本发明公开了一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，将真空泵和氦质谱检漏仪接入真空管路，以排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，并保证测试过程中氦质谱检漏仪可采集到渗漏气体；真空泵对测试罐和密封罐的空间抽真空直至氦质谱检漏仪示数为零，向密封罐中注入液氦，通过观察液位计示数变化；观察并记录氦质谱检漏仪示数变化，得到复合材料在低温环境下的渗漏性能。本发明的渗漏性测试方法能够高度还原大型航天复合材料构件服役时所处低温环境，实现对复合材料构件进行低温渗漏性检测，为大型航天复合材料构件的高品质制造和耐极端环境复合材料体系的研发提供了必要的检测方法。
1.一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，其特征在于，所述测试方法包括使用一种复合材料构件的渗漏性测试装置，所述测试装置包括液氦瓶(1)、真空泵(2)、氦质谱检漏仪(4)、液位计(7)、测试罐(14)和用于放置复合材料构件(18)的密封罐(16)，所述测试罐包括罐体和用于密封所述罐体的顶盖(11)，所述罐体内设置有透气隔板(17)，所述顶盖上设有氦注入口A(6)和排气口A(10)，所述液氦瓶通过管道与所述氦注入口A(6)相连，所述真空泵通过真空管路(3)与所述氦质谱检漏仪相连，所述氦质谱检漏仪通过真空管路(3)与所述罐体的真空抽气口相连，所述密封罐(16)设置在所述透气隔板上，所述密封罐的底板上设有台阶开孔，所述复合材料构件设置在所述台阶开孔处并与所述密封罐密封连接，所述密封罐的氦注入口B(20)和排气口B(21)分别通过管道与所述测试罐的氦注入口A(6)和排气口A(10)相连，所述氦注入口B和排气口B均设置在所述密封罐的上盖(22)上，所述液位计设置在所述密封罐的上盖(22)上用于测量注入密封罐内的液氦的高度；
所述测试方法包括首先将待测试的复合材料构件(18)置于底部具有台阶开孔的密封罐(16)内，并使得所述待测试的复合材料构件与台阶开孔处密封连接，将密封罐放于测试罐(14)中的透气隔板(17)上，将密封罐上的氦注入口B与排气口B分别与所述测试罐上的氦注入口A(6)与排气口A(10)对应连通，关闭所述测试罐的顶盖(11)；然后将液氦瓶(1)与测试罐上的所述氦注入口A通过管道连通；打开真空泵与氦质谱检漏仪，先排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，对所述测试罐和所述密封罐之间的空间抽真空直至氦质谱检漏仪示数为零或稳定地低于某个数值时，保持真空泵与氦质谱检漏仪的开启状态，测试开始；打开液氦瓶阀门，控制液氦小流量注入密封罐中预冷，使密封罐内的温度迅速降低，挥发的液氦通过排气口B和排气口A排出；一段时间后加大液氦注入量，观察液位计(7)示数变化；观察并记录氦质谱检漏仪示数变化，得到复合材料构件在低温环境下的渗漏性能；测试完毕后，关闭液氦瓶阀门、真空泵及氦质谱检漏仪，待密封罐中液氦自然挥发。
2.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，打开液氦瓶阀门向密封罐中注入液氦之前，所述测试罐和所述密封罐之间的空间抽真空至-0.05～-0.1MPa。
3.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，当密封罐中液氦液位高于密封罐高度的50％～60％时，适当关小液氦瓶阀门，排气口A和排气口B则一直保持开启状态。
4.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述透气隔板(17)为带有若干通气孔的不锈钢板，所述透气隔板水平且高度可调地设置在所述测试罐内。
5.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述真空抽气口设置在所述罐体的侧壁上，所述真空抽气口上设有快速接头(5)，所述氦质谱检漏仪通过真空管路(3)与所述快速接头相连。
6.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述台阶开孔包括从密封罐底板顶部向下凹进的第一开孔和从第一开孔的底面向下贯穿所述密封罐底板的第二开孔，所述第一开孔的形状与所述复合材料构件(18)的形状相适配，且所述第二开孔和第一开孔之间形成用于支撑所述复合材料构件的支撑台阶。
7.根据权利要求6所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述复合材料构件设置在支撑台阶上，所述复合材料构件通过密封胶(19)与所述密封罐底板密封连接。
8.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述罐体的正面设有用于监测罐内状态及确认各仪表数值是否正常的视窗(12)。
9.根据权利要求1所述的渗漏性测试方法，其特征在于，所述测试罐的顶盖(11)上还设有便于打开所述测试罐的顶盖把手(8)，排气口A(10)处设有用于调节排气量大小的阀门。
一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及检测材料渗漏性能的方法技术领域，特别地，涉及一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法。
背景技术
[0002] 航天运载器作为能够将人造卫星、空间站、飞船等太空装置送入宇宙空间的重要飞行载具，是一个国家航天科技水平的重要标志。未来航天器及运载火箭的发展趋势是具备高运载能力，同时最大程度降低其制造成本，例如低成本航天器、可重复使用飞行器、单级入轨等航天器，这就需要将航天器的发射总重量降到最低。为了实现高运载力、低成本航天器的发展，首先必须解决的就是飞行器整体重量过大的问题。推进剂贮箱作为运载火箭的主要组成部分之一，占据了很大的空间，是主要的减重部件。
[0003] 低温复合材料贮箱的发展是进行下一代空间探索和创造新型运载火箭的关键一步。目前，世界上主流的航空运载器均尝试使用复合材料来降低整机的重量以及生产成本，部分发达国家已成功将其应用在航天飞行器低温贮箱的制造之中。传统的低温燃料贮箱大都是由金属材料(例如高强铝合金等)通过焊接工艺制备而成，但是随着复合材料技术的高速发展以及在航空航天领域的逐步应用，特别是冷热循环力学性能优良的复合材料体系的不断研发，使得无内衬全复合材料低温贮箱成为航天运载器轻质化的主要发展方向。复合材料相比于金属材料，具有更高的比强度和比模量，同时兼具优良的抗疲劳性能。复合材料低温贮箱能够实现比目前的铝合金制贮箱低20-40％的减重目标，且其所采用的各种先进成型工艺可以大幅度减少零部件的装配，很大程度上提高了生产效率、缩短了生产周期，达到了降低生产成本的目的。然而，由于航天运载器贮箱内部盛放的低温介质(如液氧、液氢)的小分子特性，极易通过贮箱的制造缺陷渗入材料内部；同时，为了维持低温燃料的液体状态，贮箱内一般存在0.2-0.3MPa的压力，箱体内外的巨大压差及长期承受冷热交变循环应力等复杂工况会使得材料内部产生微裂纹，微裂纹的不断扩展和连通会引起低温介质渗漏的问题，最后导致贮箱失效并破坏。因此，在服役前对复合材料贮箱及试样进行常、低温渗漏性测试是十分必要的。
[0004] 目前，国内普遍采用的复合材料渗漏性测试方法是基于GB/T 1038-2000的压差法。此方法适用于测定塑料薄膜和薄片的气体透过量和气体透过系数。利用塑料薄膜或薄片将高、低压室分隔开，向高压室中充入0.1MPa的试验气体，将试样密封后用真空泵将低压室中的空气抽到接近零值。采用测压计测量低压室内的压力增量，即可确定试验气体由高压室透过膜/片至低压室的以时间为函数的气体量。此方法可用于大部分气体的透过量测定，具有一定普适性；但是气体的透过量需要进行后续计算处理，步骤繁琐且会引入误差；同时，此方法仅可进行常温下气体透过量的测定，不涉及低温下液体渗漏性的测试。
[0005] 本领域的技术人员对上述测试方法进行改进用于在常温或低温下检测材料的渗漏性能，例如申请号为CN201610810397.X的发明专利申请公开了一种在常温或低温下检测材料渗漏性能的方法和装置，该方法和装置基于压差法和荧光法双重原理，在测试试样的上表面覆盖荧光检漏液并通入指定压力的高压气体，根据下表面的气体压力变化计算试样的气体透过量，并通过紫外光照射试样下表面观察荧光渗漏情况，以确定渗漏位置。此外，通过将荧光剂与液氮混合制备得到低温荧光检漏液，可实现低温下材料渗漏性能的检测。但是，该方法仍然需要通过气体压力变化计算试样的气体透过量，步骤繁琐且不直观；同时，利用混合制备得到的低温荧光检漏液只是简单覆盖在试样表面，因此得到的低温渗漏检测结果也有偏差。
[0006] 另外，申请号为CN201811612392.1的发明申请公开了一种环网柜SF6气箱氦检系统及方法，适用对10kV环网柜SF6气箱进行干式检漏。该系统包括用于放置被检工件的真空箱检漏装置、用于向真空箱检漏装置和被检工件充氦气和回收氦气的氦回收装置、用于对被检工件检漏的氦质谱检漏仪以及用于控制氦回收装置和氦质谱检漏仪的PLC。该系统虽然能够利用氦气和氦质谱检测仪在常温下判断出被检工件是否合格，但该系统也不能模拟复合材料贮箱所需要的低温环境。
[0007] 因此，本领域有必要针对航天复合材料构件在极低温度下的渗漏性能和预防改进措施做出研究。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，以解决现有技术中的复合材料渗漏性能检测方法不能够高度还原大型航天复合材料构件服役时所处低温环境的问题。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，所述测试方法包括使用一种复合材料构件的渗漏性测试装置，所述测试装置包括液氦瓶、真空泵、氦质谱检漏仪、液位计、测试罐和用于放置复合材料构件的密封罐，所述测试罐包括罐体和用于密封所述罐体的顶盖，所述罐体内设置有透气隔板，所述顶盖上设有氦注入口A和排气口A，所述液氦瓶通过管道与所述氦注入口A相连，所述真空泵通过真空管路与所述氦质谱检漏仪相连，所述氦质谱检漏仪通过真空管路与所述罐体的真空抽气口相连，所述密封罐设置在所述透气隔板上，所述密封罐的底板上设有台阶开孔，所述复合材料构件设置在所述台阶开孔处并与所述密封罐密封连接，所述密封罐的氦注入口B和排气口B分别通过管道与所述测试罐的氦注入口A和排气口A相连，所述氦注入口B和排气口B均设置在所述密封罐的上盖上，所述液位计设置在所述密封罐的上盖上用于测量注入密封罐内的液氦的高度；
[0010] 所述测试方法包括首先将待测试的复合材料构件置于底部具有台阶开孔的密封罐内，并使得所述待测试的复合材料构件与台阶开孔处密封连接，将密封罐放于测试罐中的透气隔板上，将密封罐上的氦注入口B与排气口B分别与所述测试罐上的氦注入口A与排气口A对应连通，关闭所述测试罐的顶盖；然后将液氦瓶与测试罐上的所述氦注入口A通过管道连通；打开真空泵与氦质谱检漏仪，先排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，对所述测试罐和所述密封罐之间的空间抽真空直至氦质谱检漏仪示数为零或稳定地低于某个数值时，保持真空泵与氦质谱检漏仪的开启状态，测试开始；打开液氦瓶阀门，控制液氦小流量注入密封罐中预冷，使密封罐内的温度迅速降低，挥发的液氦通过排气口B和排气口A排出；一段时间后加大液氦注入量，观察液位计示数变化；观察并记录氦质谱检漏仪示数变化，得到复合材料构件在低温环境下的渗漏性能；测试完毕后，关闭液氦瓶阀门、真空泵及氦质谱检漏仪，待密封罐中液氦自然挥发。
[0011] 优选的，打开液氦瓶阀门向密封罐中注入液氦之前，所述测试罐和所述密封罐之间的空间抽真空至-0.05～-0.1MPa。
[0012] 优选的，当密封罐中液氦液位高于密封罐高度的50％～60％时，适当关小液氦瓶阀门，排气口A和排气口B则一直保持开启状态。
[0013] 优选的，所述透气隔板为带有若干通气孔的不锈钢板，所述透气隔板水平且高度可调地设置在所述测试罐内。
[0014] 优选的，所述真空抽气口设置在所述罐体的侧壁上，所述真空抽气口上设有快速接头，所述氦质谱检漏仪通过真空管路与所述快速接头相连。
[0015] 优选的，所述台阶开孔包括从密封罐底板顶部向下凹进的第一开孔和从第一开孔的底面向下贯穿所述密封罐底板的第二开孔，所述第一开孔的形状与所述复合材料构件的形状相适配，且所述第二开孔和第一开孔之间形成用于支撑所述复合材料构件的支撑台阶。
[0016] 优选的，所述复合材料构件设置在支撑台阶上，所述复合材料构件通过密封胶与所述密封罐底板密封连接。
[0017] 优选的，所述罐体的正面设有用于监测罐内状态及确认各仪表数值是否正常的视窗。
[0018] 优选的，所述测试罐的顶盖上还设有便于打开所述测试罐的顶盖把手，排气口处设有用于调节排气量大小的阀门。
[0019] 相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0020] 本发明的航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，将真空泵和氦质谱检漏仪接入真空管路，以排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，并保证测试过程中氦质谱检漏仪可采集到渗漏气体；真空泵对测试罐和密封罐之间的空间抽真空直至氦质谱检漏仪示数为零或稳定地低于某个数值时，打开液氦瓶阀门，控制液氦小流量注入密封罐中预冷，使密封罐温度迅速降低，挥发的液氦可通过排气口排出；一段时间后加大液氦注入量，观察并记录氦质谱检漏仪上渗漏率的数值，即可直观的反映复合材料构件的渗漏性能。本发明针对大型航天复合材料构件所处的复杂极端服役条件下可能产生的低温介质渗漏的问题，基于GB/T1038-2000，设计了一种能够高度还原航天复合材料构件服役时所处低温环境的渗漏性测试方法，实现对复合材料构件进行低温渗漏性检测；本发明通过引入真空泵和氦质谱检漏仪，可排除环境、材料中气体和水蒸气对压差法测试结果的影响，准确、直观的反映不同条件下试验件的渗漏性能，为大型航天复合材料构件耐极端环境复合材料体系的研发提供了必要的检测方法。
[0021] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0022] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0023] 图1是本发明中一种复合材料构件的渗漏性测试装置优选实施例的结构示意图；
[0024] 图2是图1中密封罐的放大结构示意图；
[0025] 其中，1、液氦瓶、2、真空泵，3、真空管路，4、氦质谱检漏仪，5、快速接头，6、液氦注入口，7、液位计，8、顶盖把手，10、排气口，11、顶盖，12、视窗，13、复合材料贮箱，14、测试罐，16、密封罐，17、透气隔板，18、复合材料构件，19、密封胶，20、氦注入口B，21、排气口B，22、上盖。
具体实施方式
[0026] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0027] 参见图1和图2，本发明的一种航天复合材料构件在低温环境下的渗漏性测试方法，测试方法包括使用一种复合材料构件的渗漏性测试装置，测试装置包括液氦瓶1、真空泵2、氦质谱检漏仪4、液位计7、测试罐14和用于放置复合材料构件18的密封罐16，测试罐包括罐体和用于密封罐体的顶盖11，罐体内设置有透气隔板17，顶盖上设有氦注入口A6和排气口A10，液氦瓶通过管道与氦注入口A6相连，真空泵通过真空管路3与氦质谱检漏仪相连，氦质谱检漏仪通过真空管路3与罐体的真空抽气口相连，密封罐16设置在透气隔板上，密封罐的底板上设有台阶开孔，复合材料构件设置在台阶开孔处并与密封罐密封连接，密封罐的氦注入口B20和排气口B21分别通过管道与测试罐的氦注入口A6和排气口A10相连，氦注入口B和排气口B均设置在密封罐的上盖22上，液位计设置在密封罐的上盖22上用于测量注入密封罐内的液氦的高度。
[0028] 测试方法包括首先将待测试的复合材料构件18置于底部具有台阶开孔的密封罐16内，并使得待测试的复合材料构件与台阶开孔处密封连接，将密封罐放于测试罐14中的透气隔板17上，将密封罐上的氦注入口B与排气口B分别与测试罐上的氦注入口A6与排气口A10对应连通，关闭测试罐的顶盖11；然后将液氦瓶1与测试罐上的氦注入口A通过管道连通；打开真空泵与氦质谱检漏仪，先排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，对测试罐和密封罐之间的空间抽真空直至氦质谱检漏仪示数为零或稳定地低于某个数值时，保持真空泵与氦质谱检漏仪的开启状态，测试开始；打开液氦瓶阀门，控制液氦小流量注入密封罐中预冷，使密封罐内的温度迅速降低，挥发的液氦通过排气口B和排气口A排出；一段时间后加大液氦注入量，观察液位计7示数变化；观察并记录氦质谱检漏仪示数变化，得到复合材料构件在低温环境下的渗漏性能；测试完毕后，关闭液氦瓶阀门、真空泵及氦质谱检漏仪，待密封罐中液氦自然挥发。
[0029] 本实施例中，打开液氦瓶阀门向密封罐中注入液氦之前，测试罐和密封罐之间的空间抽真空至-0.05～-0.1MPa。当密封罐中液氦液位高于密封罐高度的50％～60％时，适当关小液氦瓶阀门，排气口A和排气口B则一直保持开启状态。
[0030] 本实施例中，由于液态氦注入过程中会挥发，会使贮箱内的压力增大，因而在装置中设置排气口A和排气口B，及时排除由液氦中挥发的氦气，保持液氦在一定的高度，使得密封罐中的液氦保持注入和挥发而形成一个动态的平衡过程。
[0031] 在本实施例中，台阶开孔包括从密封罐底板顶部向下凹进的第一开孔和从第一开孔的底面向下贯穿密封罐底板的第二开孔，第一开孔的形状与复合材料构件18的形状相适配，且第二开孔和第一开孔之间形成用于支撑复合材料构件的支撑台阶。该结构设置中，复合材料构件可以是任意形状；复合材料构件的周边设置密封胶，以复合材料使构件与密封罐之间能够密封；具体地，密封罐底板上的第二开孔的大小略小于复合材料构件的大小，以免复合材料构件从开孔处掉落。在航天推进剂应用的低温状态下，密封胶处的泄漏相对于复合材料构件处的泄漏也可以忽略不计。
[0032] 在本实施例中，测试罐内设置有测试罐内的透气隔板17，透气隔板的中心部设置有定位孔。透气隔板能够将密封罐平稳的放置于测试罐中的合适位置，以便于操作和测试；隔板的透气性设计是为了在真空泵工作时方便将隔板上下空间全部抽真空，创造测试罐内的整体真空环境。
[0033] 在本实施例中，测试罐和密封罐均由低碳合金钢制成。
[0034] 在本实施例中，排气口处A可以设置有阀门，以便调节排气口A处排气的大小。测试罐的正面设有视窗12，用于监测罐内状态及确认各仪表数值是否正常的。
[0035] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
