一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置的制作方法

本实用新型涉及检测材料渗漏性能的装置技术领域，特别地，涉及一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置。

背景技术：

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。

低温复合材料构件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构件及试样进行常、低温渗漏性测试是十分必要的。

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。

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。

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，但该系统显然不能用于航天低温复合材料构件在低温条件下的渗漏性测试。

因此，本领域有必要针对航天低温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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，以解决现有技术中的料渗漏性能检测装置不能够高度还原复合材料构件服役时所处低温环境的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，所述渗漏性测试装置用于检测航天低温复合材料构件在低温下的渗漏性能，所述渗漏性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，所述测试罐内设置有透气隔板，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。

优选的，所述渗漏性测试装置还包括能用于检测航天低温复合材料构件在常温下的渗漏性能的氦气瓶、压力表和三通阀，所述三通阀设置在所述液氦瓶和所述氦注入口A之间的管路上，所述氦气瓶通过管道与所述氦注入口A相连，所述压力表设置在所述密封罐上用于时刻监测密封罐内气体的压强。

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。

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。

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。

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。

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。

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，所述排气口A处设有用于调节排气量大小的阀门。

优选的，所述测试罐和密封罐均由低碳合金钢制成。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

(1)、本实用新型的用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，包括液氦瓶、真空泵、氦质谱检漏仪、液位计、测试罐和密封罐，测试罐内设置有透气隔板，测试罐的顶盖上设有氦注入口A和排气口A，液氦瓶通过管道与氦注入口A相连，真空泵通过真空管路与氦质谱检漏仪相连，氦质谱检漏仪通过真空管路与罐体的真空抽气口相连，密封罐设置在透气隔板上，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B和排气口B分别通过管道与测试罐的氦注入口A和排气口A相连，液位计设置在密封罐上用于测量注入密封罐内的液氦的高度。本实用新型针对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复合材料构件服役时所处低温环境的渗漏性测试装置，实现对复合材料构件进行低温渗漏性检测；本实用新型通过引入氦质谱检漏仪，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，为耐极端环境复合材料体系的研发提供了必要的检测装置。

(2)、本实用新型的用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，还包括氦气瓶、压力表和三通阀，三通阀设置在液氦瓶与氦注入口A之间的管路上，氦气瓶通过管道与测试罐的三通阀相连，压力表设置在复合材料构件上用于时刻监测密封罐内气体的压强。该结构设置使得本实用新型的渗漏性测试装置，除能对复合材料构件进行低温渗漏性检测以外，还能够用于对复合材料构件进行常温渗漏性检测。

(3)、本实用新型的用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，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。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型中实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型中实施例1中密封罐的放大结构示意图；

图3是本实用新型中实施例2的结构示意图；

图4是本实用新型中实施例2中密封罐的放大结构示意图；

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、氦注入口A，7、液位计，8、顶盖把手，9、压力表，10、排气口A，11、顶盖，12、视窗，14、测试罐，15、氦气瓶，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，23、三通阀。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1和图2，本实用新型的一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置，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，真空泵用于将测试罐与密封罐之间的空间抽真空，以排除空气中的氦气成分对测试结果的影响，保证氦质谱检漏仪检测到的氦气成分都是由密封罐内渗漏而出的。优选的，真空抽气口设置在罐体的侧壁上，真空抽气口上设有快速接头5，氦质谱检漏仪通过真空管路3与快速接头相连。

密封罐设置在透气隔板上，且密封罐16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顶盖22上用于测量注入密封罐内的液氦的高度。本实施例的渗漏性测试装置中，由于液态氦注入过程中会挥发，会使密封罐内的压力增大，因而在装置中设置排气口A和排气口B，以及时排出由液氦中挥发的氦气，保持密封罐中的液氦在一定的高度，使得液氦保持注入和挥发而形成一个动态的平衡过程。

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且形状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。

在本实施例中，透气隔板为带有若干通气孔的不锈钢板，透气隔板水平且高度可调地设置在测试罐内。透气隔板用于支撑密封罐，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。

在本实施例中，测试罐的罐体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。测试罐的顶盖上还设有便于打开测试罐的顶盖把手8，排气口A10处设有用于调节排气量大小的阀门。

在一种具体的实施例中，测试罐和密封罐均由低碳合金钢制成。

利用本实施例的渗漏性测试装置对航天低温复合材料偶见在低温环境下进行渗漏性能测试，测试方法具体为：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，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，挥发的液氦可通过排气口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。

实施例2

参见图3和图4，在上述实施例1的基础上：本实施例的渗漏性测试装置还包括能用于检测航天低温复合材料构件在常温下的渗漏性能的氦气瓶15、压力表9和三通阀23，三通阀23设置在液氦瓶1和氦注入口A6之间的管路上，氦气瓶通过管道与三通阀相连，压力表设置在密封罐上，用于时刻监测密封罐内气体的压强。该结构设置通过三通阀让氦源可以更方便和安全地在液氦瓶1和氦气瓶15之间切换，使得本实施例的渗漏性测试装置，除能对复合材料构件进行低温渗漏性检测以外，还能够用于对低温复合材料构件进行常温渗漏性检测。

在上述实施例1的基础上，利用本实施例的渗漏性测试装置对航天低温复合材料构件在常温环境下进行渗漏性能测试的具体方法为：首先操作三通阀23，使氦气瓶16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且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；打开氦气瓶阀门向密封罐中注入氦气，当从压力表9得知密封罐内压力达到一定值时，关闭氦气瓶的阀门，停止向密封罐中注入氦气，观察并记录氦质谱检漏仪上渗漏率的数值；测试完毕后，关闭真空泵和氦质谱检漏仪，打开排气口A10，即可快速排出密封罐内的氦气。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。