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，任國華，李唯丹，閆榮鑫，孫立臣，李　征

（北京衛星環境工程研究所，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，任國華，李唯丹，閆榮鑫，孫立臣，李征

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

航天器在軌泄漏快速定位方法對確保航天員生命安全和航天任務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。針對空間站大型艙體結構為檢測對象，以泄漏聲學為理論基礎，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定位的方法，通過研制陣列式超聲傳感器與攝像頭相結合的新型復合可視化探頭，研究可視化引導算法，對比試驗分析，驗證了該方法的有效性和快速性。研究結果表明，該方法可有效確定漏點方向及位置，從視覺上直接引導人員向泄漏主方向巡檢，節省時間，漏點定位精度為±20 mm。研究結果為空間站大型艙體泄漏快速檢測提供了有效的方法，對航天器在軌泄漏定位策略的制定具有十分重要的指導意義。

超聲；可視化；航天器；泄漏定位

0　引言

隨著載人航天技術的快速發展，空間站等長期在軌運行航天器對其密封性能要求越來越嚴格；面對保障航天員和航天器安全的迫切需求，對航天器的在軌維護與服務能力提出了更高的要求。由于長期受到復雜的空間環境影響，空間站密封艙體及管路很可能發生泄漏，嚴重威脅飛行任務和航天員的生命安全，研究航天器在軌快速漏點定位方法是非常重要的［1-2］。NASA在2001年利用研發的便攜式超聲檢漏儀UL101成功發現國際空間站的一個艙內的管道泄漏［3］；美國Inficon公司開發了一款whisper手持式超聲檢漏儀。法國Synergys公司也開發一款可視化的檢漏儀Leak Shooter，可實現檢測現場的直接視覺顯示。目前國外先進的超聲檢漏儀并不具備指引或引導功能，而國內還沒有國產產品問市。許多單位只開展了一些聲學檢漏理論研究，北京衛星環境工程研究所率先針對航天器在軌檢漏的需求，開展了對非接觸式超聲航天器在軌檢漏技術及儀器的研究工作。重點從理論和實驗研究分析非接觸式超聲可視化快速漏點定位方法，對未來大型航天器在軌快速檢漏提供有效的技術途徑。

1　理論分析

航天器密封艙體內發現泄漏時，氣體在壓力差的作用下從密封結構中沿泄漏通道向艙外真空環境泄漏，氣體介質穿過微小孔徑時，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應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，從而導致氣體中屬于四極子聲源性質的聲源產生。由于泄漏超聲聲源的形成機理和形成過程十分復雜，但整個泄漏過程仍然滿足理想氣體流動中的微小聲波基本的連續性方程、動量方程、物態方程以及熱傳遞方程；而泄漏引起的氣體分子振動收到的阻尼作用只受黏滯性和熱傳導的影響；假設氣體密度為ρ0，速度為v，時間為t，壓力為p，比熱比為r，動力黏度為η，體積黏滯系數ξ；按照斯托克斯氣體計算，其體積黏滯系數ξ=0；利用瑞利聲學比對方法，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；V為泄漏氣體速度，m/s；c0為基準聲速，331.45 m/s；

而整個泄漏過程設為絕熱流動，按氣體動力學原理，泄漏過程能量守恒，進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，主要為吸收衰減、散射衰減和擴散衰減。前兩者主要取決于媒質的特性，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衰減規律，聲壓隨傳播距離的變化如式（4）［7］。

式中:a為衰減系數，dB/m；l為傳播距離，m；psound為聲壓，Pa；p0為聲源聲壓，Pa。這里的衰減系數是總衰減系數其等于吸收衰減系數和散射衰減系數之和。而擴散衰減主要考慮聲波傳播中因波陣面的面積擴大導致聲強的減弱，取決于聲源輻射的波形及聲速狀況而與媒質的性質無關。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，因其近場長度較短，故泄漏超聲的擴散衰減是存在的，簡化為球面波其聲強衰減隨波陣面半徑r-2規律衰減［7］。

假設單位距離為x，沿軸向距離設為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

假設接收端換能器的入口面積為Sc，測量面和漏孔點源法線的夾角為θ，則檢測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，當載人艙體發生泄漏，艙體的厚度為L時，艙體體積為V，艙內初始壓力p0，艙外為真空環境，在特定的測定距離li和測定方向θ，通過泄漏超聲的聲壓或聲功率監測，就可判定漏孔是否存在，且評估漏孔大小。

因此，一定距離下垂直于被檢平面的漏點中心處聲壓值最大，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　泄漏聲源空間場分布示意圖

2　可視化漏點定位方法分析

根據上述分析，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，可利用多個探頭與攝像頭相結合的復合式探頭，來分別檢測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定為漏孔的主方向。

在便攜式超聲檢漏設備的基礎上，開發泄漏檢測可視化指引模塊；設計一種8路傳感器和高清攝像頭共同組成陣列式切換超聲探頭，實現對超聲波的檢測以及對檢測實景實時攝像和引導結果的顯示。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立。8路超聲傳感器通過8路切換開關，由DSP定時觸發切換，實現8路傳感器信號經開關控制后單路分時傳入高精度AD進而由DSP進行后續處理，其結果經對比通過串口將傳輸給ARM顯示模塊，每一路結果對應屏幕上的一個區域而攝像頭接收到的視頻信號傳輸給ARM顯示模塊。

圖3　可視化超聲探頭示意圖及實物圖

在攝像模式下，屏幕會隨著DSP接收到的超聲探頭的信號進行改變。將屏幕等分為3×3的9個區域，除中心區域外，其他區域與圖4的8個傳感器相對應。設8個傳感器接收到的數值分別為S0～S7，接收到的信號經處理之后，將8路數據存為數組進行特征比對，判斷變化趨勢，從攝像屏幕中心指向趨勢最大的區域，實現指引效果，如圖5所示。

圖4　可視化指引方法示意圖

在檢測過程中，沿指示方向進行巡檢，當||S0-S4|-|S2-S6||＜M時，M值根據漏率指標的具體設定，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　中間值最大時屏幕狀態圖

3　試驗測試

3.1泄漏聲源測試試驗

利用Φ400 mm密封容器平臺模擬在軌的壓力邊界條件，容器平臺持續提供一個真空環境，將試驗室環境類比于艙內的大氣環境。在該壓力邊界條件下，試驗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）向容器內的真空環境泄漏，試驗人員則可利用超聲在軌檢漏系統在試驗室的大氣端進行檢測。便攜式超聲在軌檢漏儀被固定在三維四自由度的平臺上，通過沿X、Y、Z移動在一定距離上通過不同方向的偏移量檢測，實驗系統如圖6所示［8］。

采用檢測儀垂直于艙體壁面移動的巡檢方式，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　超聲泄漏檢測理論分析試驗系統圖

上述試驗結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同性的空間中，其聲壓按照近似1/r（W∝P2）規律衰減。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到的同一泄漏源的聲信號是具有差異的，且因衰減是單調的，其泄漏源方向幅度比遠離泄漏源的位置信號強，根據這樣的梯度，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圖

圖8　不同漏孔Z方向上垂直偏移量的泄漏超聲壓試驗圖

3.2漏點定位試驗

以壁板結構的漏孔為試驗對象，分別利用巡檢方式和可視化指引方式對不同的漏孔進行多次測試試驗，驗證可視化指引檢漏方法的正確性，試驗系統及巡檢的定位方法如圖9所示，設備移動速度平均為5 mm/s，整個試驗板為尺寸為Φ420 mm。平板上共加工5個漏孔，通過測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圖9的軌跡進行檢測，可視化指引方法則根據指示進行方位走動，若無報警指示顯示，則依然沿圖9軌跡走。分別進行單一漏孔檢測試驗，記錄用時、定位誤差、漏孔個數等，試驗結果如表1所列。

圖9　超聲漏點定位測試試驗圖

表1　漏點定位試驗結果（平均結果）

根據實驗分析，可視化指引漏點定位方法比巡檢漏點定位方法耗時少，定位快速，兩種方法的準確性均較高，無漏檢現象，定位精度均在±20 mm內，巡檢方式精度略高。相比之下，檢測小漏孔時，巡檢和可視化指引方法檢漏時間相差約為30多秒，而在檢測大漏率時，時間優勢較為突出，主要由于漏孔越大，泄漏超聲信號越強，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結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　結論

非接觸式超聲可視化指引漏點定位方法為理論分析提供了依據，建立了泄漏超聲的理論模型，并通過試驗研究，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定位方法的可行性；通過漏孔定位試驗，驗證了該新方法的快速性，在檢測大漏、大面積情況下更具優勢，可節約近50%的時間，其定位精度可達±20 mm；研究結果為實現航天器在軌快速漏點定位提供技術支持。

［1］綦磊，孫偉，孫立臣，等.非接觸式超聲泄漏檢測系統設計及試驗驗證［J］.航天器環境工程，2014，31（2）:212-216.

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

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

［4］馬大猷.現代聲學理論基礎［M］.北京:科學出版社，2005: 293-310.

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

［6］閆榮鑫，孫偉，李唯丹.便攜式艙內超聲檢漏儀的研制［J］.中國空間科學技術，2015，6（3）:58-61.

［7］馮若.超聲手冊［M］.南京:南京大學出版社，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

國家自然基金（U1537109）和載人航天預先研究（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研究。E-mail:sunwei84@163.com。