáng)度（特斯拉）；M/Z——離子的質(zhì)量與電荷數(shù)之比；U——加速電壓（V）。

由上式可知，當(dāng)R和H為常數(shù)值時(shí)，可以改變加速度壓力，通過狹縫到達(dá)接收電極，檢測不同質(zhì)量的離子。氦離子分離收集后，根據(jù)電荷量計(jì)算處理氦離子，結(jié)果顯示在顯示屏上。根據(jù)實(shí)際氦氣量與泄漏率的關(guān)系改進(jìn)了當(dāng)前檢漏儀，顯示的結(jié)果可以直接指示泄漏率[4]。從這里可以直接讀出泄漏率。

3.3 超聲波檢測法

基于超聲波檢測技術(shù)是通過超聲波探頭檢測這些超聲波信號和聲源的強(qiáng)度，進(jìn)而檢測氣密性。所有泄漏都會釋放一定數(shù)量的超聲波能量。這種能量與漏點(diǎn)有關(guān)。不同的漏點(diǎn)產(chǎn)生不同的能量譜和幅值。超聲檢測可以應(yīng)用于噪聲環(huán)境中。采用超聲波檢測閥門氣密性可用于一般工業(yè)領(lǐng)域。如果一個(gè)容器充滿了氣體。當(dāng)外部壓力小于內(nèi)部壓力時(shí)。因?yàn)閮?nèi)外壓差很大[5]。一旦容器出現(xiàn)泄漏，氣體就會從漏點(diǎn)流出。當(dāng)漏點(diǎn)的尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí)（雷諾數(shù)越小，黏性力的影響越顯著，慣性的影響越大），氣體流出會形成湍流，湍流會在漏點(diǎn)附近產(chǎn)生一定頻率的聲波。其工作示意圖如圖3所示。

圖3 超聲波檢測法工作示意圖

超聲波檢測可以根據(jù)內(nèi)外環(huán)境壓力的不同將泄漏分為正壓泄漏和負(fù)壓泄漏。正壓泄漏是指系統(tǒng)內(nèi)部壓力大于系統(tǒng)外部壓力時(shí)的泄漏。當(dāng)正壓泄漏發(fā)生時(shí)，氣體從系統(tǒng)內(nèi)部流向系統(tǒng)外部。泄漏孔附近的氣體會使系統(tǒng)外部的紊流狀態(tài)由系統(tǒng)內(nèi)部的層流狀態(tài)改變，從而產(chǎn)生超聲波，而負(fù)壓泄漏則相反。

泄漏孔的大小影響聲波的振動頻率。人的耳朵可以聽到20到20000赫茲之間的聲波。當(dāng)漏氣孔較大時(shí)，漏氣的聲音人耳都能聽到。但是，泄漏孔非常小，人耳聽不到20000赫茲以上的聲音。然而，當(dāng)它在空氣中傳播時(shí)，它是一種定向的高頻和短波信號，稱為空載超聲波。其強(qiáng)度與聲源的距離（泄漏量）成反比。超聲波是一種方向性很強(qiáng)的信號，可以很快地確定泄漏的位置。

4 結(jié)語

管路系統(tǒng)氣密性檢測以壓力變化來具體衡量，采取直壓法和涂抹檢測液法進(jìn)行檢查[6]。傳統(tǒng)的直接壓力法檢測的直觀性好、測試系統(tǒng)簡單、同時(shí)根據(jù)壓力的變化判斷泄漏?？偟膩碚f，氦質(zhì)譜檢測技術(shù)更適用于結(jié)構(gòu)密封檢測。紅外熱成像方法適用于壓力變化大引起的局部溫差大的檢測。超聲波更適合后期維修階段泄漏點(diǎn)的定位排故。鑒于飛行器燃油系統(tǒng)管路復(fù)雜的特點(diǎn)，目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的氣泡檢測方法仍在飛行器總裝階段使用。