丁文祺，寧 怡，潘玉竹，王泰然，徐國梁

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076；2. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

發(fā)射平臺(tái)是運(yùn)載火箭發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其整體承載能力的大小和綜合性能的優(yōu)劣直接決定了運(yùn)載火箭是否能夠安全、可靠地發(fā)射[1]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)單次火箭發(fā)射任務(wù)的可靠性量化評(píng)估，通過數(shù)據(jù)來支撐發(fā)射任務(wù)安全性決策，預(yù)測(cè)和判斷平臺(tái)可能出現(xiàn)的損傷和故障，亟需建立活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)健康管理系統(tǒng)。平臺(tái)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是平臺(tái)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含各種傳感器的布置，數(shù)據(jù)采集和處理，為健康管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的應(yīng)變、溫度、熱流、噪聲、振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

劉國亮等[2]對(duì)發(fā)射平臺(tái)供配電系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究；楊艷明[3]設(shè)計(jì)了一種發(fā)射平臺(tái)環(huán)境監(jiān)測(cè)健康管理系統(tǒng)，通過采集平臺(tái)4個(gè)設(shè)備間的溫濕度、振動(dòng)、氫氧濃度數(shù)據(jù)，為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的日常維護(hù)及執(zhí)行任務(wù)過程提供依據(jù)。目前尚未有對(duì)火箭發(fā)射流程中平臺(tái)承力部位進(jìn)行有效應(yīng)變監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究。

本文建立了一套基于光纖光柵的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)充分發(fā)揮了光纖光柵測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，選用合適的補(bǔ)償方法，對(duì)加注和發(fā)射過程中井字梁和立柱關(guān)鍵部位的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基本解決了光纖光柵在高振動(dòng)、大溫度梯度下的應(yīng)用難題，達(dá)到了一次布置、長期使用的目的。系統(tǒng)可為健康管理系統(tǒng)的建立和平臺(tái)可靠性及壽命評(píng)估提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)

運(yùn)載火箭發(fā)射平臺(tái)作為地面發(fā)射支持系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其基本功能包括：用于支承、安裝、捆綁火箭箭體，固定與火箭相關(guān)附件及其他地面設(shè)備，完成從技術(shù)中心到發(fā)射中心的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，順暢排導(dǎo)火箭發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)饬鞯萚4]。

1.1 平臺(tái)井字梁

圖1[5]為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)局部模型。如圖1所示，臺(tái)體為一個(gè)鋼制的盒型結(jié)構(gòu)，中央是一個(gè)井字梁。上表面分布有12個(gè)支撐臂。在轉(zhuǎn)運(yùn)、加注和發(fā)射過程中，井字梁和支撐臂是主承載部件?；鸺亓坑删至杭捌渖?2個(gè)支撐臂承擔(dān)。每個(gè)助推器放在3個(gè)支撐臂上，芯級(jí)掛在4個(gè)助推器上。在火箭加注和發(fā)射過程中，井字梁和支撐臂是主承力部件，是平臺(tái)承力部位應(yīng)變最大的位置。

圖1 發(fā)射平臺(tái)局部模型Fig.1 The 3D Model of the Launching Platform

1.2 平臺(tái)設(shè)備間

新一代運(yùn)載火箭采用了“三垂”測(cè)試發(fā)射模式，即火箭在技術(shù)廠房垂直總裝、垂直測(cè)試，借助發(fā)射平臺(tái)垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射陣地。為了適應(yīng)此種發(fā)射流程，將測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)射平臺(tái)自身電氣、液壓、驅(qū)動(dòng)控制等各種測(cè)控設(shè)備，集成于發(fā)射平臺(tái)4個(gè)前端設(shè)備工作間[6]。設(shè)備間頂部和底部均為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部放置有前端設(shè)備和立柱。火箭發(fā)射過程中設(shè)備間立柱承受火箭燃?xì)饬鳑_擊載荷，因此需對(duì)設(shè)備間立柱承載應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

綜上分析，井字梁支撐臂位置和設(shè)備間立柱的應(yīng)變是需關(guān)注的重點(diǎn)，平臺(tái)應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要研究井字梁和設(shè)備間立柱在加注和發(fā)射過程中的應(yīng)變。

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試方法

結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試方法主要分2種：應(yīng)變電測(cè)法和光纖光柵應(yīng)變測(cè)試法。

2.1 應(yīng)變電測(cè)法

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)是應(yīng)用電學(xué)方法測(cè)量應(yīng)變的技術(shù)。將應(yīng)變片粘貼到被測(cè)物體表面，通過應(yīng)變計(jì)的基底，粘結(jié)劑將被測(cè)物的形變傳遞給敏感柵，使敏感柵的電阻發(fā)生變化，將非電量的“應(yīng)變”轉(zhuǎn)換成電量的“電阻”變化[7]。應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系表達(dá)式為

式中R0為應(yīng)變片電阻；k為靈敏系數(shù)；RΔ為試驗(yàn)件變形引起的R0電阻變化量。

將應(yīng)變片接入橋路，組成惠斯通電橋，通過測(cè)量橋路輸出即可測(cè)出試驗(yàn)件發(fā)生的應(yīng)變。

2.2 光纖光柵應(yīng)變測(cè)試法

光纖光柵測(cè)試是一種新型的應(yīng)變測(cè)試方法，通過測(cè)量Bragg波長的漂移來實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的檢測(cè)。一束寬帶光入射到光纖光柵中，反射光波長Bλ[8]為

式中Λ為光柵周期；neff為光纖纖芯的有效折射率。

光柵僅受載荷影響時(shí)，應(yīng)變與波長偏移量關(guān)系[9]為

光柵僅受溫度影響時(shí)，溫度與波長偏移量關(guān)系[8]為

式中α為光纖熱膨脹系數(shù)；η為光纖的熱光系數(shù)；ΔT為被測(cè)物體溫度變化量。

將光纖光柵粘貼在物體表面測(cè)量應(yīng)變時(shí)，光纖受到外載荷和溫度的共同作用。波長改變量為

被測(cè)物體在外載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

對(duì)于普通的光纖，α=5.5×10-7/℃，η=6.67×10-6/℃，熱光效應(yīng)對(duì)波長改變量的貢獻(xiàn)達(dá)到95%[8]。

1989年，Morey等[9]研究了光纖光柵溫度和應(yīng)變傳感特性，裸光纖溫度靈敏度約為11 pm/℃，應(yīng)變靈敏度約為1.2 pm/℃。裸光纖溫度靈敏度約為應(yīng)變靈敏度的9.3倍。

2.3 2種測(cè)試方法對(duì)比

光纖光柵和應(yīng)變電測(cè)2種應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)比如表1所示。

表1 光纖光柵和應(yīng)變電測(cè)的對(duì)比Tab.1 Comparison of Strain Gauges and FBG Sensors

由表1可知，光纖光柵適用于小規(guī)模、有電磁干擾、潮濕環(huán)境下的長期監(jiān)測(cè)。發(fā)射平臺(tái)常年處于高溫、高濕環(huán)境下，發(fā)射過程中有強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)電磁輻射。平臺(tái)應(yīng)變測(cè)試不僅要對(duì)加注和發(fā)射過程中的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，也需對(duì)影響平臺(tái)壽命的累積變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此本試驗(yàn)采用光纖光柵應(yīng)變測(cè)試方法。

3 溫度對(duì)粘貼傳感器的影響及補(bǔ)償

3.1 粘貼后的光纖光柵傳感器溫度影響分析

當(dāng)光纖光柵傳感器粘貼到熱膨脹系數(shù)較大的物體上時(shí)，被測(cè)物體和光纖的熱膨脹系數(shù)會(huì)共同作用于光纖傳感器上，由溫度引起的波長變化量為[10]

方案Ⅲ：采用立井開拓方式，井筒基本位于井田儲(chǔ)量中心區(qū)域，井筒凍結(jié)深度較深，井筒一次建成，礦井初期開拓工程量較大、投資高，工期較長。

式中Sα為被測(cè)物體和光纖的熱膨脹系數(shù)；α遠(yuǎn)小于Sα和η（Sα/α>10），可忽略不計(jì)，此時(shí)式（7）中的波長變化量為

當(dāng)被測(cè)物體溫度變化ΔT時(shí)，由溫度引起的波長變化量增加了αS·ΔT，相當(dāng)于對(duì)光纖光柵進(jìn)行溫度增敏[10]封裝。

平臺(tái)及井字梁材料為鋼，其熱膨脹系數(shù)為(10～20)×10-6/℃；設(shè)備間立柱材料采用鋁合金，其熱膨脹系數(shù)為(10～23)×10-6/℃，與光纖熱光系數(shù)η數(shù)值接近。將光纖的η、鋁的Sα代入式（8）后，得出溫度變化 ΔT，溫度引起波長變化量為（16.75～26）·ΔT。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將光柵粘貼到鋁制等強(qiáng)度梁上，由于粘結(jié)劑選用、粘貼工藝等原因，溫度造成的波長改變量與式（8）計(jì)算結(jié)果存在一定差異。因此不能簡(jiǎn)單使用理論公式來計(jì)算溫度引起的光纖波長變化量，需在實(shí)際環(huán)境下對(duì)粘貼后傳感器的溫度靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。

通過環(huán)氧樹脂膠將光纖光柵傳感器粘貼在被測(cè)物體上。在長期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，平臺(tái)所處的高溫高濕環(huán)境會(huì)造成粘貼位置的快速銹蝕和環(huán)氧樹脂膠層的明顯蠕變[11]，使膠層與傳感器逐漸脫離，造成測(cè)試結(jié)果反映平臺(tái)的變形甚至損壞傳感器不夠準(zhǔn)確。因此光纖光柵傳感器及周邊打磨位置均需采取防潮及防高溫措施。

綜上所述，當(dāng)溫度變化時(shí)，被測(cè)材料的熱膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致光纖的溫度靈敏度增大，也會(huì)導(dǎo)致光纖粘結(jié)劑的逐步蠕變，因此必須采取高溫防護(hù)和溫度補(bǔ)償。

3.2 光纖光柵溫度補(bǔ)償方法

光纖溫度補(bǔ)償方法有2種：溫度系數(shù)補(bǔ)償法和材料補(bǔ)償法。由第3.1節(jié)的分析可知，使用溫度系數(shù)補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需單獨(dú)標(biāo)定溫度與粘貼后的傳感器熱輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的溫度和標(biāo)定的系數(shù)來計(jì)算熱輸出。材料補(bǔ)償法是將補(bǔ)償傳感器安裝在同種材料的補(bǔ)償塊上，當(dāng)溫度變化時(shí)，被補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)和補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)的Sα和η均相同，熱輸出也一致。因此本試驗(yàn)使用材料補(bǔ)償法來對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

4 平臺(tái)應(yīng)變測(cè)試的測(cè)點(diǎn)分布

4.1 平臺(tái)應(yīng)變分析

圖2為平臺(tái)井字梁承載條件下的有限元應(yīng)力分布云圖。圖2中梁上的凸出位置是支撐臂分布位置，井字梁內(nèi)圈有4個(gè)支撐臂，外圈有8個(gè)支撐臂。由圖2可以看出各支撐臂對(duì)應(yīng)的井字梁位置和井字梁內(nèi)圈是應(yīng)力分布較大的部位。通過在這些位置布置光纖光柵傳感器，來對(duì)井字梁的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，補(bǔ)充房間立柱測(cè)點(diǎn)分析。

圖2 加注過程中井字梁應(yīng)力分布云圖Fig.2 The Stress Nephogram of the Well-shaped Beam in Fuel Filling

4.2 平臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置

圖3為平臺(tái)光纖應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置分布，共有23個(gè)正式應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布示意Fig.3 The Position Sketch of The Fiber Sensors

a）井字梁共7個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，其中Y1、Y2、Y12、Y13、Y14分別分布在5個(gè)支撐臂下方，Y3、Y4分布在兩梁正交處。

b）每個(gè)設(shè)備間立柱東南西北向各布置4個(gè)光纖光柵測(cè)點(diǎn)，分別為Y8（a、b、c、d）、Y9（a、b、c、d）、Y10（a、b、c、d）、Y11（a、b、c、d）。

補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)布置方案如下：

a）每個(gè)設(shè)備間的4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共用1個(gè)補(bǔ)償片。

b）井字梁內(nèi)，兩梁正交位置的2個(gè)測(cè)點(diǎn)共用1個(gè)補(bǔ)償片，其他各個(gè)測(cè)點(diǎn)均單獨(dú)布置1個(gè)補(bǔ)償片。

4.3 電測(cè)應(yīng)變片的布置

在所有光纖光柵測(cè)點(diǎn)附近布置一個(gè)電測(cè)應(yīng)變片，通過比較應(yīng)變片和光纖光柵的測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證光纖光柵在加注和發(fā)射過程中的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。所有光纖測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變片之間的距離均為100 mm。圖4為3#設(shè)備間應(yīng)變片和光纖測(cè)點(diǎn)安裝位置示意，其他設(shè)備間立柱的傳感器位置參照?qǐng)D4。

圖4 光纖光柵傳感器、應(yīng)變片安裝位置示意Fig.4 The Scheme of Installation of The Strain Gauges and the FBG Sensors on the Stud In Equipment Room

5 結(jié)果分析

平臺(tái)應(yīng)變測(cè)試主要對(duì)煤油、液氧、液氫加注過程、發(fā)射過程中所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。加注過程的數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，發(fā)射過程的采樣率為5 kHz。選取井字梁內(nèi)圈支撐臂處Y1、外圈支撐臂處Y2、兩梁正交處Y4 3個(gè)測(cè)點(diǎn)，4#設(shè)備間的4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。以火箭點(diǎn)火時(shí)刻為零時(shí)刻，點(diǎn)火前時(shí)間為負(fù)，點(diǎn)火后時(shí)間為正。

5.1 煤油加注過程

圖5為煤油加注過程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變曲線。由圖5可知，煤油加注的整個(gè)過程，在加注準(zhǔn)備階段和加注完成后，曲線比較平穩(wěn)，基本無跳動(dòng)。隨著煤油加注量的增加，火箭質(zhì)量增加，井字梁承載增大導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值逐漸增大。由圖5b可知，4#設(shè)備間立柱4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變跳動(dòng)均在±2 με以內(nèi)。數(shù)據(jù)表明設(shè)備間立柱在煤油加注過程中沒有發(fā)生變形，光纖補(bǔ)償效果較好，可反映立柱的實(shí)際受力狀態(tài)。井字梁和其他設(shè)備間立柱測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)與圖5一致。

圖5 煤油加注過程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變曲線Fig.5 The Curves of the Fiber Sensors in Kerosene Filling

5.2 液氧液氫加注過程

圖6為液氧液氫加注過程各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)域曲線。液氧液氫加注前對(duì)所有的光纖應(yīng)變測(cè)點(diǎn)清零。

圖6 液氧液氫加注過程中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域圖Fig.6 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Liquid Oxygen and Liquid Hydrogen Filling

由圖6a可知，井字梁各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)?12～-9 h內(nèi)基本穩(wěn)定，此階段是加注前的準(zhǔn)備階段和氧箱預(yù)冷階段；-9～-8 h，井字梁上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變略微增大，此階段是液氧的小流量加注過程；在-8～-7.5 h，井字梁內(nèi)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變梯度快速增大，此階段是液氧的大流量加注過程；各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值在-7.5～-6.5 h趨于穩(wěn)定，此階段是液氧補(bǔ)加和液氫加注準(zhǔn)備階段；-6.5～-3 h，Y1和Y2測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變緩慢增大，此階段是液氫的加注過程；在-0.5 h附近，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值再次增大，變化梯度小于液氫大流量加注，此過程是發(fā)射前液氫液氧的補(bǔ)加過程。井字梁其他測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢(shì)與圖6a一致。

由圖6b可知，右液氧液氫加注過程中4#設(shè)備間立柱上各測(cè)點(diǎn)在0軸附近有±6 με的跳變，說明液氧液氫加注過程中設(shè)備間立柱沒有變形，光纖的補(bǔ)償效果較好，數(shù)據(jù)表明立柱受力狀態(tài)與實(shí)際一致。其他設(shè)備間測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)與圖6b一致。

綜上分析，由于井字梁承擔(dān)了整個(gè)火箭的重量，隨著液氧液氫加注量的增加，井字梁上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值不斷增大。設(shè)備間立柱的應(yīng)變值在加注過程中無變化，說明立柱在加注過程中不承力，與實(shí)際相符。因此，平臺(tái)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地反映了液氧液氫加注過程的各個(gè)狀態(tài)，與加注時(shí)間節(jié)點(diǎn)吻合，補(bǔ)償效果較好。

5.3 發(fā)射過程

5.3.1 井字梁和設(shè)備間數(shù)據(jù)

火箭在起飛前10 s左右處于加注完成狀態(tài)，此時(shí)井字梁承擔(dān)了火箭的全部重量，設(shè)備間立柱不承載。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火至起飛前，發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰從井字梁導(dǎo)流孔泄出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的逐漸增大，平臺(tái)承受的火箭重量逐漸減小，起飛前噴水裝置啟動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力與火箭重量相等時(shí)，火箭開始起飛。起飛后火箭高度不斷升高，尾焰沖擊平臺(tái)，在5 s左右對(duì)平臺(tái)的沖擊載荷達(dá)到最大，隨著火箭高度的繼續(xù)增加，尾焰對(duì)發(fā)射平臺(tái)的沖擊載荷逐漸減小至0。為了便于分析，僅對(duì)井字梁Y1、Y4、4個(gè)設(shè)備間中應(yīng)變值最大的4個(gè)測(cè)點(diǎn)Y8a、Y9b、Y10d、Y11d的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7、圖8為發(fā)射-10 s至發(fā)射后20 s內(nèi)的井字梁Y1、Y4測(cè)點(diǎn)和設(shè)備間應(yīng)變最大的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)域圖。橫坐標(biāo)0時(shí)刻為起飛時(shí)間。

圖7 發(fā)射過程中井字梁光纖測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖Fig.7 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Well-shaped Beam in Launching

圖8 發(fā)射過程中每個(gè)設(shè)備間的最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖Fig.8 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Each Equipment Room in Launching

綜合圖7和圖8可知，井字梁上Y1、Y4測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在-10 s時(shí)穩(wěn)定，設(shè)備間立柱各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變穩(wěn)定在0 με附近，火箭處于加注完成射前準(zhǔn)備狀態(tài)；在-8～0 s間，Y1和Y4的數(shù)據(jù)從-55 με增加至0 με，4個(gè)立柱測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)生微弱振蕩，此過程中發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后火箭受到的推力不斷增大，平臺(tái)載荷不斷卸載；0 s后，Y1和Y4、設(shè)備間立柱4個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均發(fā)生高頻振蕩，應(yīng)變值均不斷減小并在5 s附近達(dá)到負(fù)向最大值，此過程是火箭脫離平臺(tái)起飛后，平臺(tái)承受尾焰動(dòng)態(tài)載荷沖擊的過程；10 s后，Y1、Y4的應(yīng)變值振蕩變小、設(shè)備間4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值不斷減小至0 με，此過程中火箭高度不斷增大，尾焰對(duì)平臺(tái)的沖擊慢慢減小至0。

由圖8可知，1#、2#、3#立柱的最大應(yīng)變均在-800 με左右，4#設(shè)備間最大應(yīng)變?cè)?1400 με左右。由圖3得知，4#設(shè)備間更靠近于井字梁，因此承受的沖擊載荷更大，立柱變形更大。

5.3.2 井字梁和設(shè)備間數(shù)據(jù)對(duì)比

為了進(jìn)一步分析點(diǎn)火前后設(shè)備間和井字梁的狀態(tài)，給出了發(fā)射過程中井字梁測(cè)點(diǎn)Y2和4#設(shè)備間東向測(cè)點(diǎn)Y11a在-15～60 s對(duì)比，如圖9所示。由圖9可知，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變曲線均清晰地反映了火箭發(fā)射的各個(gè)過程和平臺(tái)的受力狀態(tài)。井字梁Y2和設(shè)備間Y11a的應(yīng)變值在同一時(shí)刻達(dá)到了負(fù)向最大值，起飛45 s后2個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

圖9 發(fā)射過程中井字梁和設(shè)備間光纖測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比Fig.9 The Comparative Diagram of The Fiber Sensors in Well-shaped Beam and Equipment Room

5.4 應(yīng)變電測(cè)法和光纖測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

從第3.4節(jié)可知，在每一個(gè)光纖測(cè)點(diǎn)附近布置了1個(gè)電測(cè)應(yīng)變片，選取Y1、Y4進(jìn)行分析。圖10為Y1、Y4電測(cè)應(yīng)變片的測(cè)試數(shù)據(jù)，在起飛前對(duì)所有應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)清零。比較圖7和圖10可知，2種測(cè)試方法在-10～20 s內(nèi)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，在10 s后均出現(xiàn)了1 Hz左右的低頻振蕩。

圖10 發(fā)射過程中應(yīng)變電測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)域圖Fig.10 The Time-domain Diagrame of Strain Gages in Launching

表2為在-5 s和起飛時(shí)刻Y1和Y4位置的應(yīng)變片和光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比。由表2可知，二者數(shù)據(jù)基本一致，因此在火箭發(fā)射平臺(tái)的應(yīng)變測(cè)試中可使用光纖光柵傳感器替代應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

表2 應(yīng)變片和光纖傳感器數(shù)據(jù)表Tab.2 Data of Strain Gauges and FBG Sensors

5.5 2次發(fā)射過程中的數(shù)據(jù)重復(fù)性對(duì)比.

圖11為井字梁光纖測(cè)點(diǎn)Y4兩次發(fā)射過程中的數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖11 井字梁Y4光纖測(cè)點(diǎn)兩次發(fā)射過程中的應(yīng)變Fig.11 The Time-domain Diagram of Y4 in Two Launching

由圖11可知，Y4光纖測(cè)點(diǎn)2次發(fā)射任務(wù)中的應(yīng)變特征、幅值和趨勢(shì)均一致，僅在相位上略有差異。2次加注完成后Y4的應(yīng)變均在-57 με左右，在加注完成至起飛過程中，應(yīng)變振幅均為67 με。其他測(cè)點(diǎn)在2次發(fā)射任務(wù)的加注和發(fā)射中變化趨勢(shì)和數(shù)值均基本一致，部分測(cè)點(diǎn)存在一定的差異，但均在10 με以內(nèi)，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。因此光纖光柵應(yīng)變測(cè)試可達(dá)到1次布置、多次使用的效果。

通過對(duì)火箭加注、發(fā)射過程中井字梁和設(shè)備間的光纖應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與應(yīng)變電測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明光纖應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)和補(bǔ)償方法有效，可有效反映火箭在加注、發(fā)射過程的各個(gè)狀態(tài)及平臺(tái)承載狀態(tài)，可替代應(yīng)變片并應(yīng)用于火箭發(fā)射平臺(tái)的長期應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)束語

本文基于光纖光柵應(yīng)變測(cè)試方法初步建立了火箭活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于兩次發(fā)射任務(wù),試驗(yàn)結(jié)果可反映發(fā)射平臺(tái)關(guān)鍵部位的受載情況。基于光纖光柵應(yīng)變測(cè)試方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在火箭發(fā)射平臺(tái)健康監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景，可為平臺(tái)健康管理系統(tǒng)的建立提供數(shù)據(jù)支撐。