高 鳴，任海峰

(海軍航空工程學(xué)院，煙臺(tái) 264001)

0 引言

研究者通常希望固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)的貯存壽命，并期望能夠準(zhǔn)確預(yù)估該壽命。如果預(yù)估的壽命長(zhǎng)于真實(shí)壽命，已過(guò)壽的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射失敗，甚至發(fā)生災(zāi)難性的爆炸，危及發(fā)射平臺(tái)和人員的安全，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈武器的戰(zhàn)斗力;如果預(yù)估的壽命過(guò)短，會(huì)使大批可用的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)提前報(bào)廢、銷(xiāo)毀，會(huì)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染［1］。然而，當(dāng)前固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)手段有限，僅憑現(xiàn)有檢測(cè)參數(shù)在壽命預(yù)估方面很難提供足夠的數(shù)據(jù)支持，仍不能避免過(guò)早銷(xiāo)毀的浪費(fèi)和意外失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估方法主要有解剖實(shí)驗(yàn)法、無(wú)損探傷法和模型分析法。解剖實(shí)驗(yàn)法一般解剖幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析裝藥的力學(xué)、化學(xué)性能，評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況，或是對(duì)幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行靜止點(diǎn)火試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)，然后對(duì)整批次發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行失效判定和壽命預(yù)估。受材料性能、制造工藝的不確定性影響，美國(guó)同臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和不同批次發(fā)動(dòng)機(jī)之間都存在5% ～10%的力學(xué)性能差異［2］。與美國(guó)相比，我國(guó)材料性能和制造工藝存在一定差距，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看力學(xué)性能差異更大。加之每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)制造、運(yùn)輸、貯存和戰(zhàn)斗值班等勤務(wù)過(guò)程中歷經(jīng)的載荷不確定，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)老化程度和累積損傷必然有一定差異。因此，依靠幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的解剖或試車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)判定整批發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)壽或者可用都是不準(zhǔn)確的，可能造成極大的浪費(fèi)或安全事故。無(wú)損探傷法主要是采用工業(yè)CT，檢測(cè)前需要從發(fā)射裝置取出整個(gè)導(dǎo)彈并運(yùn)回基地軍械庫(kù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)卸掉送入 CT實(shí)驗(yàn)室，檢測(cè)后再安裝好導(dǎo)彈送回發(fā)射裝置。CT掃描過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間，檢測(cè)受射線源能量水平、CT設(shè)備尺寸及場(chǎng)地空間諸多因素限制，且設(shè)備昂貴復(fù)雜，須布置在專(zhuān)門(mén)CT實(shí)驗(yàn)室，通常導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)需要長(zhǎng)途運(yùn)輸，增加勤務(wù)的困難和勤務(wù)過(guò)程不確定性。因此，工業(yè)CT實(shí)際應(yīng)用起來(lái)比較困難，檢測(cè)過(guò)程過(guò)于繁瑣、費(fèi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)批次所有發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)困難更大。其他無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，如超聲(UT)、渦流等設(shè)備能量水平較低，檢測(cè)精度有限。模型分析法以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的指標(biāo)參數(shù)為對(duì)象，采用加速老化等方法研究這些指標(biāo)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，該方法經(jīng)濟(jì)、快捷，但是難以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況。分析法獲取模型的實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際老化損傷過(guò)程之間存在諸多差異，如方坯試件與實(shí)際藥柱應(yīng)力分布存在差異;單向拉伸和藥柱實(shí)際多向受力狀態(tài)的差異;加速老化和自然老化試驗(yàn)的差異;試件自然老化和發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在相對(duì)封閉環(huán)境老化的差異。這些差異再加上材料本身的非均質(zhì)性、載荷的不確定性，導(dǎo)致本構(gòu)模型存在較大不確定性［2－3］。根據(jù)平均環(huán)境對(duì)裝藥性能的預(yù)測(cè)需要較大安全系數(shù)，壽命預(yù)估的精度有待進(jìn)一步提高。

綜上所述，受材料性能、制造工藝的不確定性和發(fā)動(dòng)機(jī)貯存環(huán)境、歷經(jīng)載荷不確定性的影響，不清楚裝藥的歷史、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部狀態(tài)及單個(gè)裝藥的缺陷是當(dāng)前壽命預(yù)估方法的主要不足。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估領(lǐng)域強(qiáng)烈呼喚一種直接原位監(jiān)測(cè)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況，并能夠預(yù)測(cè)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)具體壽命的監(jiān)測(cè)技術(shù)，固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

1 固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)

固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)是指內(nèi)置或嵌入了力學(xué)、化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，能夠監(jiān)測(cè)與固體推進(jìn)劑裝藥力學(xué)、化學(xué)性能變化和缺陷有關(guān)的參數(shù)，并實(shí)時(shí)提供發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的新概念固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的特征是傳感器作為其有機(jī)組成部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)生命歷程中“終生”不可替換。傳感器既是監(jiān)測(cè)儀器，又是發(fā)動(dòng)機(jī)的有壽部件，其中力學(xué)化學(xué)傳感器嵌入到發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)部對(duì)裝藥、粘接界面有一定影響，傳感器本身壽命對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，甚至壽命可能會(huì)有一定的影響。

國(guó)外研究顯示，固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟需要數(shù)十年時(shí)間，因此當(dāng)前固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)作為監(jiān)測(cè)儀器使用，其應(yīng)用策略是同一批次的發(fā)動(dòng)機(jī)配備一定數(shù)量的固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)，如果固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)缺陷，則對(duì)整批發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行CT探傷。待到固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，則可考慮全面部署，輔以外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)儀器化和健康監(jiān)測(cè)。固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重大意義，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益、科技貢獻(xiàn)和軍事意義3個(gè)方面。

(1)經(jīng)濟(jì)效益。目前由于無(wú)法分辨哪些導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)可用，哪些失效，所以處理辦法是整個(gè)批次的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)全部退役，而不是更換失效導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，保留可用導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)。如果確切知道哪些發(fā)動(dòng)機(jī)可用，哪些發(fā)動(dòng)機(jī)失效，逐年更換失效發(fā)動(dòng)機(jī)，保留可用發(fā)動(dòng)機(jī)，顯然是十分經(jīng)濟(jì)的。例如，某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命17 a，屆時(shí)有2．5%由于過(guò)壽無(wú)法完成任務(wù)，假設(shè)一批次導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)目為X，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)壽服從正態(tài)分布，那么50 a的壽命周期意味著只需要建造2X個(gè)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，但以現(xiàn)有報(bào)廢方式，要構(gòu)建一個(gè)批次，并更換3個(gè)批次，總計(jì)4X，可見(jiàn)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，在50 a壽命周期中節(jié)省維護(hù)費(fèi)用超過(guò) 50%［2］。

(2)科技貢獻(xiàn)。目前，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)手段十分有限，構(gòu)建固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)可使發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之下，實(shí)現(xiàn)原位健康監(jiān)測(cè)、缺陷診斷和壽命預(yù)估，這無(wú)疑是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步。

一是固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示了每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況，可以監(jiān)測(cè)載荷變化、內(nèi)部狀態(tài)和裝藥缺陷，為深入研究老化過(guò)程和損傷機(jī)理與規(guī)律提供大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)，可作為缺陷診斷和壽命預(yù)估的直接依據(jù)，突破了當(dāng)前壽命預(yù)估方法的不足;二是在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部埋入傳感器，要求傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，還可以利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，從而全面促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造;三是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)之初傳感器就已經(jīng)埋入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中的質(zhì)量控制和過(guò)程控制;四是促進(jìn)傳感器技術(shù)，通信技術(shù)等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

(3)軍事意義。指揮員可完全掌握每一枚導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況，大幅提升了導(dǎo)彈的可靠性和安全性，提高了發(fā)射成功的概率，有利于實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)意圖和提高導(dǎo)彈使用效率。在導(dǎo)彈換裝期間，可依據(jù)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)估每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，按照壽命逐年更換到壽導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是更換整批導(dǎo)彈，有利于保持換裝期間的戰(zhàn)斗力。由于導(dǎo)彈的健康狀況在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之下，很多參數(shù)可以直接獲得，有利于簡(jiǎn)化技術(shù)準(zhǔn)備流程，提高導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備水平。

2 固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

鑒于固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重要意義，很多國(guó)家都開(kāi)展了相關(guān)的研究［2－23］。美國(guó)“壽命預(yù)估技術(shù)計(jì)劃”(1988—1995)子項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)KTA 4-23 開(kāi)展了相關(guān)研究［4］。

1998年，在美國(guó)空軍研究室和海軍航空武器中心提出的“高性能火箭技術(shù)整體規(guī)劃(IHPRPT)”中，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估研究的目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)老化過(guò)程中的裝藥化學(xué)性能及力學(xué)性能的原位監(jiān)測(cè)，并制造沿粘接面埋設(shè)若干應(yīng)力傳感器的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其加速老化過(guò)程的粘接應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)［3－4］。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的“戰(zhàn)略導(dǎo)彈技術(shù)計(jì)劃”［2］中很多研究項(xiàng)目旨在攻克這一技術(shù)，其中“壽命預(yù)估技術(shù)計(jì)劃”驗(yàn)證了環(huán)境、力學(xué)和化學(xué)傳感器，并嘗試從化學(xué)特性和力學(xué)特性的相關(guān)性、微觀斷裂力學(xué)的角度減少發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估的不確定度?！盁o(wú)損評(píng)估及數(shù)據(jù)處理計(jì)劃”旨在發(fā)展高效的戰(zhàn)略導(dǎo)彈CT和第二代自動(dòng)無(wú)損數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)(ANDES2)?！懊舾腥毕菰u(píng)估計(jì)劃”旨在開(kāi)發(fā)基于流體-結(jié)構(gòu)-燃燒耦合的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件。“傳感器應(yīng)用和建模計(jì)劃”提出采用商用或者準(zhǔn)商用的傳感器，發(fā)展其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造和使用方法。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)“固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)(IVHM)”，全面提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，降低全壽命周期維護(hù)費(fèi)用。

2002年9月，美國(guó)召開(kāi)了先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命會(huì)議，討論了傳感器在監(jiān)測(cè)中的使用問(wèn)題，建議固體發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)與傳感器生產(chǎn)商聯(lián)合推進(jìn)此項(xiàng)工作［5］。

2003年，北大西洋公約組織(NATO)成員國(guó)——加拿大、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、波蘭、英國(guó)、美國(guó)等成立了彈藥監(jiān)測(cè)合作研究小組，旨在推動(dòng)監(jiān)測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用。2005年春，他們舉行了合作演示技術(shù)會(huì)議，演示了在彈藥監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的成果［6］。在這次會(huì)議上，展示了監(jiān)測(cè)微機(jī)電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及壽命安全評(píng)價(jià)方法等，預(yù)計(jì)這些成果10年后會(huì)在彈藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用。

2005年5月，北約彈藥安全信息分析中心(MSIAC)成立了“鈍感彈藥老化對(duì)生命周期的影響”工作組［7］，工作組分成5個(gè)小組討論。第一和第二組為化學(xué)老化小組，認(rèn)為各實(shí)驗(yàn)室/國(guó)加速老化缺少一致性，需回顧加速老化方法，使各實(shí)驗(yàn)室/國(guó)的加速老化方法標(biāo)準(zhǔn)化;原材料參數(shù)的可變性對(duì)老化性能也有影響，原材料需標(biāo)準(zhǔn)化。第三小組為小尺寸測(cè)試與模擬小組，認(rèn)為對(duì)于模擬和加速老化來(lái)說(shuō)，壽命預(yù)估需要精確的貯存壽命條件。第四小組為鈍感彈藥監(jiān)視評(píng)價(jià)方法小組，認(rèn)為進(jìn)行國(guó)際技術(shù)演示的可行性和必要性分析，以回顧鈍感彈藥老化作用，為真正的老化研究提供技術(shù)支持。第五小組為全壽命周期評(píng)價(jià)的新方法，認(rèn)為埋入傳感器是全壽命周期評(píng)價(jià)的主要新方法。

2006年第37屆ICT會(huì)議，主題是“含能材料的鈍感、老化、監(jiān)測(cè)”，關(guān)于老化與監(jiān)測(cè)、老化分析方法及老化監(jiān)測(cè)方法，反映了近年來(lái)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成果［8－10］。

2010年，北大西洋公約組織航空研究與發(fā)展顧問(wèn)組(NATO-OTAN)在“導(dǎo)彈健康監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)估項(xiàng)目進(jìn)展”會(huì)議上，美、英、法、德等9個(gè)國(guó)家的專(zhuān)家探討了導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)方面的問(wèn)題［11］。

從上述研究計(jì)劃、會(huì)議及國(guó)外學(xué)術(shù)論文的情況來(lái)看，采用微機(jī)電傳感器監(jiān)測(cè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況的研究已成為國(guó)外研究的熱點(diǎn)。

早在1996年，MICRON Instruments研發(fā)了粘接應(yīng)力變送器(NBSTs)［12］，該變送器能夠直接測(cè)量粘接應(yīng)力，但由于設(shè)計(jì)原因?qū)е聜鞲衅饕€需穿透發(fā)動(dòng)機(jī)殼體引出，因而帶來(lái)了安全隱患和應(yīng)用困難。此外，該類(lèi)變送器體積較大，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和精度不高，故應(yīng)用價(jià)值不高。20世紀(jì)90年代中后期，美國(guó)軍方委托MICRON Instruments公司，英國(guó)國(guó)防部委托LH Transducer Development Ltd開(kāi)發(fā)新一代粘接應(yīng)力傳感器［12］。新一代粘接應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)基本目標(biāo)是微型化，可以埋入粘接界面，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥低(無(wú))損，還要求傳感器適應(yīng)較寬工作溫度、精確、敏感、低能耗、易校準(zhǔn)、易安裝。此外，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、材料相容性、低交叉敏感性等也是新一代粘接應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Micron Instruments公司采用4個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)作為敏感元件，粘接在金屬?gòu)椥阅ず袃?nèi)部，構(gòu)成惠斯通電橋，接線方式采用柔性扁平電纜，有利于在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部布置。英國(guó)LH Transducer Development Ltd采用陶瓷厚膜應(yīng)變式應(yīng)力變送器，具有高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的特點(diǎn)，且具有測(cè)量的高精度、電氣絕緣性能好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。但是傳感器加工制造工藝難度大，該公司開(kāi)發(fā)進(jìn)度較慢，該公司完成原型開(kāi)發(fā)測(cè)試時(shí)，Micron Instruments公司的粘接應(yīng)力溫度(DBST)傳感器已在多個(gè)國(guó)家和實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用，且陶瓷厚膜應(yīng)變式應(yīng)力變送器性能指標(biāo)不及DBST傳感器。Micron Instruments公司對(duì)DBST傳感器結(jié)構(gòu)和引線方式進(jìn)行了改進(jìn)，技術(shù)成熟度不斷提高。目前，DBST傳感器技術(shù)成熟度已達(dá)六級(jí)以上。美國(guó)空軍已完成在亞尺寸模擬發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)并開(kāi)展了加速老化，溫度循環(huán)試驗(yàn)。2010年，北大西洋公約組織航空研究與發(fā)展顧問(wèn)組報(bào)告，該技術(shù)已應(yīng)用于全尺寸戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)達(dá)4年的監(jiān)測(cè)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)［14］。2011年 AIAA報(bào)告顯示，歐洲防務(wù)局MINERVE計(jì)劃(2008年—)已將埋入式傳感器應(yīng)用于全尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)方面，進(jìn)行長(zhǎng)期貯存，以驗(yàn)證系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性［15］。德國(guó)、荷蘭［16］采用布置較多的DBST傳感器，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測(cè)裂紋和界面脫粘，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行壽命評(píng)估。英國(guó) Jim Buswell［12，14］報(bào)道了在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。經(jīng)過(guò)近20年的研究，光纖應(yīng)變傳感器、微電子應(yīng)力傳感器和化學(xué)傳感器日益成熟，但在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器的應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、安全和相關(guān)規(guī)則仍在完善中。同時(shí)，報(bào)道了如何在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中選擇、安裝、校準(zhǔn)應(yīng)力傳感器、處理獲得的數(shù)據(jù)。認(rèn)為溫度監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)化學(xué)老化的前提，粘接應(yīng)力測(cè)量是推進(jìn)劑裝藥物理健康的指示劑。測(cè)量得到的粘接應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入累積損傷失效模型，能夠即時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑藥柱裂紋和脫粘。

為了不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，方便供電和數(shù)據(jù)傳輸，2010年，Edwards AFB的研究人員開(kāi)發(fā)了無(wú)線DBST傳感器［16］。但是由于靜電屏蔽的問(wèn)題，該改進(jìn)型DBST傳感器應(yīng)用受限。

目前，美國(guó)正在計(jì)劃開(kāi)發(fā)下一代粘接界面監(jiān)測(cè)傳感器，美國(guó)下一代傳感器是超微型多功能數(shù)字粘接應(yīng)力傳感器［17］，可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、加速度、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和化學(xué)量等多種參數(shù)，具有更高的靈敏度，抗干擾能力強(qiáng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)總線，監(jiān)測(cè)多種狀態(tài)參數(shù)。在信號(hào)調(diào)理方面，采用多路復(fù)用、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波及自動(dòng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計(jì)制造智能傳感器。在通信方面，采用無(wú)線通訊方式，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)粘接應(yīng)力，布置更加靈活，數(shù)據(jù)采集傳輸更方便。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，美國(guó)DBST傳感器測(cè)試系統(tǒng)由DASOR公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)［17］。以德州儀器(TI)的 PGA309芯片為核心構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路，傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊用寬4 mm、厚0．15 mm的柔性扁平電纜連接，該電纜沿粘接界面粘貼。上位機(jī)采用PGA309 PC開(kāi)發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通訊控制和信號(hào)處理，補(bǔ)償數(shù)據(jù)存貯在非易失性只讀存儲(chǔ)器EEPROM，傳感器端采用相應(yīng)的傳感器接口板進(jìn)行配套。上位機(jī)軟件具有補(bǔ)償、通信、控制、存貯和顯示功能。

診斷方法方面，目前多采用人工判讀為主，文獻(xiàn)［18］提及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析多傳感器信號(hào)智能診斷裂紋缺陷，文獻(xiàn)［19］粘接應(yīng)力輸入到累積損傷模型診斷裂紋和脫粘，但均未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。另外，文獻(xiàn)［20］提到應(yīng)用多軸光纖光柵傳感器測(cè)量襯層應(yīng)變，文獻(xiàn)［21－23］中圖示了實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用光纖光柵應(yīng)力傳感器測(cè)量粘接界面應(yīng)力。在復(fù)合材料殼體損壞監(jiān)測(cè)方面，Blue Road Research采用在復(fù)合材料殼體纏入多軸光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測(cè)殼體沖擊損壞［24］，Acellent Technologies［25］采用壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 Smart Layers，監(jiān)測(cè)沖擊損壞。

化學(xué)傳感器方面，荷蘭TNO實(shí)驗(yàn)室利用光纖熒光技術(shù)，開(kāi)發(fā)了聚合物光纖氧傳感器［23］。通過(guò)在推進(jìn)劑里埋入不同長(zhǎng)度的此氧傳感器可定量測(cè)量化學(xué)成分的變化，經(jīng)解剖驗(yàn)證該方法有效。但由于傳感器和周?chē)七M(jìn)劑熱脹冷縮系數(shù)不同，這種傳感器易造成裂紋。

環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)采用的傳感器數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端讀取，可連續(xù)記錄溫度、濕度和沖擊載荷等超過(guò)13年的數(shù)據(jù)。荷蘭從2001年開(kāi)始利用商業(yè)衛(wèi)星傳輸溫度、濕度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。法國(guó)研制了運(yùn)輸載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。加拿大研制了沖擊、溫度、濕度、化學(xué)傳感器等［26］。

國(guó)內(nèi)利用固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和缺陷診斷研究剛剛起步。2006年，第二炮兵工程學(xué)院常新龍等利用光纖光柵傳感器進(jìn)行復(fù)合材料殼體損壞監(jiān)測(cè)的探索［27］。2007年，海軍航空工程學(xué)院李洪偉、任海峰對(duì)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)總體方案進(jìn)行了初步研究［28］。2008年，海軍航空工程學(xué)院邢耀國(guó)等對(duì)美國(guó)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述［29］。2010年，航天科工六院李瑛對(duì)國(guó)外健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述［30］;海軍航空工程學(xué)院黃衛(wèi)東對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究［31］。2011年，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了相關(guān)研究，從掌握的情況來(lái)看，傳感器尺寸相對(duì)偏大、性能指標(biāo)相對(duì)偏低、輸出信號(hào)為模擬信號(hào)。2012年，海軍航空工程學(xué)院高鳴、任海峰研制了粘接應(yīng)力傳感器，傳感器為低阻硅應(yīng)變片式粘接應(yīng)力傳感器，其直徑中8 mm、厚度1．8 mm，性能指標(biāo)與美國(guó)DBST傳感器相當(dāng)，一些主要指標(biāo)優(yōu)于美國(guó)DBST傳感器。

3 固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展途徑和趨勢(shì)

綜合分析上述國(guó)外文獻(xiàn)資料［2－19］，目前國(guó)外埋入式傳感器得到成功應(yīng)用，戰(zhàn)術(shù)彈貯運(yùn)箱內(nèi)布置溫度、濕度、振動(dòng)/加速度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)可獲得高度可信的環(huán)境信息，以用來(lái)改進(jìn)壽命預(yù)估的模型，提高壽命預(yù)估的水平。戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)方面，第一步是在內(nèi)孔布置集成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。長(zhǎng)期發(fā)展應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)中使用埋入式傳感器，構(gòu)成固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)，配合外部監(jiān)測(cè)如殼體損壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的，便攜式CT以及下一代ANDES，繼續(xù)發(fā)展基于物理化學(xué)機(jī)理的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)估模型。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)，提供紅線報(bào)警，甚至與汽車(chē)、飛機(jī)一樣，提醒用戶(hù)故障類(lèi)型和位置等信息，給出替換或返修等處理意見(jiàn)。

總結(jié)國(guó)外固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展步驟及趨勢(shì)如下:

第一步:環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要監(jiān)測(cè)溫度、濕度、加速度和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。通常布置在發(fā)射箱內(nèi)，但由于封閉空間的氧含量相對(duì)有限，老化過(guò)程與開(kāi)放空間的老化有所不同，因此化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物傳感器最好布置在發(fā)動(dòng)機(jī)中心孔內(nèi)，將實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)初始性能參數(shù)輸入到老化模型，判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否失效。

第二步:外部傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。主要目的是以無(wú)損的方式獲取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)，目前主要是工業(yè)CT。工業(yè)CT檢測(cè)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、成本高、使用和維護(hù)困難。應(yīng)該發(fā)展可直接在貯存?zhèn)}庫(kù)或者發(fā)射井使用的便攜式X線機(jī)，或者便攜式工業(yè)CT，手持式UT等檢測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)裂紋、空泡和脫粘的原位檢測(cè)?，F(xiàn)有的外部傳感器或檢測(cè)系統(tǒng)如CT、UT、X線機(jī)只能粗略地測(cè)量結(jié)構(gòu)方面的缺陷，但不能測(cè)量局部應(yīng)力、應(yīng)變和化學(xué)集中，所以研制非接觸式測(cè)量推進(jìn)劑局部應(yīng)力、應(yīng)變和化學(xué)集中的傳感器十分必要的。

第三步:內(nèi)部傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器的優(yōu)勢(shì)在于可直接測(cè)量與推進(jìn)劑力學(xué)化學(xué)性能變化及缺陷相關(guān)的參數(shù)。美軍實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)驗(yàn)證了粘接應(yīng)力溫度傳感器的制造、埋入、標(biāo)定和校正技術(shù)，已成功進(jìn)行了裂紋、脫粘等典型缺陷的診斷，正在進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性驗(yàn)證。這些監(jiān)測(cè)參數(shù)可準(zhǔn)確判廢和預(yù)估火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命提供可靠依據(jù)，對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)判和壽命預(yù)估十分重要。目前的傳感器幾乎都不能直接測(cè)量與壽命相關(guān)的現(xiàn)象，埋入式粘接應(yīng)力溫度傳感器測(cè)量的是應(yīng)力和應(yīng)變，而期望獲得的是材料模量。模量本身的屬性又隨時(shí)間和環(huán)境變化，所以研發(fā)模量傳感器十分必要。在化學(xué)量的測(cè)量上期望測(cè)量一些原始變量，因此強(qiáng)烈期待直接測(cè)量聚合物交聯(lián)密度、中定劑的消耗、氧的擴(kuò)散和老化產(chǎn)物的傳感器。

第四步:全面部署。全面部署環(huán)境、外部和內(nèi)部傳感器系統(tǒng)，并建立固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)在線質(zhì)量評(píng)判壽命預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)紅線預(yù)警。

4 固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)外在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用，外部傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和在線質(zhì)量評(píng)判壽命預(yù)估模型研究穩(wěn)步推進(jìn)，化學(xué)傳感器尚不成熟，國(guó)外研究主要集中在利用DBST傳感器監(jiān)測(cè)界面粘接應(yīng)力，進(jìn)行裂紋和脫粘等裝藥缺陷診斷的研究和探討。對(duì)比固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)概念，該部分研究就是固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，不難看出固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心內(nèi)容。

梳理總結(jié)國(guó)外研究，固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)主要有傳感器技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)。以下分別述之:

(1)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器是指內(nèi)部監(jiān)測(cè)傳感器，包括力學(xué)傳感器和化學(xué)傳感器兩部分。傳感器微型化、多功能化，以及提高傳感器靈敏度、安全性、穩(wěn)定性、兼容性是研究的重點(diǎn)。粘接應(yīng)力溫度傳感器的開(kāi)發(fā)和微型模量傳感器、化學(xué)傳感器的研制是研究的難點(diǎn)和突破點(diǎn)。傳感器技術(shù)主要研究監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇、發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)傳感器的要求、傳感器選型、性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、校準(zhǔn)標(biāo)定方法和安裝工藝等方面的技術(shù)問(wèn)題。

(2)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法和布置方法及策略等方面的技術(shù)問(wèn)題，以達(dá)到安全可靠、方便靈活、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)潔的目的。

(3)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法研究傳感器系統(tǒng)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，對(duì)界面粘接性能的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的影響，研究縮比固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)與全尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的相似關(guān)系，研究固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與裝藥系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。

(4)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)主要研究監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理，特征提取，數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷診斷、失效判定和壽命預(yù)估方面的應(yīng)用，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理等方面的問(wèn)題。

5 討論與建議

(1)發(fā)展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)是固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)建，著力點(diǎn)是內(nèi)部傳感器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。應(yīng)該明確發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)主要依靠埋入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳感器直接監(jiān)測(cè)的力學(xué)和化學(xué)參數(shù)來(lái)表征。環(huán)境監(jiān)測(cè)、外部檢測(cè)是依靠?jī)?nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺陷診斷和壽命預(yù)估的輔助依據(jù)和佐證，外部檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用仍然受到場(chǎng)地、費(fèi)用和精度的限制，作用也是相對(duì)有限的。因此，構(gòu)建固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)。如果偏離固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)這一重點(diǎn)技術(shù)，研究其他監(jiān)測(cè)技術(shù)則收效將是甚微的，這也是本文特別強(qiáng)調(diào)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的原因所在。

(2)構(gòu)建固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)聚焦在直接與缺陷相關(guān)性能參數(shù)監(jiān)測(cè)研究上，應(yīng)當(dāng)注意研究粘接應(yīng)力和粘接界面化學(xué)量與裝藥缺陷、力學(xué)化學(xué)性能變化的規(guī)律及其相關(guān)性。注重新型傳感器和新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是粘接應(yīng)力溫度傳感器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和模量傳感器、化學(xué)傳感器的研制。

(3)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康檢測(cè)技術(shù)初期研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注利用粘接應(yīng)力進(jìn)行典型缺陷診斷的研究，如裂紋、脫粘和零粘接強(qiáng)度等典型缺陷的診斷，驗(yàn)證固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)性、有效性和可靠性。因?yàn)槿毕菰\斷包括缺陷監(jiān)測(cè)和缺陷評(píng)估，是失效判定和壽命預(yù)估的基礎(chǔ)。只有固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有效進(jìn)行敏感缺陷的診斷，才能有效進(jìn)行失效判定和壽命預(yù)估，該技術(shù)才有現(xiàn)實(shí)意義。所以，研究初期應(yīng)避免貪大求全，造成的人力、財(cái)力分散和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建成功后，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和外部檢測(cè)等輔助系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和基于固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命預(yù)估方法研究，同時(shí)盡快將固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)推向裝備工程實(shí)用。

(4)基于固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估方法研究工作應(yīng)遵循綜合分析的路線。利用模型指導(dǎo)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，再利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正模型，以期提高壽命預(yù)估精度，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)的目的。在發(fā)展健康監(jiān)測(cè)的同時(shí)，不斷利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究老化機(jī)理和老化規(guī)律，優(yōu)化構(gòu)建壽命預(yù)估精確模型。

(5)要積極利用固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及研究結(jié)果指導(dǎo)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用，減少材料、工藝和載荷不確定性，進(jìn)一步提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平和可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

研究固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益、科技貢獻(xiàn)和軍事意義，已成為近期國(guó)內(nèi)外固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷診斷和壽命預(yù)估的研究熱點(diǎn)和重要方向。我國(guó)在這一領(lǐng)域與國(guó)外存在較大差距，應(yīng)當(dāng)加快研究，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，應(yīng)該明確將該技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，較戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)更有意義。

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