航天器舱壁加筋结构中泄漏声波传播特性与泄漏定位影响研究

綦 磊，岳桂轩，邵容平，孙立臣，芮小博，孙 伟

(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)

1 引言

载人飞船、空间站等低轨航天器在轨运行时，容易受到空间碎片撞击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。美国航天飞机从任务STS-1到STS-10已经多次更换舷窗。美国长期暴露装置(LDEF)在轨运行67个月后，经回收检测到了多达数以万计的撞坑。2015年，NASA在检修中发现国际空间站多功能服务舱(MLM)上直径在0.1～1.5 mm的撞击坑有75个；燃料箱组件(ATA)在轨7年间形成了49个直径在0.1～1 mm的撞击坑。2018年8月29日，国际空间站遭到空间碎片的撞击，造成舱体破损出现空气泄漏，出现空气泄漏的位置在联盟号MS-09轨道舱上。因此，研究航天器在轨泄漏检测意义重大。

对于较大的编目碎片(大于10 cm)主要采用碰撞预警，进而对航天器实施机动规避；对于微小空间碎片(小于1 mm)主要采用适当防护措施(增加Whipple防护结构等)来增强航天器的防御能力；而对于1 mm～10 cm之间的空间碎片撞击，没有很好的解决办法，只能加强碎片碰撞及泄漏的检测，必要时进行修复。2000年以来，美国NASA、俄罗斯联邦航天局(Roskosmos)、欧洲空间局(ESA)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，主要包括红外热成像、电阻变化检漏、质谱检漏及声发射检漏等。其中，声发射泄漏检测技术因为灵敏度高、易于工程应用而获得关注。沈功田等采用快速傅里叶变换(FFT)、小波分析和神经网络识别技术对泄漏声发射信号和噪声进行分离处理，采用基于衰减和波形分析2种方法对泄漏源进行定位，在100 m长管道上可检测直径l mm的泄漏孔，定位误差率为传感器距离的10%。刘增华等以各向异性复合材料板为试验对象，分析了复合材料板中声发射信号的传播特性，最后通过布置传感器阵列实现了复合材料板中的声发射源定位。该方法通过使用3个距离十分接近的传感器进行信号采集，根据不同传感器之间的信号到达时间差，结合位置关系计算出复合材料中声源方向以及此方向上的声波波速。仿真分析证明该方法具有可行性，但实验样本较少，其工程应用效果有待进一步考证。芮小博等提出一种可在复杂结构中对连续泄漏信号进行定位的幅度谱索引法，使用分布式传感器网络，采用幅度谱特征值建立索引矩阵，根据最小方差确定泄漏位置。该方法需要预先建立由被测件各点幅度谱特征值构成的数据库，且1个数据库仅能够针对1个试件进行定位，无法适用空间站这种大型复杂结构的泄漏定位。

当前，多数泄漏定位方法均是从原理及算法方面进行改进，尚无根据加筋板自身特性进行针对性改进的定位方法；且声波在横纵复杂加强筋结构中的传播特性仍需进一步研究，为航天器复杂结构泄漏定位算法参数优化提供依据。为解决以上问题，本文提出加筋板距离补偿过筋系数的概念，用以表征加强筋在声波传播过程中的影响。通过加筋板和平板对比实验，研究声波经过加强筋的频率和幅值特性，并得到距离补偿过筋系数曲线。研究结果可为航天器泄漏检测声波频段选择提供指导，并有助于提高传统算法对于加筋板的适应性及检测精度。

2 距离补偿过筋系数计算方法

航天器密封舱体出现泄漏时，气体在压力差的作用下从密封结构中沿泄漏通道向舱外真空环境泄漏，气体介质穿过微小孔径时，其流速较高，处于湍流状态，包含大量的湍流漩涡，气体湍流漩涡间相互作用及旋涡与孔壁之间相互作用产生泄漏声源。随后，声波沿航天器舱壁向四周传播。由于航天器在轨泄漏下游为真空环境，气流旋涡较常规泄漏少，泄漏噪声微弱。真空环境下的泄漏射流噪声存在明显的声腔反射，将激发出多种共振模态，声源更加复杂。除此之外，为了降低质量，载人航天器舱体多采用加筋板结构，当声波经过加强筋时一部分反射，一部分透射；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。这就使得航天器在轨泄漏定位比传统压力容器泄漏定位更困难。

在均匀薄板结构中，声波能量随传播距离增大逐渐衰减，各频带衰减程度基本一致。而在加筋板中存在多方向传输的复杂现象，并且各频带声波传播特性区别很大。本文提出一种距离补偿声波过筋系数计算方法，用某频率为f的声波在加筋板和平板中传播相同距离后的能量比值来表示，如式(1)所示。

图1 加强筋节点处声波多方向传播示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-directional propagation of acoustic waves at reinforcement joints

其中，E(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，E(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。在实际计算中具体频率的能量通过对以该频率为中心5 kHz频率范围内的频谱进行积分获得，计算公式见式(2):

其中FFT(ω)代表信号的频谱。计算时以1 kHz为步长，从100 kHz逐步计算加强筋的过筋系数直至400 kHz。

3 距离补偿过筋系数测定实验

为开展过筋系数测定实验，搭建了实验系统，由真空泄漏系统和数据采集系统组成，其中真空泄漏系统用于模拟空间环境下的气体从大气向真空泄漏，数据采集系统用于对泄漏声波的预处理、采集存储与数据分析。实验系统结构图如图2所示。

真空泄漏系统主要由真空泵(TRP24型)、阀门、抽气管道和实验板组成。实验板又分为平板和加筋板2种，实验板上预先制作直径1.0 mm的圆形漏孔。通过真空泵抽真空可以模拟漏率为0.1 Pa·m/s以上的泄漏。加筋板和平板均采用航天常用的5A06镁铝合金板整体加工而成，具体参数如表1所示。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，实验板实物图如图3所示。

图2 实验系统图Fig.2 Schematic diagram of the experiment system

表1 实验板参数表Table 1 Parameters of test plates

图3 实验板实物图Fig.3 Photos of test plates

数据采集系统由声发射传感器、信号放大器、数据采集仪和计算机等组成。考虑到航天器背景噪声频率主要集中在100 kHz以下，传感器采用Nano30型声发射传感器(美国PAC公司)，该型号传感器在100～400 kHz频率范围内具有较好的频率响应，满足本实验的需求。声发射前置放大器的频率范围为20～1000 kHz，输出阻抗50Ω，信号增益40 dB。数据采集仪为DS2-8A型8通道全信息声发射信号分析仪，具体参数如表2所示。实验数据采用MATLAB软件离线处理。

表2 数据采集仪参数表Tab le 2 Parameters of data acquisition instrum ent

为计算加强筋的过筋系数，在加筋板与平板上进行对比实验。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2只声发射传感器分别布设在过1条加强筋的A点(20，0)和过2条加强筋的B点(40，0)，如图4(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，利用平板重复上述实验，如图4(b)所示。

图4 传感器布设位置示意图Fig.4 Schematic diagram of sensor location

实验得到的加筋板与平板中各采集位置的泄漏信号如图5、图6所示。

图5 加筋板各传感器信号时域及频域图Fig.5 Time-domain and frequency-domain signals in stiffened p late

从时域图中可以看出，加筋板中A点信号相对平板中A点信号，幅值减少50%左右；加筋板中B点信号相对平板中B点信号，幅值减少70%左右，说明加强筋对于泄漏声发射信号的传播有较大衰减作用，并且经过加强筋数目越多，幅值衰减越严重。从频域图中可以看出，平板中的泄漏声发射信号能量主要集中在100～180 kHz的低频部分，而加筋板中180 kHz以上高频部分能量占比显著增加，说明100～180 kHz低频成分在加筋板中衰减更为显著。

图6 平板各传感器信号时域及频域图Fig.6 Time-domain and frequency-domain signals in surface plate

为进一步分析加强筋对泄漏声发射信号传播的影响，利用式(1)计算得到经过1条筋和2条筋的声波距离补偿过筋系数曲线，如图7所示。

图7 距离补偿过筋系数曲线Fig.7 Curves of distance com pensated stiffener coefficient

图7中经过不同数量的加强筋后，信号在不同频率的变化不尽相同，但仍有相似规律，2种情况下的距离补偿过筋系数曲线随频率变化上下浮动，呈相似的梳齿状，100～180 kHz范围内的过筋系数相对较小，250 kHz及350 kHz附近存在峰值。对比2条曲线可以看出，经过1条筋的过筋系数整体大于经过2条筋的过筋系数，与信号时频分析结果一致。

4 声波传播特性对泄漏定位影响

泄漏声波为连续性信号，无明显起始时刻，传统的声达时差法无法进行准确的泄漏源定位。通常使用声阵列传感器对泄漏源进行定向，再由2组阵列传感器根据三角形关系进行泄漏定位，如图8所示。

图8 三角定位原理图 Fig.8 Schematic diagram of triangulation location

波场成像是一种常用的泄漏定向算法，该方法通过三维傅里叶变换，将时域-空间域信号转换为频域-波数域信号。在波数域中，波数的方向与声波传播方向一致，因此可根据波数域云图中最大强度点来判断泄漏声源的方向，如图9所示。

图9 波数域成像定向图Fig.9 W ave field imaging orientation map

当航天器舱壁上存在加强筋时，由于不同频率信号通过加强筋时的反射-透射比不同，使得不同频率下泄漏源定位结果不同。因此，根据声波传播特性，选取合适频带的声信号进行泄漏定位，可以减小泄漏定位误差。

为探究不同滤波频率下定向结果的准确性，使用8×8阵元微阵列传感器分别对1.0 mm、1.5 mm、2.0mm 3个不同孔径的泄漏孔进行定向实验，每个漏孔进行10次定位，阵列传感器如图10所示，传感器及漏孔布局如图11所示，图中细线为标志网格线，粗线代表加强筋或板子边缘。

图10 阵列传感器Fig.10 Photo of sensor array

图11 传感器及漏孔布局图Fig.11 Layout of sensor and leakage holes

使用不同频带得到的所有定向实验的平均定向误差如表3所示。从表中可以看出，161～190 kHz、191～220 kHz、221～250 kHz以及251～280 kHz 4个频段的平均定向误差较小，这一结果与该频带内距离补偿过筋系数较大的结果相一致。在341～370 kHz频带内距离补偿过筋系数较大，然而泄漏定位误差较大，其原因是泄漏声波在300 kHz以上频段分量很小，泄漏声波信噪比太小造成。由此可以看出，距离补偿过筋系数曲线可以为泄漏定位的滤波频率选择提供参考，选择过筋系数较大且信号能量较大的滤波频带可提高泄漏定向准确性。

表3 不同滤波频率定向误差Table 3 Orientation error of different filter frequency bands

5 结论

为研究加强筋结构对泄漏声发射信号的影响，本文对比分析了加筋板与平板中信号的时域及频域特征，并提出了一种可以量化表征加强筋结构对不同频率信号影响的距离补偿过筋系数。通过实验对比发现:

1)加强筋对信号幅值有明显的衰减作用，随着信号经过加强筋数量的增加，信号衰减越明显。

2)该典型加强筋结构中，距离补偿过筋系数曲线呈梳齿状分布，不同频率过筋系数不同，整体上看，180 kHz以上高频部分过筋系数明显大于低频部分。

3)相同频带下，漏孔越大，泄漏声信号幅值越大，信噪比越大，漏孔定向误差越小。

4)结合定向实验发现，过筋系数曲线可指导滤波频率的选取，选取泄漏声波能量较大且过筋系数较大的滤波频率可提高定向准确性。

本文研究结果对我国空间站等载人航天器在轨泄漏定位中声波频带的选取具有指导意义。