空间环境模拟器泄漏声发射检测技术研究

摘要

随着我国载人航天技术的发展和人类航天活动的日益频繁，航天器作为航天活动的重要载体，直接维系着航天探索活动的成败。空间环境模拟器可以模拟太空环境下独有的超低温、高真空等特征，是航天器的关键试验和测试设备之一，能够为航天器提供空间环境测试条件，也是航天器发射前的重要保障设施。空间环境模拟器的泄漏检测技术是航天器空间环境试验技术的关键组成部分，其密闭性直接关系到航天器的发射可靠性。
　　我国现有的空间环境模拟器泄漏检测仍以气泡法和真空氦质谱检漏法为主，检测效率低，检测范围小，无法满足快速检测和定位的需求。本文结合国家载人航天领域对空间环境测试技术的重大需求，针对空间环境模拟器泄漏检测和定位，研究基于声发射原理的泄漏检测方法，与中国航天科技集团某所合作开展了多项现场实验，获取了有益的研究成果。主要内容包括：
　　1、研究了气体泄漏声发射信号的产生机理，结合空间环境模拟器的泄漏机理，建立了空间环境模拟器泄漏模型，利用有限元仿真进行了空间环境模拟器泄漏的流场数值模拟和声场数值模拟，研究了泄漏量参数如泄漏流速、泄漏压差、泄漏声场与漏孔孔径和漏孔形状等泄漏孔参数之间的对应关系。
　　2、以泄漏产生的连续型声发射信号为对象，利用频谱分析、小波包分解和参数特征分析等方法，明确了连续型声发射信号的有效表征特征参数，研究了空间环境模拟器气体泄漏条件与声发射信号特性之间的内在联系，分析了不同孔径漏孔气体泄漏声发射信号的幅值、频谱和小波包归一化能量特征分布。
　　3、分析了空间环境模拟器背景噪声信号和泄漏信号的声学特性，研究了基于混沌理论的微小泄漏检测方法，利用环形耦合Duffing混沌振子理论模型和Simulink检测系统，提高了微小泄漏检测条件下的灵敏度，现场数据分析验证了基于混沌理论的微小泄漏检测的有效性。
　　4、结合真空环境下空间环境模拟器气体持续泄漏现象的特点，提出了一种基于波束合成算法的连续声源定位方法，并结合阵列信号处理理论对不同传感器拓扑结构的阵列导向矢量进行了深入研究，比较了线阵、双线阵、圆阵和方阵等不同传感器布放型式的优缺点；确定了L型传感器阵列拓扑模型结构适合于气体泄漏声发射源的定向测量，结合对该方法现场实验数据定位误差的分析结果，证明了本文所提出的基于波束合成算法的连续声源定位方法的有效性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章绪 论

1.1航天器泄漏的危害及应对措施

1.2空间环境模拟器泄漏检测技术研究现状

1.3基于声发射原理的空间环境模拟器泄漏检测

1.4课题研究的意义及主要研究内容

第二章 空间环境模拟器泄漏声发射机理

2.1空间环境模拟器气体泄漏模型

2.2空间环境模拟器泄漏流场特性

2.3空间环境模拟器泄漏声场特性

2.4小结

第三章 气体泄漏声发射信号特征分析

3.1气体泄漏信号获取

3.2平均频谱

3.3波形特征参数

3.4小波包归一化能量

3.5小结

第四章 强背景噪声下的气体泄漏检测技术

4.1微小气体泄漏的声学特性

4.2基于混沌理论的微小气体泄漏检测

4.3微小泄漏实验

4.4小结

第五章 气体泄漏连续声源定位方法

5.1传统声源定位算法应用于气体泄漏检测的局限性

5.2连续声源定向实现

5.3声发射传感器阵列拓扑结构优化

5.4气体泄漏连续声源定向

5.5气体泄漏连续声源定位

5.6小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢