引言
气密性是检验浮空器的一项重要技术指标，关系到浮空器的飞行安全性、持续性、经济性。复杂大气环境下安全气囊气密性的检测和预测一直是技术难点。传统的检测方法采用直接压力法，根据气囊压差的变化来判断气囊是否泄漏，没有考虑大气环境对检测结果的影响。本文旨在探索复杂大气环境下浮空器氦气泄漏预测方法，分析浮空器氦气泄漏机理。
一、浮空器概述
浮空器是一种比空气轻、依赖大气浮力的飞行器，包括系留气球和飞艇。系留气球通过系留电缆与地面设备或站点连接。系留气球内通常没有动力系统，而飞艇上通常装有动力装置，可以在遥控或自动控制下自主飞行。浮空器因其留空能力强、定点性能好、对起降空间要求低、飞行安静、有效载荷大等特点，成为军事和民用诸多具体应用领域的首选。在军事方面，浮空器主要应用于侦察监视、预警探测、电子对抗、通信中继、导航定位、军事运输等领域；在民政方面，浮空器在电力架线、地理信息等领域发挥着越来越重要的作用测绘、环境监测、交通指挥、气象探测、救灾、禁毒安全、电视广播等与依靠空气动力升空的飞机、直升机等飞机相比，浮空器有其独特的性能和优势，这使得各国的研究机构和公司都在为其研发和应用展开竞争。
二、浮空器囊体材料氦气泄漏研究现状
随着科学的进步，惰性气体氦气制备技术日趋成熟，使得采用氦气代替氢气成为浮空气囊的填充气体，有效提高了浮空器的安全性能。浮空器再次凭借其特有优点，在军民领域广泛应用，市场需求呈增长状态，成为近年来国内外研究热点。美国、欧洲、日本、韩国等发达国家和地区以及中国、印度、南非等发展中国家加大了浮空器的研发投入，超过 100 家的公司以及团队投入于浮空器的研制工作，推进浮空器再一次进入了快速发展时期，尤其在军事领域，浮空器研发装备竞争更加激烈。
三、浮空器囊体材料氦气泄漏模型建立
3.1囊体材料结构特点
3.1.1 防护层结构
浮空器囊体材料其防护层为聚氟乙烯膜，是一种均质致密膜。该膜具有独特的一些性能，包括卓越的耐风化性能，优异的力学性能，以及对各种化学物品、溶剂、染色剂的耐腐蚀性。一般在膜内添加吸收颗粒如TiO颗粒等，能够有效屏蔽波长为290～350nm的紫外线，且该膜内不含有增塑剂，因此该膜具有良好的抗老化性能，在不同温度范围内可以保持住强度和柔韧性。该膜的缺点是低温下其阻氦性不是特别好，使得该膜不能单一满足低温下蒙皮材料的阻氦性，尤其是当平流层温度降低至-75℃时，需要确保囊体材料的氦气渗透率仍然维持在很低的水平。
2.1.2 阻氦层结构
阻氦层结构囊体皮材料中处于中间位置，所使用的材料为聚乙烯对苯二酸酯，该膜对许多的化学试剂、溶剂、浸渍剂和油漆等都有良好的抗腐蚀作用，几乎不渗透液态溶剂分子，并且对气态分子也有着非常好的阻隔作用，因此常用其作为密封用的薄膜结构。
2.1.3 承力层结构
一般承力层是囊体材料结构中厚度最大，占据体积最多的结构层。不同的囊体材料承力层的位置不一样，有些处于内部层，有些处于中间层，然而承力层都几乎体现囊体材料全部的力学性能。承力层由轻质、高强度的纤维编织而成，通常有芳香族聚酯纤维、芳纶、涤纶及聚对苯撑苯并二恶唑等。为了降低囊体材料的总重量和氦气渗透率，平流层浮空器囊体材料一般使用不加捻的纤维束，编织方式也包括平纹、斜纹等方式。
3.2囊体材料氦气微观渗透机制
3.2.1溶解扩散机制
气体在致密聚合物膜中的传递过程满足溶解扩散模型，此模型认为气体透过膜的过程分以下三步∶
（1） 气体分子在气体与膜的界面处吸附并溶解，是吸着过程;
（2） 吸附在膜表面的气体在浓度梯度的推动下沿着气体浓度低的方向扩散，是扩散过程;
（3） 气体分子从膜的另一个表面解析，是解析过程。
3.2.2多层渗透机制
根据囊体材料各层不同的氦气渗透模式，防护层和阻氦层聚酯薄膜采用溶解扩散模型，承力层纤维复合膜采用多孔黏性流动模型分别解释了氦气的微观渗透机制，得到了氦气在各层内扩散的等效渗透率。氦气从囊体材料内部泄漏到外空间的过程中，需要依次通过囊体材料结构每一层的渗透路径，因此可以综合各层的模型来预测总体氦气的渗透情况。
四、基于等效差压法的泄露检测研究
4.1等效压差方法概述
等效差压法是建立初始条件完全相同且互相独立的泄漏气囊模型和无泄漏标准浮空气囊模型，对其一定时间后的差压进行处理，从而分析泄漏气囊的泄漏量。具体等效设置为∶将泄漏浮空气囊等效为待测元件，将无泄漏标准浮空气囊等效为标准容器;本模型中对标准浮空气囊和泄漏浮空气囊初始充入相同压力气体等效于差压法测量中的被测元件和标准件气路两端完全相同;本模型在仿真过程中对标准浮空气囊和泄漏浮空气囊设置相同的仿真环境等效于差压法测量中标准件和待测件处于相同环境。结合气体状态方程，通过计算分析泄漏浮空气囊与标准浮空气囊之间的压差来推导出泄漏浮空气囊的泄漏量。
4.2等效压差法的泄漏量预测
随着太阳方位的变化，浮空器表气囊面温度分布也随之变化，浮空器气囊表面温度最高处出现在太阳直接照射的方位，且由于地球辐射的存在，浮空器气囊表面温度最大的部分并非为背对太阳的底部方位，而在背对太阳底部方位偏上。在21时，由于没有了太阳辐射，此时主要是地球辐射作用于浮空器气囊表面，因此出现浮空器气囊低端温度高于气囊顶端温度的情况。在靠近壁面处的气体温度变化比较大，而越接近球心，气体温度变化越小，且较为均衡，主要是由于靠近壁面处的气体与气囊表面蒙皮材料存在热传导，而内部气体之间主要依靠热对流。
由于标准气囊不存在泄漏，是一个密闭系统。对于一个密闭系统，如果系统体积不变，温度升高，则气体压强会相应变大。对于处于复杂大气环境条件下的浮空气囊，存在着复杂的热交换，因此，很难通过计算得出具体压强数值。为进一步分析气囊内外压差的变化，将仿真所得的数值进行处理，得出每半小时气囊内外平均压差后，绘制压差与时间之间的关系。气囊内外平均压差随时间的变化关系与气囊内氦气平均温度随时间的变化关系相近。
五、结语
浮空器囊体材料是一种轻质高性能的薄膜复合材料，对于整个浮空器系统，囊体结构是至关重要的关键部分。它不仅能够存储提供浮升力的氦气，有时还需要承担外载荷作用并保持浮空器的气动外形。由于浮空器需要在高空长久驻留，囊体结构受容易复杂空间环境的作用，其力学性能和一些物理性能也会因此而发生变化。本文主要研究浮空器囊体材料氦气泄漏机制，模拟空间环境因素对囊体材料的作用，分析引起氦气泄漏率变化的影响规律。
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