CN109733640A - 一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，具体过程为：在大型囊体温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体平均温度的区域布设温度传感器、露点仪及压差计，其中压差计引压管出口与囊体中心位置齐平，各传感器通过法兰上预留孔与囊体外部计算机相连；向囊体内充空气直至囊体成形；对囊体上的接口进行检漏；继续向囊体内充空气，直至囊体压差值达到保压试验值要求；等待囊体内部气体温度和压力达到平衡后，保压试验正式开始，传感器自动记录数据；当试验有效时间大于设定的保压时间后，计算囊体一段时间后的压降。该方法测量精度高，能够准确描述囊体一定压力下一段时间后的压降，即囊体的泄漏率。

Description

一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法

技术邻域

本发明属于气密性检测技术领域，具体涉及一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法。

背景技术

飞艇是一种由氦气作为浮升气体提供浮力的飞行器，飞艇囊体的气体总泄漏率是飞艇驻空性能的一个重要性能指标。通过地面保压试验可以定量测算飞艇囊体在一定压力下经过一段时间以后的气体(空气)泄漏量，以此为参考可以进一步评估其驻空飞行时间。

传统压力容器不仅体积小，而且容器基本为刚性结构，其工作特点是：工作载荷压力较大(以MPa为单位)；在不同压力下压力容器体积基本保持不变；压力容器内部温度随外界温度变化反应基本一致；压力容器内部气压对环境大气压周期性变化反应相对较弱。因此，计算压降时折算的精度相对较高。

飞艇囊体不同于刚性结构密闭容器，其主要特点有：(1)囊体体积巨大，最大长度可达百米量级，最大高度可达几十米，空间环境内各点温度(垂直和水平方向)、压力(高度方向)差异较大；(2)飞艇囊体工作载荷压力相对于刚性结构容器压力较低，尺寸越大，需要的工作载荷压力越小，计算压降时相对误差容易放大；(3)囊体织物厚度较薄，囊体内部温度和气压对于外界环境变化较为敏感；(4)囊体织物具有一定的伸长率，囊体体积随气压容易发生变化，开始与结束状态体积差异较大。因此在进行基于压力变化检漏试验时，需要考虑试验条件选取，温度修正，露点气压修正和体积修正因素，尽可能减小压力折算误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，该方法能够精确测量囊体的压降，即囊体的泄漏率。

实现本发明的技术方案如下：

一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，具体过程为：

(1)在囊体内温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体温度的中间区域布设高精度温度传感器、露点仪及压差计，囊体外部布设高精度气压计，其中压差计上引压管出口与囊体中心位置齐平，各传感器通过法兰上预留孔与计算计相连；

(2)打开轴流风机和开关阀，向囊体充气直至囊体成形；

(3)对囊体上的接口检漏，确保连接处无泄漏；

(4)关闭轴流风机和开关阀，打开高压风机和开关阀I，继续向囊体充气，直至囊体压力达到保压值要求；

(5)等待囊体内部气体温度和压力平衡后，关闭开关阀II，当囊体压差值达到预设时间的平衡区间，保压试验正式开始，传感器记录数据；

(6)当试验有效时间大于设定的保压时间后，选择与起始点相似条件的结束时刻点传感器参数，按照气体状态方程将结束时的囊体压差折算到起始时刻，计算囊体一段时间后的压力下降(简称“压降”)；根据保压试验开始、结束时传感器采集的数据，计算囊体的压降：

其中，p₁为囊体内起始相对压力，p₂为囊体内结束相对压力，V₁为开始时囊体体积，V₂为结束时囊体体积，Δp₁为开始时外界环境大气压力，Δp₂为结束时外界环境大气压力，T₁为起始时囊体内的温度，T₂为结束时囊体内的温度，p_折为折算到起始温度状态时的容器内相对压力，Δp为囊体的压降；

所述囊体内起始相对压力p₁为起始时囊体内所加的空气总压力减去水蒸气分压力；所述囊体内结束相对压力p₂为结束时囊体内所加的空气总压力减去水蒸气分压力p_ν。

进一步地，本发明当所述囊体为球形时，采用如下两种方法中的一种来获得囊体体积，当所述囊体为非球形时，采用下述方法二来获得囊体体积：

方法一：利用囊体材料力学参数，计算不同充气压力条件下囊体的半径R，

其中，R₀为零压差下囊体的设计半径，t为囊体材料的厚度，E为囊体材料的弹性模量，ν为囊体材料的泊松比，P为囊体内的压力；

根据所述半径R计算囊体的体积；

方法二：利用高精度三维激光扫描仪直接测量试验开始时和结束时囊体的真实体积。

进一步地，本发明在进行试验前，还包括通过充放气过程去除囊体预应力。

进一步地，本发明所述设置传感器的区域的获取过程为：

首先，通过流体力学仿真软件，仿真一个周期内，囊体内部气体的温度场分布情况及动态变化规律；

其次，通过在囊体内部多点布设温度传感器，校核温度场仿真结果正确性；选择温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体温度的区域布设温度传感器；

最后，选择最能代表囊体内气体温度的传感器测量的温度的均值作为囊体内气体温度值。

进一步地，本发明保压试验条件如下：

(1)环境条件：试验区环境稳定，无明显强烈对流；

(2)天气条件：晴天，且试验期间天气过程平稳；

(3)温度条件：起始和结束点环境最高温度基本一致。

进一步地，本发明起始点和结束点数据选取为：

起始点数据选取：

当囊体压力升至试验规定工作压力，停止加载，让囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态，同时等待囊体内部压力平衡，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力、露点参数作为起始点数据；

结束点数据选取：

当试验接近或超过规定试验时间段时候后，且囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态时，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力、露点参数作为结束点数据。

进一步地，本发明所述当囊体压降无法准确评估时，可增加保压试验时间。

有益效果

(1)将压力变化检漏法(保压试验)应用到大型柔性结构密闭压力容器，即无基准物的差压检漏法，能够精确测量囊体的压降，即囊体的泄漏率。

(2)提出了两种体积修正方法(方法一直径计算公式为已有知识，只适用于球形囊体)，第二种体积直接测量法适应于其它形状的飞艇囊体，由于囊体在不同压力下体积会发生变化，因此利用上述两种方法修正可以保证试验结果更加准确。

(3)对温度的布设依据、布设位置进行了规定，并采用多点测量取平均值，由于囊体体积巨大，采用这种方法所获取的温度可以代表囊体内部的温度，使得试验计算的结果具有更高的准确性。

(4)由于高度变化对压差的影响也必须考虑在内，因此本发明对压差计的布设进行了设计，使得试验计算的结果具有更高的准确性。

(5)本发明保压试验的环境条件进行了明确规定，确保了试验期间环境条件稳定(一个周期为24小时，试验周期一般为连续多个周期)，减少环境变化(热交换，大气压、温度和湿度变化)对试验误差的影响。

(6)本发明提出了数据选取的依据，确保了起始与结束时刻点囊体压差处于囊体内部压力的平衡区间，减小结束时刻点囊体压差折算到起始点压差时的折算误差。

(7)本发明为了能够精确测量囊体的气体泄漏率，试验系统的精度必须在20～80Pa以内(保压压力值越低，要求试验系统精度越高)，并将囊体内水蒸气分压力、囊体指定区域测量的压差和温度值，纳入到参数修正范围，减小保压试验结束时刻点囊体压差折算误差。

附图说明

图1为囊体地面保压试验系统。

其中，1-轴流风机，2-高压风机，3-开关阀I，4开关阀II，5-气囊，6-温度计I，7-温度计II，8-湿度计I，9-露点仪I，10-压差计，11-湿度计II，12-露点仪II，13大气压计，14-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明基于无基准物的压力变化检漏法，利用高精度压力传感器(大气压计和压差计)、温度传感器、露点传感器和湿度传感器，测量并自动记录一定初始压力下一段时间以后飞艇囊体的各项参数，根据被测囊体所处环境和时间，考虑温度、湿度和体积修正，将结束时囊体的压力折算到起始时的温度、湿度和大气压条件下，从而计算得出囊体的压降。

保压试验方案

飞艇囊体保压试验主要是利用充气系统、压力计(或压差计)、温度计、湿度计、露点仪和控制阀，将被检容器充气到一定压力，经过一段时间后即可计算一定时间段后容器的压降。

飞艇囊体地面保压试验系统如图1所示(以下所有内容均以球形囊体为例)。

保压试验系统精度要求：优于20Pa～80Pa(保压压力越低，要求试验系统精度越高)。

保压试验步骤

(1)安装传感器。在囊体特定区域布设温度计I 6、温度计II 7、湿度计8、露点仪9和压差计10，连接线通过法兰上预留孔与外界计算机14相连，要求传感器位置尽量靠近。

(2)预充气。打开轴流风机1和开关阀I 3，向囊体5充气(空气)，直至囊体5成形。

(3)接口检漏。针对阀门、管道、接头等进行严格检漏，确保连接处无泄漏。

(4)二次充气。关闭轴流风机1和开关阀I 3，打开高压风机2和开关阀II 4，继续向囊体5充气，直至囊体5压力达到保压值要求。

(5)等待内部气体温度和压力平衡后，完成充气，正式关闭开关阀II 4。根据外界环境特点，要求囊体5压差值达到一天平衡区间，保压试验正式开始，传感器记录数据。

(6)结束保压试验。当试验有效时间大于设定的保压时间后，计算囊体5压降，如不满足要求，继续进行保压试验，通过增加测试时间，增加测试数据的可靠性。如满足要求，打开3开关阀1和4开关阀2开始放气。

保压试验计算方法

理想气体状态方程为：气体质量为：其中，p为压力值；V为容器体积；R为气体常数；M为气体的摩尔质量，常数；m为容器内气体的质量。

基于压力变化检漏法(压降法)总漏率计算时，将记录的压力容器起始、结束的压力和温度以及对应时间的环境大气压值带入理想气体状态方程，折算起始温度和大气压条件下容器内的压力。

假设容器内气体质量不变，根据理想气体状态方程有：

其中，p₁为囊体内开始的相对压力，p₂为囊体内结束的相对压力，V₁为开始时囊体体积，V₂为结束时囊体体积，Δp₁为开始时外界环境大气压力，Δp₂为结束时外界环境大气压力，T₁为囊体内起始时的温度，T₂为囊体内结束时的温度，p_折为折算到起始温度状态时的容器内相对压力。

因此，囊体的压降Δp为：

试验误差来源分析及修正

基于压力变化的密闭容器检漏法，检测灵敏度与被检容器本底压力，压差传感器、大气压计、露点仪和温度传感器精度密切相关，另外还与测量时间、被检容器大小、容器内气体是否为平衡态有关。本底压力越低、传感器越灵敏、检测时间越长、容积越小，检测灵敏度越高。因此，为确保飞艇囊体保压试验结果的准确性，需要对参与计算的每一项参数进行修正。

体积修正

由于囊体织物为柔性材料，随囊体内气压(或拉伸力)变化，囊体织物会发生拉伸或收缩变形。

囊体体积的修正可通过两种方法实现。

第一种方法根据弹性力学中薄壳弹性变形原理，利用囊体材料力学参数，估算不同充气压力条件下囊体的体积。R为起始、结束压差下囊体的半径：

其中，R₀为零压差下囊体的设计半径，t为囊体材料的厚度，E为囊体材料的弹性模量，ν为囊体材料的泊松比，P为起始、结束时囊体内的压力。将公式(3)代入球体体积公式，得到体积参数后带入公式(1)计算。

第二种方法是利用高精度三维激光扫描仪直接测量不同充气压力下囊体的真实体积，将真实体积参数代入公式(1)计算。

需要指出的是，囊体材料经过加工后，材料本身和加工焊接区域需要通过充放气过程去除预应力，这样可以进一步提高体积测量的精度。

温度修正

温度变化引起的压力波动，在压降检漏中的影响很大。飞艇囊体体积巨大，空间环境内各点温度受外界环境影响存在不均衡现象。因此，囊体内气体温度进行修正。

温度修正需要通过以下方法来实现。

首先，通过流体力学仿真软件(如ANSYS Fluent)，仿真一个周期内，囊体内部气体的温度场分布情况及动态变化规律；

其次，通过在囊体内部多点布设温度传感器，校核温度场仿真结果，进一步确认仿真结果的正确性；选择温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体温度的区域布设传感器，且所有传感器必须同步测量这一区域的压力、温度和湿度等参数。

最后，选择最能代表囊体内气体温度的传感器测量的温度作为囊体内气体温度值。为减小测量误差，确保测量值的可靠性，多点测量值取平均。因此囊体中心平均温度为：

其中，T¹为温度计1，T²为温度计2，Tⁿ为温度计n，n为传感器数量，1、2、～n。将公式(4)代入公式(1)计算。

湿度修正

在压降检漏中，水蒸气的影响是不可忽略的。如果温度低于露点温度，水蒸气将凝结在固体表面，此时水蒸气压力应从空气总压力中剔除。当温度高于露点温度，囊体中的水蒸气将蒸发，增加了囊体空气中的总压力。水蒸气的分压力加上囊体内气体的真实压力构成了压降检漏过程中囊体内的总压力。

目前飞艇囊体保压试验过程中，囊体内部起始和结束温度很难达到一致，因此，囊体内的水蒸气分压力将发生较大的变化。如果不对水蒸气产生的影响进行校正，压降检漏将产生很大的偏差。

为了避免这类偏差，必须从囊体内所加的空气总压力p_n(n为起始或结束压力对应下标)中减去水蒸气分压力p_ν，即修正后囊体内部相对压力p_z为：

p_z＝p_n-p_ν (5)

将公式(5)代入公式(1)计算。

表1水蒸气分压力和露点温度的关系(部分)

露点温度/℃	水蒸气分压力/Pa	露点温度/℃	水蒸气分压力/Pa
				0	610.2	25	3165.8
10	1228.0	30	4241.7
				15	1705.1	35	5621.3
20	2337.3	40	7374.2

压差修正

飞艇囊体体积巨大，囊体内部空间环境压力值会随高度变化而发生变化(高度每变化12米，压强变化1mmHg，约133Pa)，而飞艇囊体保压试验精度要求很高(24或72小时后压降均不超过百帕)，因此，高度变化引起的压差变化也必须要考虑。

压差修正方式主要是从压差计的布设方式来修正。压差计需布设在囊体高度的中间位置，引压管出口应与囊体中心位置齐平，确保压差计测量的压差为囊体高度中部位置(与其它传感器保持同一区域范围内)。

保压试验条件要求

保压试验条件如下：

(1)环境条件：试验区环境稳定，无明显强烈对流；

(2)天气条件：晴天，且试验期间天气过程平稳；

(3)温度条件：起始和结束点环境最高温度基本一致。

起始与结束点确定

起始结束点选择的选取对于计算结果的影响较大。主要原因是由于飞艇囊体体积巨大，外部环境温度变化时，囊体内部温度变化存在一定的滞后，因此，起始与结束点的选取应确保囊体内气体处于一个相对的稳态区间。

(1)起始点数据选取

由于气体压强(绝对压强)与温度有关，在囊体加载充气时，高压风机对空气做功，同时高压风机自身发热，充入空气温度会略高于外界环境温度，囊体内气体压力会偏离实际值。因此，在囊体充压阶段应控制充气流量，并分级加载，确保囊体内温度上升减缓，保证囊体内压力变化相对稳定。

当压力升至试验规定工作压力，停止加载，让囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态，同时等待囊体内部压力平衡，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力等参数作为起始点数据。

(2)结束点数据选取

当试验接近或超过规定试验时间段时候后，且囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态时，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力等参数作为结束点数据。

(3)需要指出的是，飞艇囊体气体泄漏是一个缓慢的过程，对于微小渗漏，适当增加有效保压试验时间，可以明显的提高保压试验测试的精度。

利用该方法，在试验场内对某大型球形飞艇囊体进行地面保压试验，试验要求：在初始保压压差为1000Pa条件下，经过72h保压，相同温度条件下或折算到相同温度条件下，囊体压差的损失不大于7％。实际测试结果为：在初始保压压差为1100Pa以上条件下，经过72h以上保压试验，折算到相同温度条件下，囊体压差损失小于2％。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，具体过程为：

(1)在囊体内温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体温度的中间区域布设多个高精度温度传感器、露点仪及压差计，其中压差计上引压管出口与囊体中心位置齐平，各传感器通过法兰上预留孔与计算计相连；

(2)打开轴流风机和开关阀，向囊体充气直至囊体成形；

(3)对囊体上的接口检漏，确保连接处无泄漏；

(4)关闭轴流风机和开关阀，打开高压风机和开关阀I，继续向囊体充气，直至囊体压力达到保压值要求；

(5)等待囊体内部气体温度和压力平衡后，关闭开关阀II，当囊体压差值达到预设时间的平衡区间，保压试验正式开始，传感器记录数据；

(6)当试验有效时间大于设定的保压试验时间后，选择与起始点相似条件的结束时刻点传感器参数，按照气体状态方程将结束时的囊体压差折算到起始时刻，计算囊体一段时间后的压降；

其中，p₁为囊体内起始相对压力，p₂为囊体内结束相对压力，V₁为开始时囊体体积，V₂为结束时囊体体积，Δp₁为开始时外界环境大气压力，Δp₂为结束时外界环境大气压力，T₁为起始时囊体内的温度，T₂为结束时囊体内的温度，p_折为折算到起始温度状态时的容器内相对压力，Δp为囊体的压降；

所述囊体内起始相对压力p₁为起始时囊体内所加的空气总压力减去水蒸气分压力；

所述囊体内结束相对压力p₂为结束时囊体内所加的空气总压力减去水蒸气分压力p_ν。

2.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，当所述囊体为球形时，采用如下两种方法中的一种来获得囊体体积，当所述囊体为非球形时，采用下述方法二来获得囊体体积：

方法一：利用囊体材料力学参数，计算不同充气压力条件下囊体的半径R，

其中，R₀为零压差下囊体的设计半径，t为囊体材料的厚度，E为囊体材料的弹性模量，ν为囊体材料的泊松比，P为囊体内的压力；

根据所述半径R计算囊体的体积；

方法二：利用高精度三维激光扫描仪直接测量试验开始时和结束时囊体的真实体积。

3.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，在进行试验前，还包括通过充放气过程去除囊体预应力。

4.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，所述设置传感器的区域的获取过程为：

首先，通过流体力学仿真软件，仿真一个设定周期内，囊体内部气体的温度场分布情况及动态变化规律；

其次，通过在囊体内部多点布设温度传感器，校核温度场仿真结果正确性；选择温度变化最稳定、最能代表囊体内部气体温度的区域布设温度传感器；

最后，选择最能代表囊体内气体温度的传感器测量的温度的均值作为囊体内气体温度值。

5.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，保压试验条件如下：

(1)环境条件：试验区环境稳定，无明显强烈对流；

(2)天气条件：晴天，且试验期间天气过程平稳；

(3)温度条件：起始和结束点环境最高温度基本一致。

6.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，起始点和结束点数据选取为：

起始点数据选取：

当囊体压力升至试验规定工作压力，停止加载，让囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态，同时等待囊体内部压力平衡，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力、露点参数作为起始点数据；

结束点数据选取：

当试验接近或超过规定试验时间段时候后，且囊体内温度和压力稳定一段时间达到平衡态时，选取平衡态均值或典型中间值的囊体内外起始温度、压力、露点参数作为结束点数据。

7.根据权利要求1所述高气密性要求的大型飞艇囊体保压试验方法，其特征在于，当囊体压降无法精确评估时可增加保压试验时间。