(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065；2.上海慧程航空科技有限公司，上海 200241；3.昆山祺邁測(cè)控設(shè)備有限公司，昆山 215300)

飛機(jī)在飛行的過程中，其油箱長(zhǎng)期受到各種載荷的作用，在應(yīng)力集中區(qū)或原始缺陷處會(huì)產(chǎn)生裂紋；連接油箱結(jié)構(gòu)的各種緊固件會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、接縫處會(huì)產(chǎn)生縫隙；密封材料不僅會(huì)變形，甚至?xí)l(fā)生相對(duì)蠕動(dòng)而剝離，還會(huì)因老化變質(zhì)而發(fā)生密封失效。以上幾種情況的發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致燃油泄漏。泄漏的燃油不僅給運(yùn)營(yíng)商造成損失，同時(shí)污染環(huán)境，而且還會(huì)威脅飛行安全，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故[1]。

因此，油箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要滿足剛度和強(qiáng)度的要求，對(duì)其密封性能的要求也至關(guān)重要，目前分析油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能主要依靠的是試驗(yàn)手段，試驗(yàn)件完全按照結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況建造，結(jié)構(gòu)載荷來自于風(fēng)洞試驗(yàn)或有關(guān)規(guī)范，并通過精心設(shè)計(jì)合適的加載方法施加到考核結(jié)構(gòu)上，用于模擬飛行過程中的實(shí)際外部環(huán)境條件以及外載荷[2-3]。

油箱靜強(qiáng)度試驗(yàn)的增壓載荷采用充水與充氣結(jié)合的加壓方式，充水能夠縮短充放壓時(shí)間，并方便在試驗(yàn)過程中通過漏水區(qū)域查找油箱漏點(diǎn)，驗(yàn)證油箱的密封性能，這與外場(chǎng)通過漏油區(qū)域判定漏點(diǎn)的方法類似。但試驗(yàn)機(jī)油箱內(nèi)部有提前布置的用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)載荷或應(yīng)力變化的系統(tǒng)(如應(yīng)變片、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和光纖光柵傳感器等)，靜力試驗(yàn)周期不長(zhǎng)，對(duì)這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生太大影響，當(dāng)進(jìn)入疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)階段，監(jiān)測(cè)傳感器會(huì)被長(zhǎng)期浸泡而失效，且有些位置的傳感器是在結(jié)構(gòu)組裝前布置的，一旦損壞將無法重新修補(bǔ)，最終導(dǎo)致試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整。因此，油箱疲勞試驗(yàn)的增壓載荷僅采用充氣的加壓方式，但此種加載方式在試驗(yàn)中不易直觀發(fā)現(xiàn)油箱的漏點(diǎn)，而需要借助泄漏的檢測(cè)手段，盡早發(fā)現(xiàn)并密切關(guān)注泄漏點(diǎn)，為油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和外場(chǎng)服役的飛機(jī)檢修工作提供技術(shù)支持。

1 飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及漏油高發(fā)部位

飛機(jī)燃油箱按其構(gòu)造形式的不同分為3種：軟油箱、硬油箱和整體油箱。

現(xiàn)代飛機(jī)幾乎都采用機(jī)翼整體油箱，其由上下蒙皮、翼肋、翼梁通過緊固件連接，并進(jìn)行密封及防腐處理后組合形成，一般分布在飛機(jī)兩側(cè)的機(jī)翼上。其優(yōu)點(diǎn)是充分利用機(jī)體內(nèi)的容積，在增大儲(chǔ)油量的同時(shí)，保證飛機(jī)的質(zhì)量不增加。目前，軍、民用飛機(jī)越來越多采用復(fù)合材料機(jī)翼整體油箱的結(jié)構(gòu)，替代了鋁合金或鈦合金制作的整體加強(qiáng)壁板和骨架[4-5]。此種油箱結(jié)構(gòu)漏油的高發(fā)部位集中在密封膠存在的地方，即油箱結(jié)構(gòu)內(nèi)各部件的接縫和用于連接的緊固件附近，對(duì)這些部位的密切關(guān)注是查找泄漏點(diǎn)，進(jìn)行下一步修理工作的關(guān)鍵[1]。

2 油箱泄漏點(diǎn)的查找方法

飛機(jī)油箱接縫是在油箱內(nèi)部實(shí)現(xiàn)密封的，接縫處的連接形式不僅有搭接，還有夾層等，因此內(nèi)部密封膠損壞的位置(稱為內(nèi)漏點(diǎn))不會(huì)與從油箱外部看見的泄漏位置(稱為外漏點(diǎn))存在對(duì)稱關(guān)系，甚至?xí)x很遠(yuǎn)，比如外場(chǎng)帶油查漏和靜力試驗(yàn)中的漏水法，都是查找外漏點(diǎn)，但內(nèi)漏點(diǎn)才是油箱的真正泄漏源，是修補(bǔ)工作的關(guān)鍵[1]。

在生產(chǎn)和使用過程中，油箱外漏點(diǎn)的查找方法主要有帶油和增壓法兩種檢查方法。帶油查漏需要保持油箱滿油狀態(tài)，才能把所有漏點(diǎn)查找出來。增壓法查漏嚴(yán)格遵守維修手冊(cè)的數(shù)值增壓，并通過皂膜氣泡法進(jìn)行漏源定位。

強(qiáng)度試驗(yàn)中的油箱泄漏檢測(cè)，首先不能往油箱內(nèi)加液體，所以帶油查外漏點(diǎn)的方法不適用，增壓法在強(qiáng)度試驗(yàn)中實(shí)施方便，但通過涂抹肥皂泡尋找外漏點(diǎn)的方式效率低下，嚴(yán)重影響試驗(yàn)進(jìn)度。

常用的內(nèi)漏點(diǎn)查找方法有：目視檢查法、吹氣法(反吹法)、外部增壓法、抽真空法等。

(1)目視檢查法需要借助防爆燈、反光鏡等工具，此法很大程度上取決于檢查者的態(tài)度、經(jīng)驗(yàn)和對(duì)結(jié)構(gòu)的熟悉程度。

(2)吹氣法是在確定外漏點(diǎn)后，通過氣槍嘴對(duì)著外漏點(diǎn)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部吹進(jìn)40100 psi(1 psi=0.006 895 MPs)的壓縮空氣，檢查人員在油箱內(nèi)部相應(yīng)區(qū)域涂肥皂水，有連續(xù)起泡出現(xiàn)的地方為內(nèi)漏點(diǎn)。

(3)外部增壓法是在外漏點(diǎn)周圍罩上一個(gè)小的壓力罩盒，通入氣體，在壓力作用下檢漏氣體沿著泄漏縫隙進(jìn)入油箱，此時(shí)檢修人員進(jìn)入油箱內(nèi)部涂抹肥皂水，哪里連續(xù)起泡就說明哪里是內(nèi)漏點(diǎn)，也可以在壓力罩內(nèi)部通以檢漏液體，檢漏液體漏出的位置就是內(nèi)漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

(4)抽真空法是在外漏點(diǎn)處噴紅色滲透染色劑，然后對(duì)油箱進(jìn)行抽真空處理，形成內(nèi)外壓差后，染色劑就會(huì)沿著滲漏路徑被吸入，從內(nèi)漏點(diǎn)流出，并在相關(guān)規(guī)定允許的真空度下靜置一段時(shí)間后，檢測(cè)人員進(jìn)入油箱內(nèi)部，查找有紅色液體流出的部位，該部位即為內(nèi)漏點(diǎn)[5-8]。

目視檢測(cè)法和吹氣法受操作員的主觀因素影響較大，當(dāng)內(nèi)外漏點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)不易成功。強(qiáng)度試驗(yàn)中外部環(huán)境缺少有支撐點(diǎn)的地方，外部增壓法實(shí)施受到限制，真空法工作比較繁瑣，且負(fù)壓對(duì)結(jié)構(gòu)密封膠有潛在的破壞作用，一般在用其他方法無效時(shí)最后采用此法。

3 強(qiáng)度試驗(yàn)中泄漏方案的制定

強(qiáng)度試驗(yàn)中的查漏方案不僅要涵蓋內(nèi)外漏點(diǎn)的檢測(cè)，同時(shí)還要滿足泄漏率的檢出要求，目前油箱強(qiáng)度試驗(yàn)中，對(duì)泄漏率檢出的要求不能低于對(duì)外場(chǎng)帶油查漏法的要求。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：采用超聲泄漏和氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)不僅能滿足油箱泄漏率的檢出要求，而且適合在充氣加載方式下的試驗(yàn)環(huán)境中執(zhí)行。

3.1 超聲泄漏檢測(cè)

從物理學(xué)可知，氣體總是由高氣壓側(cè)流向低氣壓側(cè)，當(dāng)壓差只出現(xiàn)于小孔時(shí)，氣體產(chǎn)生的紊流將在小孔處產(chǎn)生超聲波。超聲泄漏檢測(cè)基于此原理，利用超聲波外部檢測(cè)裝置，接收來自密閉結(jié)構(gòu)漏孔位置產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，并通過比較顯示數(shù)值大小判斷密封狀況，精確定位泄漏點(diǎn)[9-10]。

圖1 超聲泄漏檢測(cè)儀對(duì)某飛機(jī)后機(jī)身實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖2 釘孔邊裂紋(滲透顯示特征)

油箱在充氣加載試驗(yàn)的過程中，內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)，一旦產(chǎn)生漏孔，氣體就會(huì)從漏孔處沖出，并產(chǎn)生超聲波。圖1為利用超聲泄漏檢測(cè)儀對(duì)疲勞試驗(yàn)中某飛機(jī)后機(jī)身進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)身釘孔邊存在裂紋(參考圖2裂紋滲透顯示特征)，圖3為儀器顯示完好區(qū)與裂紋區(qū)的超聲泄漏檢測(cè)結(jié)果，可以看出裂紋處泄漏的超聲信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于完好區(qū)的。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲泄漏檢測(cè)不僅現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)，而且在不停機(jī)的狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)外漏點(diǎn)的實(shí)時(shí)查找，大大縮短了試驗(yàn)停機(jī)的檢查時(shí)間，靈敏度比油密檢測(cè)靈敏度略高。

3.2 氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)

氦氣無毒、無味，是一種不與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體。氦氣相對(duì)分子質(zhì)量較小，具有很強(qiáng)的穿過微小裂縫的能力；同時(shí)氦氣在空氣中的濃度很低，因此氦氣在空氣中的含量有微小增加也可以用儀器檢測(cè)到。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)就是基于氦氣的特點(diǎn)，在漏點(diǎn)處人工形成了一個(gè)壓力空間，氦氣在壓力差的作用下可以穿過滲漏通道，并通過探測(cè)氦氣濃度的變化確定漏點(diǎn)的位置[11-12]。

圖4為氦質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于油箱肋板的滲漏檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)外漏點(diǎn)選擇不同的局部充氣接頭，并對(duì)準(zhǔn)外漏點(diǎn)注入氦氣，在注入氦氣位置對(duì)應(yīng)的油箱內(nèi)側(cè)使用便攜式氦探測(cè)儀在可疑區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)局部氦氣濃度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，檢漏儀報(bào)警，根據(jù)此時(shí)的探測(cè)器位置，可以準(zhǔn)確定位油箱內(nèi)部的泄漏源，即燃油滲漏的內(nèi)漏點(diǎn)。

圖4 氦質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于油箱肋板的滲漏檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

在強(qiáng)度試驗(yàn)中，對(duì)泄漏點(diǎn)修補(bǔ)完成后，可以通過氦氣整體氣密試驗(yàn)進(jìn)行修補(bǔ)工作的驗(yàn)證：將油箱內(nèi)部充入一定氦氣，使容器內(nèi)氣體內(nèi)部壓力高于外部大氣壓，若無氦氣泄漏，表明修補(bǔ)工作成功；若吸槍仍能檢測(cè)到氦氣泄漏，就要對(duì)內(nèi)漏點(diǎn)進(jìn)行重新檢測(cè)和修補(bǔ)(見圖5)。在國外，通常采用該方式對(duì)外場(chǎng)飛機(jī)油箱修補(bǔ)品質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以做到和加注燃油同樣的檢漏效果。其檢測(cè)靈敏度大大高于油密檢測(cè)的。

圖5 氦氣免油質(zhì)檢系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

3.3 方案

圖6為基于以上理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)油箱充壓加載試驗(yàn)制定的油箱強(qiáng)度試驗(yàn)中的漏點(diǎn)檢修方案。首先在試驗(yàn)不停機(jī)的狀態(tài)下，利用超聲泄漏儀對(duì)油箱外部進(jìn)行不定期的實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦儀器顯示的數(shù)值超出設(shè)定的安全閾值，確認(rèn)為外漏點(diǎn)，并進(jìn)行試驗(yàn)停機(jī)，采用氦質(zhì)譜檢漏確認(rèn)內(nèi)漏點(diǎn)，接著進(jìn)行油箱修理，最后通過氦氣整體氣密試驗(yàn)進(jìn)行修補(bǔ)品質(zhì)評(píng)估。

圖6 強(qiáng)度試驗(yàn)中的油箱檢查及修理方案流程圖

4 結(jié)語

通過調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于泄漏檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用成果，結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)中油箱檢漏特點(diǎn)，制定出強(qiáng)度試驗(yàn)中油箱泄漏的檢查方案，較以往方法，該方案不僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查找漏點(diǎn)位置的功能，而且檢測(cè)靈敏度完全符合航空產(chǎn)品對(duì)泄漏率檢出的要求。對(duì)保證飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度試驗(yàn)的成功，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生非預(yù)期的災(zāi)難性破壞起到關(guān)鍵作用。