一种航天器舱壁加筋结构泄漏定位方法

綦磊 岳桂轩 孙立臣 邵容平 芮小博 张宇

(1 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)(2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

载人飞船、空间站、卫星等航天器在轨道上运行时，由于受到空间碎片带、微流星、原子氧的撞击和腐蚀威胁，容易产生航天器舱体结构泄漏，严重威胁航天器正常运行和航天员的生命安全[1-2]。2007年，奋进号航天飞机在执行STS-118号任务时，受到空间碎片撞击。空间碎片彻底击穿散热器面板及其下面的热控系统外壳，造成航天飞机发生严重泄漏[3]。2018年8月29日，停靠“国际空间站”的联盟号载人飞船(MS-09)轨道舱受到空间碎片撞击发生气体泄漏。长期在轨运行的航天器都将面临类似的在轨泄漏问题。因此，研究航天器在轨泄漏检测意义重大。

2000年以来，NASA等研究机构针对航天器在轨泄漏检测开展了大量的研究工作，主要包括红外成像[4]、光纤检测[5]、质谱检测[6]、声学检测等。其中，声学泄漏检测技术通过分析泄漏声波特征，并结合定位算法，可实现泄漏的在线检测和定位。这种方法灵敏度较高、检测时间较短、仪器设备简捷、易于工程实现[7-9]。华北电力大学闫勇等人[10]利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition)对泄漏信号进行多层分解，利用互相关得到了特定模态下的到达时间差，有效解决了CO2输送管道的泄漏定位难题。Mclaskey G C等人[11]应用传感器阵列采集混凝土中声源所激发的声信号，利用波束形成原理，实现了对声源的准确定位Grabowski等人[12]提出的一种新的基于幅度的估计方法，利用了8个分布式传感器。该方法基于被测物体表面声信号的幅度衰减特性，通过测量声信号的幅度衰减系数并与先验数据进行比较，从而得到泄漏位置。这些方法只适合于平板，光滑直管等简单结构的泄漏定位，无法适合航天器舱体加强筋纵横交错的复杂结构。在复杂结构中，由于加强筋引起的多次波反射，实际的声波到达方向会变得模糊。

为了解决以上问题，本文提出一种过筋能量系数加权波束形成方法。通过对加筋板和平板进行对比试验，研究声波经过加强筋的频率和幅值特性，得到一种可以量化表征加强筋对不同频率信号影响的距离补偿过筋系数曲线。以该系数曲线为依据，通过对不同频率的能量函数进行加权平均，获得了优于传统波束形成方法的定向结果。本文的研究结果可为航天器泄漏检测声波频段选择提供指导，有助于提高传统算法对于加筋板的适应性及检测精度，可进一步推动航天器加筋板结构的泄漏检测技术发展。

1 声波过筋系数计算

声波在泄漏孔处产生，随后向四周传播，遇到加强筋后一部分反射，形成反射波，一部分透射，形成透射波；并且在加强筋处，声波垂直板面沿着加强筋方向向上传播并经过加强筋上表面发生反射，如图1所示。

图1 加强筋节点处声波多方向传播示意图

由此可见，不同于均匀薄板中声信号的传播，信号在加强筋的节点处存在多方向传输的复杂现象。美国Reusser等人[13]曾提出用某频率声波过筋后和过筋前的能量比值作为该频率声波的过筋系数，以此表征加强筋对不同频率兰姆波能量的影响，但并未考虑到声波在平板中传播时能量随传播距离发生的衰减。为了解决以上问题，本文提出距离补偿过筋系数概念，用以表征加强筋对声波传播的影响，其表示频率为f的声波在加筋板和平板中传播相同距离后的能量比值为

(1)

式中：EB(f)表示加筋板中频率为f的兰姆波在经过加强筋后的能量，EF(f)表示平板中频率为f的兰姆波在传播相同距离后的能量。

加筋板和平板均采用航天常用的5A06型镁铝合金板整体加工而成，具体参数见表1。加筋板和平板四周粘贴吸收胶泥，可有效抑制边界声波反射，试验板实物如图2所示。

表1 试验板参数表

图2 试验板实物图Fig.2 Figure of test plate

以加筋板中心为坐标原点，利用加筋板上(0,0)处直径1.0 mm漏孔泄漏为声源，将声发射传感器布设在过1条加强筋的A点(20,0)，如图3(a)所示，利用数据采集系统采集2只传感器的信号60 ms。按照相同的传感器及声源位置，利用平板重复上述试验，如图3(b)所示。对所采集信号进行时域和频域分析，如图4和图5所示。

利用式(1)计算得到距离补偿过筋系数曲线，如图6所示。

图3 传感器布设位置示意图Fig.3 Schematic diagram of sensors location

图4 加筋板内传感器信号时域及频域图Fig.4 Time-domain and frequency-domain signal in stiffened plate

图5 平板内传感器信号时域及频域图Fig.5 Time-domain and frequency-domain signal in surface plate

图6 距离补偿过筋系数曲线Fig.6 Curve of distance compensated transmission coefficient through stiffener

2 过筋系数加权波束形成算法

过筋系数加权波束形成算法首先利用泄漏声波过筋试验获取距离补偿过筋系数权重因子矩阵。然后按照各频率过筋系数不同对传统波束形成算法进行加权修正，最终得到加筋系数加权波束形成计算公式。

波束形成利用传感器阵列各阵元信号延迟求和来计算声波到达某个假设方向的能量，从而估计波到达的方向。在波束形成算法中，传感器阵列形状的选择至关重要。根据前期研究结果，本文采用一个带有8个传感器的L型阵列作为接收传感器阵列，如图7所示。

图7 L型阵列传感器Fig.7 L-shaped array

图7中传感器阵列标记为n，包括0～7号。其中，0号传感器为参考传感器。当泄漏发生时，声波通过平板传播并被传感器获取。F(t,n)被定义为各传感器在t时刻获取的信号，泄漏源和阵列之间的相对角θ定义为泄漏源的实际方向，θ′表示假设方向。

当传感器阵列与泄漏源之间的距离远大于阵列的尺寸时，可以认为信号波沿平行路径传播。在这个假设下，参考传感器0号采样的信号是由其他阵列元素记录的延时信号的副本。阵列元素之间的时间延迟由信号源到阵列元素n号的相对距离(与到达方向下的参考传感器0号相比)和波速决定。通常，到达的方向是未知，一个假设的方向到达θ的设置。根据图1的几何关系，第0个信号的时延可以表示为

(2)

如果θ′与真角θ一致，则信号将通过延时的叠加而集中。因此,每个传感器的信号延迟和叠加获得下列延迟和信号G(t,θ′)为

(3)

信号的能量可以通过对叠加信号进行时域平方和积分得到。通过扫描计算假设的角度不同,一个能量函数B(θ′)相关的角度可以获得

(4)

为减小噪声对定位结果的影响，在进行能量函数计算之前，信号还需进行滤波处理，则不同滤波频率下获得的能量函数可表示为

(5)

式中：G(t,θ’,f)为f频率下的延迟和信号。

根据图6的过筋系数曲线，以10 kHz为带宽，可以得到不同频带下过筋系数权重因子，如图8所示。

设各频段过筋系数权重因子为H(f),那么多频带过筋系数权重因子加权的波束形成公式为

(6)

将能量函数峰值的角度作为定向结果，通过两个阵列定向结果的交点即可定位泄漏点位置。

图8 过筋系数权重因子Fig.8 Weighting factor of distance compensated transmission coefficient through stiffener

3 试验与数据分析

为对定位方法进行验证，本文搭建了试验系统，由真空泄漏系统和数据采集系统组成，如图9所示。

图9 试验系统图Fig.9 Experiment system

真空泄漏系统主要由真空泵、阀门、抽气管道和试验板组成。试验板中心位置预先制作了直径1.0 mm的圆形漏孔，通过真空泵抽真空可模拟漏率0.1 Pa·m3/s以上的泄漏。为验证不同情况下本文所提方法的定位效果，共选取15个不同传感器位置及3种不同传感器朝向进行试验，如图10所示。

图10 阵列传感器位置图Fig.10 Position of sensor array in the experiment

使用该方法进行计算获得的图10中A、B两传感器位置的定向结果如图11所示。从图11中可以看出，能量函数存在一极大值主瓣及两个旁瓣，且旁瓣能量远小于主瓣不会对定向结果产生明显影响。

为比较本文所提方法与传统波束形成方法定向效果的差异，本文使用传统波束形成方法进行了定向计算。根据过筋系数曲线选取过筋系数较大的5个频带进行滤波处理，各频带带宽均为10 kHz，中心频率分别为195 kHz、215 kHz、265 kHz、285 kHz和355 kHz。从表2中可以看出，使用各频段下使用传统波束形成方法的平均定向误差在3°～5°之间，而使用本文所提出的过筋能量系数加权波束形成方法的平均误差为2.6°，减小了19.4%。

图11 泄漏定向结果图

表2 各传感器位置定位结果

Table 2 Leak orientation results at different sensor positions

编号声阵列坐标/cm真实角度/(°)不同频带定向误差/(°)频段1/kHz180～190频段2/kHz210～220频段3/kHz260～270频段4/kHz280～290频段5/kHz350～360过筋能量系数加权定向误差/(°)1(0,5)6018-7-67772(0,15)60617-1-26-23(0,25)60-2-501-204(0,35)6045-14-225(0,45)6025-23-646(-5,0)3077-3-65-67(-15,0)30-8-4-1-60-28(-25,0)30-33-62-729(-35,0)30-6-3-6-5-7-310(-45,0)30-3-34-42-411(5,-5)45-2-15-2-3012(15,-15)45-4-250-2013(25,-25)45-221-1-3-114(35,-35)45-4-17-2-3-215(45,-45)45-2-15-2-62平均误差绝对值/(°)4.94.43.13.14.12.6

将定向误差小于5°的结果作为正确定向结果，统计各种情况下的定向准确率如图12所示。从图12中可以看出本文所提出的方法的正确率为93.3%，相比传统方法提升了13.3%以上。

图12 定向准确率Fig.12 Histogram of orientation accuracy

4 结束语

随着我国载人航天工程的推进，航天器在轨泄漏检测已成为关注的热点。本文针对航天器舱壁加强筋结构泄漏定位问题，提出一种过筋系数加权的波束形成定位法。试验结果表明，该方法比传统的波束形成法定位误差减小19.4%，定位准确率提高13.3%，可为我国在轨航天器泄漏检测研究提供参考。