杜 飛，徐 超，魚(yú)則行

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

可重復(fù)使用運(yùn)載器(Reusable launch vehicle, RLV)是指具有可重復(fù)使用能力，可在地球表面和太空之間自由往返用以運(yùn)送有效載荷；也可以較長(zhǎng)時(shí)間在軌停留和在軌機(jī)動(dòng)，執(zhí)行各種空間任務(wù)的新型航天飛行器[1-4]。完整性、可靠性和安全性對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器，特別是對(duì)載人運(yùn)載器而言是至關(guān)重要的[5],及時(shí)掌握運(yùn)載器結(jié)構(gòu)在軌道和地面上的健康狀況，對(duì)于維持其安全運(yùn)行非常關(guān)鍵[6]。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural health monitoring, SHM)是立足于傳感器、智能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)。根據(jù)國(guó)際航空航天工業(yè)SHM指導(dǎo)委員會(huì)的定義[7-8]，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指通過(guò)在被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中集成傳感器，并從傳感器獲取和分析數(shù)據(jù)以確定結(jié)構(gòu)健康狀況的過(guò)程。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)功能一體化集成、原位監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)在線診斷的能力。研究表明，SHM系統(tǒng)可能在可重復(fù)使用運(yùn)載器全壽命周期的各個(gè)階段為評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)提供自主解決方案[9-10]。在發(fā)射前的總裝測(cè)試階段，SHM系統(tǒng)能對(duì)長(zhǎng)期貯存材料的性能和連接部位等進(jìn)行完整性評(píng)估，確定剩余壽命，甚至有可能替代部分地面動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，極大縮短發(fā)射前的地面準(zhǔn)備周期。在發(fā)射階段，SHM系統(tǒng)可用于發(fā)射環(huán)境監(jiān)測(cè)，載荷評(píng)估以及監(jiān)測(cè)由外載荷引起的結(jié)構(gòu)性能改變等。在軌運(yùn)行階段，SHM系統(tǒng)能夠執(zhí)行部組件性能評(píng)估、空間碎片沖擊監(jiān)測(cè)、以及在軌環(huán)境下材料和結(jié)構(gòu)性能演化監(jiān)測(cè)等任務(wù)。在再入返回階段，SHM系統(tǒng)能夠?yàn)樵偃肼窂揭?guī)劃提供數(shù)據(jù)輸入，對(duì)再入環(huán)境、結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變、材料退化等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，發(fā)展和應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)確?？芍貜?fù)使用運(yùn)載器結(jié)構(gòu)完整性、可靠性和安全性有重大意義。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)已將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)列入面向未來(lái)20年技術(shù)需求發(fā)布的2015技術(shù)路線圖中[11]。

國(guó)際上最早的針對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的工作可追溯至20世紀(jì)90年代。美國(guó)為可重復(fù)使用運(yùn)載器原理樣機(jī)DC-XA設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出一套集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料液氫貯箱等的近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12-13]。近20年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟度不斷提高。另一方面，可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)也不斷發(fā)展，受到更廣泛的關(guān)注，其對(duì)高度集成化、高可靠性和高度自主化的原位結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也日益急迫。2005年，波音公司的一項(xiàng)研究確定了空天飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的五大高回報(bào)部位，分別是熱防護(hù)系統(tǒng)、燃料貯箱、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、前緣結(jié)構(gòu)和推力結(jié)構(gòu)[9]。與普通航空飛行器不同，空天飛行器在起飛和降落會(huì)承受極端的機(jī)械和熱載荷，在軌期間又易于受到微小外部物體的撞擊，可能發(fā)生的損傷類(lèi)型豐富多樣的，所需要的SHM系統(tǒng)往往十分復(fù)雜，給其實(shí)際部署帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)。

本文對(duì)近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外可重復(fù)使用運(yùn)載器開(kāi)展的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)行了梳理。對(duì)于其高回報(bào)部位結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究工作進(jìn)展，特別是熱防護(hù)系統(tǒng)連接松動(dòng)檢測(cè)、低溫貯箱健康監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)沖擊損傷識(shí)別、在軌驗(yàn)證等四個(gè)方面開(kāi)展的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究和應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)討論，并分析了技術(shù)需求和發(fā)展趨勢(shì)。

1 熱防護(hù)系統(tǒng)螺栓連接松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

為滿足再入熱環(huán)境的要求，可重復(fù)使用運(yùn)載器設(shè)計(jì)有熱防護(hù)系統(tǒng)。熱防護(hù)系統(tǒng)的功能完整性對(duì)確保再入安全具有至關(guān)重要的作用[14]。以航天飛機(jī)為例，其再入速度高達(dá)Ma25，前緣部位的表面溫度高達(dá)1650 ℃。航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是確保內(nèi)部金屬承載結(jié)構(gòu)的溫度不超過(guò)175 ℃。

未來(lái)可重復(fù)使用空天飛行器的熱環(huán)境可能會(huì)更惡劣，需要應(yīng)用新型的機(jī)械連接式熱防護(hù)系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)防熱一體化的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)、碳碳熱防護(hù)系統(tǒng)等。這類(lèi)采用機(jī)械固定方式的熱防護(hù)系統(tǒng)的螺栓連接部位在外部氣動(dòng)、沖擊等載荷下極易發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致熱防護(hù)結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)縫隙，高溫氣體可能通過(guò)縫隙侵入并破壞飛行器基體。因此，提高螺栓松動(dòng)的早期檢測(cè)能力，對(duì)確保熱防護(hù)系統(tǒng)的功能是極為重要的[14]。圖1所示為空天飛行器上典型的碳碳熱防護(hù)系統(tǒng)連接方式和受載情況[15]。

螺栓松動(dòng)的早期現(xiàn)象主要表現(xiàn)為預(yù)緊力下降，這類(lèi)損傷非常微小，很難直接被檢測(cè)到。由于熱防護(hù)系統(tǒng)一般為薄壁結(jié)構(gòu)，基于超聲導(dǎo)波的損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)之一[16-17]，目前研究多利用超聲導(dǎo)波傳播特性進(jìn)行松動(dòng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)導(dǎo)波通過(guò)螺栓連接面時(shí)，透射導(dǎo)波能量與結(jié)合面真實(shí)接觸面積成正比，因此根據(jù)導(dǎo)波的衰減特性就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊力變化的監(jiān)測(cè)[18]。

針對(duì)碳碳熱防護(hù)系統(tǒng)連接松動(dòng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的支持下，斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)置式螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[15,19]。如圖2所示，該技術(shù)利用壓電陶瓷材料制作了智能墊圈，智能墊圈可以激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波，通過(guò)分析透過(guò)螺栓連接部超聲導(dǎo)波的衰減特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱防護(hù)板上、下兩處連接螺栓的松動(dòng)監(jiān)測(cè)。

超聲導(dǎo)波的透射波能量作為擰緊指數(shù)被廣泛用作螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)，然而根據(jù)粗糙接觸力學(xué)理論，當(dāng)接觸壓力達(dá)到一定值時(shí)，連接界面處的真實(shí)接觸面積會(huì)達(dá)到飽和值[20]。因此當(dāng)螺栓預(yù)緊力達(dá)到一定值后，透過(guò)的導(dǎo)波能量不再變化，此時(shí)其檢測(cè)靈敏度會(huì)顯著降低。另一方面，由于超聲導(dǎo)波透射過(guò)螺栓連接部時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的模態(tài)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致接收信號(hào)非常復(fù)雜，如何為接收信號(hào)選擇合適的時(shí)間窗口，成為影響該方法準(zhǔn)確性的又一因素。為此，南京航空航天大學(xué)[21]及美國(guó)休斯敦大學(xué)學(xué)者等[22-23]提出采用時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波進(jìn)行預(yù)緊力監(jiān)測(cè)，然而該方法仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)早期監(jiān)測(cè)。

針對(duì)上述不足，西北工業(yè)大學(xué)作者所在的團(tuán)隊(duì)提出虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)方法[24-25]，大幅提高了螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)靈敏度。該方法共分為5步，原理如圖3所示:1)在健康狀態(tài)下的螺栓連接部A點(diǎn)激勵(lì)超聲導(dǎo)波;2)在螺栓另外一側(cè)B點(diǎn)接收導(dǎo)波信號(hào);3)將其時(shí)域反轉(zhuǎn)，并記為參考重發(fā)射信號(hào)(RRS)。隨后在預(yù)緊力未知時(shí)，在A點(diǎn)利用RRS激勵(lì)，導(dǎo)波可在B點(diǎn)重聚焦，利用重聚焦信號(hào)的幅值等，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的高靈敏度檢測(cè)。

實(shí)際熱防護(hù)系統(tǒng)連接螺栓數(shù)目多，為此西北工業(yè)大學(xué)作者所在團(tuán)隊(duì)針對(duì)熱防護(hù)板松動(dòng)螺栓定位問(wèn)題，進(jìn)一步構(gòu)建了由多壓電元件構(gòu)成的傳感器陣列(如圖4所示)，并提出了一種基于虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波及Kohonen網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)的螺栓松動(dòng)定位方法[26]。該方法通過(guò)在各被測(cè)支架處粘貼壓電傳感器，并利用在上述壓電傳感器處重構(gòu)信號(hào)的幅值作為松動(dòng)指標(biāo)向量，利用Kohonen網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述松動(dòng)指標(biāo)向量進(jìn)行聚類(lèi)分析，以此實(shí)現(xiàn)了松動(dòng)螺栓定位。

值得注意的是，目前針對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)連接松動(dòng)的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)室的原理驗(yàn)證階段，對(duì)實(shí)際使用中的溫度補(bǔ)償、硬件重量、系統(tǒng)集成等因素考慮還不充分，需要在后續(xù)研究中重視和加強(qiáng)。

2 低溫貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于可重復(fù)使用運(yùn)載器多使用液氫等低溫燃料，貯箱溫度極低。極端低溫環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)完整性有重要影響，同時(shí)低溫環(huán)境也會(huì)降低結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感元件的性能[27]。因此，可重復(fù)使用運(yùn)載器低溫貯箱的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究具有很大的挑戰(zhàn)性。

在20世紀(jì)美國(guó)麥道公司開(kāi)發(fā)了的單機(jī)入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器的原理驗(yàn)證機(jī)DC-X，NASA在后續(xù)的升級(jí)版DC-XA運(yùn)載器上驗(yàn)證了大量新技術(shù)，其中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即為其中之一。如圖5所示，該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用多通道光柵光纖傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料液氫貯箱、鋁鋰合金液氧貯箱和箱間結(jié)構(gòu)應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，該系統(tǒng)還包括在復(fù)合材料貯箱關(guān)鍵部位安裝的聲發(fā)射傳感器等。DC-XA通過(guò)4次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性[12-13]。

隨后美國(guó)洛克希德-馬丁公司研制了可重復(fù)使用空天飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)X-33[28]。針對(duì)X-33低溫貯箱，特別是復(fù)合材料液氫貯箱的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需求，開(kāi)發(fā)了一套基于多通道光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的貯箱應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)是通過(guò)集成應(yīng)變測(cè)量、溫度測(cè)量和氫氣泄漏測(cè)量等綜合測(cè)試手段，在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料液氫貯箱的健康狀態(tài)。在該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)用了兩種不同的測(cè)量架構(gòu)[29]。一種是在應(yīng)變和氫氣泄漏測(cè)量方面，采用了波長(zhǎng)可調(diào)窄線寬激光器、布拉格光柵光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、光檢測(cè)光電二極管、信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件和數(shù)字信號(hào)處理器。另外一種是在溫度測(cè)量方面，采用了帶有寬帶激光源的多模光纖。圖6展示了粘貼于復(fù)合材料液氫貯箱表面的分布式光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)中單根光纖能夠測(cè)量20處雙軸應(yīng)變。圖7展示了粘貼于液氫貯箱隔熱材料上的用于溫度測(cè)量光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)中單根光纖能夠?qū)崿F(xiàn)50處的溫度測(cè)量。

最近，NASA針對(duì)太空發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System)上面級(jí)的液氧、液氫復(fù)合材料貯箱的損傷監(jiān)測(cè)[31]，綜合利用聲發(fā)射傳感器、光纖傳感器、壓電主動(dòng)傳感器等開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在充滿液氮的貯箱原型上進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于SHM系統(tǒng)的實(shí)際部屬具有重要的推動(dòng)作用。

日本也在低溫貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)中進(jìn)行了若干基礎(chǔ)性工作。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)開(kāi)展了傳感器粘接層的低溫性能研究，及低溫補(bǔ)償技術(shù)研究等工作[32]，針對(duì)復(fù)合材料液氫貯箱開(kāi)發(fā)了基于布拉格光柵傳感器的實(shí)時(shí)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝于JAXA開(kāi)發(fā)的可重復(fù)使用運(yùn)載器中，如圖8所示。JAXA于2003年進(jìn)行了若干飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，結(jié)果表明還可以利用SHM系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)飛行載荷進(jìn)行識(shí)別。

國(guó)內(nèi)對(duì)基于光纖傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也開(kāi)展了較為廣泛的研究，然而多聚焦于管道、航空飛行器等，而對(duì)于RLV中低溫貯箱的相關(guān)應(yīng)用研究關(guān)注較少。大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)針對(duì)火箭貯箱結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料低溫貯箱結(jié)構(gòu)開(kāi)展了基于壓電晶片和超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[27,33]。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列低溫測(cè)試試驗(yàn)，考察了長(zhǎng)時(shí)間處于低溫環(huán)境下的壓電晶片傳感器和粘接劑的性能退化情況，并對(duì)復(fù)合材料板進(jìn)行了低溫下基于超聲導(dǎo)波的損傷診斷試驗(yàn)。

從上述分析可以看出，目前國(guó)外開(kāi)發(fā)的RLV低溫貯箱通常采用復(fù)合材料，一般利用光纖傳感器對(duì)于溫度、應(yīng)變、泄漏等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前美國(guó)、日本等研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了上述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在RLV上的試驗(yàn)校驗(yàn)，技術(shù)相對(duì)較為成熟，與之相比國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究工作主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在RLV低溫貯箱的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)校驗(yàn)方面較為缺乏。

3 結(jié)構(gòu)沖擊損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)

可重復(fù)使用運(yùn)載器在發(fā)射、在軌運(yùn)行和再入階段都容易受到外部物體的沖擊碰撞。2003年，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射后不久燃料箱外脫落的一個(gè)泡沫碎塊擊中航天飛機(jī)機(jī)翼前緣，造成機(jī)體上出現(xiàn)裂紋孔洞，導(dǎo)致超高溫氣體進(jìn)入航天飛機(jī)，最終釀成事故[34]。NASA在此次事故后，為航天飛機(jī)機(jī)翼前緣部位專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了沖擊損傷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[35-36]。該系統(tǒng)基于被動(dòng)聲發(fā)射技術(shù)，通過(guò)在機(jī)翼碳碳前緣內(nèi)部布置聲發(fā)射傳感器陣列，監(jiān)測(cè)沖擊事件的發(fā)生。

該系統(tǒng)如圖9所示，為測(cè)試該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了地面試驗(yàn)。由8個(gè)聲發(fā)射傳感器構(gòu)成的陣列被安裝在機(jī)翼試驗(yàn)件前緣內(nèi)的前墻上，試驗(yàn)件受到氣炮發(fā)射物的沖擊。試驗(yàn)中聲發(fā)射傳感器很好地記錄了沖擊波的幅值和到達(dá)時(shí)間，校驗(yàn)了對(duì)沖擊事件監(jiān)測(cè)和位置識(shí)別的有效性。在后續(xù)的航天飛機(jī)飛行中，均強(qiáng)制性的安裝了該系統(tǒng)。隨后NASA還對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展以進(jìn)行微流星、軌道碎片的沖擊監(jiān)測(cè)[34]。

采用被動(dòng)聲發(fā)射傳感器能夠識(shí)別沖擊的發(fā)生和位置，但很難重構(gòu)出沖擊的波形，也就很難進(jìn)一步評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度和剩余壽命。為解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)[37-38]進(jìn)一步提出了一種基于物理結(jié)構(gòu)有限元建模的沖擊識(shí)別策略。該方法利用有限元分析構(gòu)建沖擊力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的映射關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)沖擊力估計(jì)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果可以進(jìn)一步利用有限元模型計(jì)算沖擊導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)的剩余壽命。采用復(fù)合材料平板進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了沖擊識(shí)別的有效性。

采用有限元法可以準(zhǔn)確模擬彈性波傳播，文獻(xiàn)[39]采用有限元法研究了彈性波在復(fù)合材料熱防護(hù)板中的傳播規(guī)律。然而沖擊的高頻譜特征，導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析提出了極高的計(jì)算耗費(fèi)需求，為了捕捉短時(shí)沖擊行為，需要極小的網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)。為此，西北工業(yè)大學(xué)作者所在的團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于時(shí)域譜單元方法的彈性波和沖擊模擬技術(shù)[40-42]。圖10給出了典型的三維有限元單元和三維譜單元的差別。由于采用的高階插值和特殊的積分規(guī)則，使得在沖擊模擬問(wèn)題中譜單元的計(jì)算效率非常的高。作者所在的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了基于譜單元的一種沖擊識(shí)別策略，并在以空間站桁架結(jié)構(gòu)為背景的空間結(jié)構(gòu)沖擊識(shí)別中進(jìn)行了應(yīng)用[43]，研究結(jié)果表明，所建立的方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)中的沖擊識(shí)別，時(shí)域譜單元方法能夠以較小的計(jì)算耗費(fèi)更快地實(shí)現(xiàn)沖擊定位，對(duì)激勵(lì)重構(gòu)的效果也要好于傳統(tǒng)方法。

聲發(fā)射傳感器雖然可以有效地監(jiān)測(cè)沖擊事件，但在實(shí)際應(yīng)用中，其仍存在一些挑戰(zhàn)：(1)聲發(fā)射傳感器重量往往較大，構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加不少結(jié)構(gòu)質(zhì)量；(2)沖擊事件都是瞬態(tài)事件，要求系統(tǒng)具有較高頻帶范圍。相比于聲發(fā)射傳感器，壓電晶片傳感器具有重量輕、頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。最近英國(guó)巴斯大學(xué)學(xué)者[44]提出在碳纖維復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)中嵌入壓電晶片傳感器以構(gòu)建智能CFRP板，然后利用兩個(gè)平行的CFRP板根據(jù)沖擊產(chǎn)生的彈性波信號(hào)實(shí)現(xiàn)沖擊損傷的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部[45]提出采用壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行沖擊監(jiān)測(cè)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證。

可以看出，對(duì)于RLV的沖擊損傷監(jiān)測(cè)，由于其在軌服役、再入返回等過(guò)程中遭受的沖擊速度高，壓電傳感器頻率響應(yīng)范圍寬，目前受到學(xué)者更多的關(guān)注。另一方面，在沖擊力、沖擊損傷位置監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，如何對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度和剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估成為學(xué)者日益關(guān)心的問(wèn)題。

4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在軌驗(yàn)證

可重復(fù)使用空天飛機(jī)在其入軌后，仍然需要SHM系統(tǒng)對(duì)微流星、小尺度空間碎片等外來(lái)物體撞擊等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[34]。然而在空間環(huán)境下，極端溫度、真空、微重力、輻射等因素會(huì)對(duì)SHM系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件如壓電傳感器等產(chǎn)生不可預(yù)知的影響，進(jìn)而直接影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此對(duì)SHM系統(tǒng)進(jìn)行在軌驗(yàn)證，成為該技術(shù)在可重復(fù)使用航天器中進(jìn)行實(shí)際部署的必要驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

針對(duì)上述問(wèn)題，歐洲學(xué)者在羅馬尼亞太空署的資助下，在地面實(shí)驗(yàn)室模擬了空間的極端溫度、輻射環(huán)境，并研究了壓電傳感器等關(guān)鍵部件在空間環(huán)境中的性能演化[46-47]。美國(guó)南卡來(lái)羅納大學(xué)學(xué)者進(jìn)一步考慮了真空環(huán)境對(duì)于壓電傳感器的影響[48]。美國(guó)新墨西哥礦業(yè)理工大學(xué)學(xué)者在美國(guó)聯(lián)邦航空管理局等的資助下也開(kāi)展了類(lèi)似的研究[49-50]，結(jié)果表明輻射會(huì)通過(guò)影響壓電陶瓷的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)等，進(jìn)而導(dǎo)致其頻率響應(yīng)曲線發(fā)生改變。

由于地面模擬環(huán)境與太空環(huán)境仍然存在一定差距，為在空間環(huán)境中驗(yàn)證結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)的有效性，美國(guó)新墨西哥礦業(yè)理工大學(xué)在NASA等的資助下，研制了集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)搭載載荷[51]，利用熱氣球開(kāi)展了高空試驗(yàn)，并利用基于超聲導(dǎo)波、機(jī)電阻抗的損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)螺栓松動(dòng)損傷和裂紋損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)研究了氣球高度對(duì)于機(jī)電阻抗和超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的影響[52]。上述試驗(yàn)局限于同溫層，新墨西哥礦業(yè)理工大學(xué)隨后利用探空火箭開(kāi)展了亞軌道搭載試驗(yàn)，并研制了類(lèi)似的集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)載荷[53]，如圖11所示，力圖檢驗(yàn)系統(tǒng)在低重力、低溫等環(huán)境下的可靠性。然而亞軌道飛行的軌道高度仍然較低，高度僅約112 km，在空間停留時(shí)間短，僅為2′35″。為此，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出利用國(guó)際空間站開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭載試驗(yàn)[54-55]，以驗(yàn)證系統(tǒng)及關(guān)鍵部件在長(zhǎng)期在軌環(huán)境中的有效性。

目前國(guó)內(nèi)在此方面的研究較少，西北工業(yè)大學(xué)作者所在團(tuán)隊(duì)，為在衛(wèi)星等航天器上進(jìn)行搭載以開(kāi)展在軌驗(yàn)證，自主開(kāi)發(fā)了基于機(jī)電阻抗技術(shù)的集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)搭載載荷，用于太空環(huán)境中機(jī)電阻抗等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的在軌驗(yàn)證，如圖12所示。

可以看出，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在軌驗(yàn)證是其在可重復(fù)使用航天器中實(shí)際部署前的必要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都已經(jīng)意識(shí)到該項(xiàng)工作的重要性，從公開(kāi)報(bào)道文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在亞軌道等臨近空間的驗(yàn)證。而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作相對(duì)較為欠缺，仍未開(kāi)展在軌驗(yàn)證試驗(yàn)。

5 總結(jié)與展望

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)會(huì)對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器的完整性、安全性和可靠性產(chǎn)生重要的影響。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，該技術(shù)的成熟度不斷提高，逐步走到了工程實(shí)際應(yīng)用的門(mén)檻。

對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器而言，熱防護(hù)系統(tǒng)連接松動(dòng)檢測(cè)、低溫貯箱健康監(jiān)測(cè)、沖擊監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的空間環(huán)境適用性等，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。本文分別對(duì)其國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展情況進(jìn)行了梳理，給出了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概貌?？偟目磥?lái)，國(guó)外技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)的研究工作已逐步起步和發(fā)展，已在某些專(zhuān)門(mén)問(wèn)題中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和嘗試，但目前仍然需要在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論方法、關(guān)鍵元件、系統(tǒng)集成、原型系統(tǒng)驗(yàn)證等方面做大量的工作。具體而言，為盡快實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際部署，以下問(wèn)題亟需國(guó)內(nèi)學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注：

1)對(duì)于熱防護(hù)系統(tǒng)連接松動(dòng)檢測(cè)，目前的研究還局限于實(shí)驗(yàn)室的原理驗(yàn)證階段，對(duì)實(shí)際使用中的溫度補(bǔ)償、硬件重量、系統(tǒng)集成等因素考慮還不充分，需要在后續(xù)研究中重視和加強(qiáng)。

2)對(duì)于低溫復(fù)合材料貯箱的損傷監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)工作仍主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，如何綜合利用光纖傳感器、壓電傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱溫度、應(yīng)變、泄漏等損傷的有效監(jiān)測(cè)，并開(kāi)發(fā)面向RLV低溫貯箱的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原型是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的研究工作。

3)對(duì)于RLV的沖擊損傷監(jiān)測(cè)，由于其在軌服役、再入返回等過(guò)程中遭受的沖擊速度高，壓電傳感器重量輕頻率響應(yīng)范圍寬，目前受到學(xué)者更多的關(guān)注。同時(shí)如何根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度和剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估也已成為需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

4)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在軌驗(yàn)證是其在可重復(fù)使用航天器中實(shí)際部署前的必要測(cè)試環(huán)節(jié)，利用空間站、衛(wèi)星等航天器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期在軌驗(yàn)證，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作較為欠缺。

5)由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，建議在可重復(fù)使用空天飛行器初始設(shè)計(jì)階段就將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融入飛行器設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)從制造、裝配到服役全壽命周期的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)有效感知，最大化提高飛行器的可靠性和安全性。