鄭輝，邱雷，袁慎芳，楊曉飛，盧緒龍，薛兆鵬

南京航空航天大學(xué)，機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究中心，南京 210016

高超聲速飛行器具有快速響應(yīng)、超強(qiáng)突防、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)是一種兼?zhèn)鋺?zhàn)略威懾和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用能力的先進(jìn)飛行器。當(dāng)前世界強(qiáng)國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)，投入經(jīng)費(fèi)多達(dá)幾百億美元。中國(guó)也計(jì)劃將高超聲速飛行器科技工程列入到“十四五”國(guó)家發(fā)展規(guī)劃中。

高超聲速飛行器再入大氣過程最大飛行馬赫數(shù)可達(dá)20，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(Thermal Protection Structures，TPS)作為高超聲速飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因高速飛行引起的激波壓縮、黏性摩擦等作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面溫度急劇升高，機(jī)頭錐體、機(jī)翼前緣表面溫度達(dá)1 800～2 000 ℃，機(jī)身迎風(fēng)面的溫度也在1 200 ℃左右，最高持續(xù)時(shí)間約為25 min左右。長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用再加之飛行過程中面臨的沖擊、振動(dòng)、強(qiáng)噪聲、強(qiáng)輻射等復(fù)雜服役條件，TPS容易出現(xiàn)燒蝕、裂紋、分層、凹陷等損傷，為其安全服役留下嚴(yán)重隱患。為保障高超聲速飛行器的安全服役，每次飛行完成后需對(duì)其進(jìn)行維修和檢測(cè)。這種方式所耗人力物力巨大，且不能實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，故亟需研究能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法。

近年來，高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用與結(jié)構(gòu)集成的傳感器，在線獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)，通過特定的信號(hào)處理和力學(xué)建模分析方法，提取與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)特征，再利用損傷診斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)估，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在結(jié)構(gòu)服役過程中對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，該技術(shù)對(duì)保障高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)的安全服役和高效運(yùn)維至關(guān)重要。在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法中，基于壓電傳感器(Piezoelectric Transducer，PZT)的導(dǎo)波損傷監(jiān)測(cè)方法具有監(jiān)測(cè)靈敏度高、監(jiān)測(cè)范圍大、既能在線應(yīng)用也可離線應(yīng)用等特點(diǎn)，是能夠直接監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的一種重要方法。一些學(xué)者也基于該方法開展了高超聲速飛行器TPS健康監(jiān)測(cè)的研究：Chang和Yang基于導(dǎo)波方法對(duì)碳/碳(Carbon/Carbon，C/C)復(fù)合材料壁板在外部沖擊下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接松動(dòng)和壁板損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探索了方法潛在應(yīng)用前景。Kundu等基于導(dǎo)波對(duì)一種耐火泡沫陶瓷材料多孔隔熱瓦的外部沖擊及其與基體鋁板結(jié)構(gòu)之間的脫粘進(jìn)行監(jiān)測(cè)；袁慎芳等通過多物理耦合建模仿真分析對(duì)C/C復(fù)合材料板中的導(dǎo)波傳播特性和損傷影響進(jìn)行了研究。劉科海等基于導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法，采用機(jī)械切削的方式對(duì)鋁/E51復(fù)合板模擬燒蝕過程進(jìn)行了研究。

目前高超聲速飛行器TPS健康監(jiān)測(cè)的研究尚處于探索階段，針對(duì)TPS損傷的直接監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究較少。上述基于導(dǎo)波的研究中主要采用仿真和模擬損傷，缺乏對(duì)TPS模擬飛行環(huán)境受到高溫氣流產(chǎn)生真實(shí)損傷情況下的導(dǎo)波傳播特性和損傷對(duì)導(dǎo)波影響規(guī)律的系統(tǒng)性研究。

C/C復(fù)合材料因其強(qiáng)度高、密度低、耐受溫度高是目前高超聲速飛行器TPS中的一種重要材料。本文以C/C TPS為研究對(duì)象，提出采用壓電-導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法，基于氧-乙炔燒蝕方法模擬飛行環(huán)境高溫氣流，從而制造真實(shí)損傷進(jìn)行研究，主要工作包括：

1) 提出了氧-乙炔高溫氣流對(duì)TPS進(jìn)行燒蝕制造真實(shí)損傷的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，建立了TPS氧-乙炔燒蝕損傷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初步解決了結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面和內(nèi)表面的溫度測(cè)量、結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面損傷測(cè)量、導(dǎo)波信號(hào)獲取等基礎(chǔ)問題。

2) 開展了不同厚度TPS的氧-乙炔高溫氣流燒蝕損傷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取了結(jié)構(gòu)在燒蝕前、高溫氣流燒蝕過程中、燒蝕后的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)，以及結(jié)構(gòu)溫度分布情況和損傷形貌等。

3) 從燒蝕前后導(dǎo)波信號(hào)和特征參數(shù)的對(duì)比以及損傷程度的表征等方面分析了TPS高溫氣流損傷下的導(dǎo)波傳播特性及損傷影響規(guī)律，驗(yàn)證了導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法對(duì)TPS損傷及其擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)可行性。

1 TPS導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法

1.1 導(dǎo)波監(jiān)測(cè)原理

針對(duì)高超聲速飛行器的TPS迎風(fēng)面高溫氣流損傷，其導(dǎo)波監(jiān)測(cè)原理如圖1所示，將PZT與飛行器TPS的內(nèi)表面一體化集成，在TPS的內(nèi)表面利用PZT主動(dòng)激發(fā)導(dǎo)波信號(hào)傳遞到迎風(fēng)面高溫區(qū)，通過布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成區(qū)域接收響應(yīng)信號(hào)。TPS迎風(fēng)面健康狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，導(dǎo)波信號(hào)在傳播過程中遇到TPS的迎風(fēng)面高溫氣流損傷后傳播特性會(huì)產(chǎn)生變化，這種損傷狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)為監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過對(duì)比分析基準(zhǔn)信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域、頻域、時(shí)-頻域特征的變化，如信號(hào)的幅值、相位、能量等，來對(duì)TPS迎風(fēng)面高溫氣流損傷進(jìn)行評(píng)估。

圖1 TPS導(dǎo)波監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of guided wave monitoring principle of TPS

1.2 損傷因子

損傷因子(Damage Index，DI)是將損傷大小與導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)的某種特征關(guān)聯(lián)起來，定量地分析導(dǎo)波對(duì)損傷的響應(yīng)和監(jiān)測(cè)規(guī)律。受損傷影響的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，主要為幅值、相位和頻譜等時(shí)、頻域特征的變化。因此本文從表征幅值變化和相位變化以及它們綜合變化3個(gè)方面考慮，選取以下3種損傷因子進(jìn)行研究，考察其對(duì)損傷的表征能力。

1) 頻譜幅度差損傷因子：

(1)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)的頻域信號(hào);和分別為所截取信號(hào)頻譜的起始和終止頻率;該損傷因子主要反映信號(hào)幅值隨損傷大小的變化。

2) 互相關(guān)損傷因子：

(2)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)的時(shí)域信號(hào);和分別為信號(hào)截取區(qū)間的左、右端點(diǎn)，該損傷因子主要反映信號(hào)相位隨損傷大小的變化。

3) 差分曲線能量損傷因子：

DI=

(3)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)的時(shí)域信號(hào);-1和為信號(hào)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣時(shí)間。該損傷因子綜合反映信號(hào)整體隨損傷大小的變化。

2 C/C TPS損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)

TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)如圖2所示，包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成、實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)及實(shí)施、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。設(shè)計(jì)了TPS高溫氣流施加方法和導(dǎo)波信號(hào)獲取方法，并將對(duì)應(yīng)的2套系統(tǒng)進(jìn)行集成，搭建了TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，采用接觸式和非接觸式的測(cè)量方法測(cè)量溫度和損傷。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過氧-乙炔高溫氣流燒蝕TPS并測(cè)量TPS迎風(fēng)面和內(nèi)表面溫度，燒蝕前后獲取導(dǎo)波信號(hào)及燒蝕損傷程度，最后通過導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)TPS狀態(tài)評(píng)估。

圖2 TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)Fig.2 Framework of guided wave monitoring experimental method for high temperature airflow damage of TPS

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為2種不同厚度的典型C/C TPS，尺寸分別為250 mm× 250 mm× 8 mm、250 mm× 300 mm× 14 mm，如圖3所示，材料參數(shù)見表1。

圖3 C/C TPS實(shí)物圖及尺寸Fig.3 Diagram of C/C TPS

表1 C/C TPS典型參數(shù)Table 1 Typical parameters of C/C TPS

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成包括高溫氣流施加方法及系統(tǒng)，導(dǎo)波信號(hào)獲取方法及系統(tǒng)，溫度及損傷測(cè)量方法。

1)高溫氣流施加方法及系統(tǒng)：TPS的高溫氣流施加方法采用GJB 323B—2018《燒蝕材料燒蝕試驗(yàn)方法》規(guī)定的氧-乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)方法。氧-乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括試件夾具、燒蝕槍、燒蝕控制臺(tái)組成，其中TPS由夾具進(jìn)行裝夾，燒蝕槍負(fù)責(zé)噴射高溫火焰燒蝕TPS，燒蝕控制臺(tái)主要控制燒蝕槍的燒蝕時(shí)間、燃料配比及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。為使TPS充分燃燒，選擇其迎風(fēng)面中心點(diǎn)處為燒蝕位置，如圖5(a)所示。

2) 導(dǎo)波信號(hào)獲取方法及系統(tǒng)：在傳感器方面，由于高溫氣流燒蝕過程中，TPS處于高溫狀態(tài)，所以壓電傳感器采用高溫傳感器，傳感器與結(jié)構(gòu)的耦合采用高溫粘結(jié)劑，其引線采用高溫引線及高溫焊接方法與傳感器連通，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波激勵(lì)、響應(yīng)和信號(hào)傳輸。研究中，TPS監(jiān)測(cè)區(qū)域面積設(shè)計(jì)為200 mm×200 mm，在監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)布置了8個(gè)壓電傳感器，如圖5(b)所示。傳感器編號(hào)分別為1～8號(hào)，共設(shè)計(jì)了28個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)-傳感通道，如圖6(a)所示。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，采用南京航空航天大學(xué)自主研制的集成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱：導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，如圖4所示。該系統(tǒng)在同一個(gè)時(shí)刻，控制8個(gè)傳感器中的其中2個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵(lì)信號(hào)施加和響應(yīng)信號(hào)獲取，通過對(duì)8個(gè)傳感器組成的28個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)-傳感網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行掃查，獲取覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)區(qū)域的導(dǎo)波信號(hào)。

圖4 TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Guided wave monitoring experimental platform for high temperature airflow damage of TPS

3) 溫度及損傷測(cè)量方法：在溫度測(cè)量方面，為了研究TPS上典型位置溫度情況，選擇在壓電傳感器位置、TPS內(nèi)表面中心點(diǎn)位置、迎風(fēng)面邊緣處共布置了12個(gè)熱電偶傳感器，并依次編號(hào)為1～12，如圖5(b)和圖6(b)所示。TPS迎風(fēng)面中心位置在燒蝕過程中處于超高溫狀態(tài)，因此采用非接觸的紅外測(cè)溫儀(CIT-1MD，量程600～3 000 ℃)進(jìn)行溫度測(cè)量。在損傷測(cè)量方面，采用顯微放大系統(tǒng)(WSUSB401，放大倍數(shù)5～200倍)觀察燒蝕后產(chǎn)生的損傷形貌，并通過千分尺(AH37，精度±0.007 mm)測(cè)量TPS迎風(fēng)面燒蝕位置中心點(diǎn)的損傷深度。

圖5 TPS及傳感器布置實(shí)物Fig.5 Diagram of TPS and sensor layout

圖6 TPS傳感器布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of PZT and temperature sensor layout on TPS

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

在對(duì)TPS施加高溫氣流燒蝕前，導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取TPS處于健康狀態(tài)下的基準(zhǔn)信號(hào)，用表示，并測(cè)量TPS表面初始溫度和燒蝕位置的初始深度。然后對(duì)TPS施加高溫氣流燒蝕。一次完整的燒蝕過程包括點(diǎn)火、燒蝕、關(guān)火3部分，如圖7所示，燒蝕持續(xù)時(shí)間設(shè)置為20 s。

圖7 TPS氧-乙炔高溫氣流燒蝕過程Fig.7 Ablation process of TPS by high-temperature airflow of oxygen-acetylene

針對(duì)每次燒蝕，實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如下：燒蝕槍點(diǎn)火，調(diào)整控制臺(tái)燒蝕熱流密度為3 700 kW/m；轉(zhuǎn)動(dòng)燒蝕槍對(duì)TPS施加高溫氣流，在TPS燒蝕過程中測(cè)量溫度；燒蝕槍關(guān)火后，待TPS整體溫度降低到初始溫度點(diǎn)附近時(shí)，進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)獲取，并測(cè)量燒蝕位置中心點(diǎn)處損傷深度。研究中共計(jì)對(duì)TPS施加了11次燒蝕，每次燒蝕后獲取的導(dǎo)波信號(hào)用表示，其中=1,2,…,11。

上述實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置為：激勵(lì)信號(hào)波形為正弦調(diào)制5波峰，激勵(lì)信號(hào)中心頻率從50 kHz到300 kHz掃頻，頻率間隔10 kHz，激勵(lì)信號(hào)幅值為±70 V；導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)采樣率為10 MSamples/s，采樣長(zhǎng)度為5 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用預(yù)觸發(fā)采集模式，觸發(fā)長(zhǎng)度500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

燒蝕過程中，觀測(cè)到TPS迎風(fēng)面燒蝕區(qū)域的溫度平均值約為1 800 ℃。對(duì)8 mm和14 mm2種 TPS統(tǒng)計(jì)了燒蝕過程中內(nèi)表面溫度變化，其中14 mm TPS的典型結(jié)果如圖8所示，其內(nèi)表面中心點(diǎn)處最高溫度超過500 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近90 ℃。8 mm TPS的內(nèi)表面中心點(diǎn)處最高溫度超過1 000 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近110 ℃。TPS燒蝕位置隨著燒蝕程度的增加，損傷形貌由點(diǎn)狀小坑逐漸轉(zhuǎn)變成凹坑，類似蜂窩形狀，如圖9所示。TPS燒蝕損傷深度測(cè)量結(jié)果如圖10所示，隨著燒蝕次數(shù)的增加，損傷深度呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，損傷擴(kuò)展速率約為0.007 mm/s。

圖8 14 mm TPS燒蝕過程中內(nèi)表面?zhèn)鞲衅鳒囟茸兓疐ig.8 Temperature variation during ablation process of 14 mm TPS

圖9 14 mm TPS典型燒蝕損傷及深度Fig.9 Typical ablation damage and its depth of 14 mm TPS

圖10 14 mm TPS燒蝕深度與燒蝕次數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between ablation depth and ablation times of 14 mm TPS

3 C/C TPS導(dǎo)波傳播特性及損傷影響分析

3.1 C/C TPS的導(dǎo)波傳播特性

實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)8 mm及14 mm TPS的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)均進(jìn)行了分析，2種TPS的導(dǎo)波傳播特性規(guī)律基本一致，所以以下均以14 mm TPS的導(dǎo)波信號(hào)為例給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖11給出了TPS未燒蝕時(shí)，激勵(lì)-傳感通道4-5獲取的50～300 kHz全頻率信號(hào)瀑布圖。從圖中可以看出，在TPS上導(dǎo)波能夠被正常的激勵(lì)和響應(yīng)，但由于結(jié)構(gòu)尺寸有限，信號(hào)中存在大量邊界反射，導(dǎo)致信號(hào)混疊嚴(yán)重，所以在下面的分析中，主要考慮信號(hào)的直達(dá)波段，如圖12所示。

圖11 14 mm TPS 4-5通道50～300 kHz 導(dǎo)波信號(hào)瀑布圖Fig.11 Waterfall plot of guided wave signals at 50-300 kHz of channel 4-5 of 14 mm TPS

圖12 14 mm TPS 激勵(lì)-傳感通道4-5中心頻率80 kHz的典型導(dǎo)波信號(hào)Fig.12 A typical guided wave signal with a center frequency of 80 kHz obtained by channel 4-5 of 14 mm TPS

以下采用直接經(jīng)過燒蝕損傷的激勵(lì)-傳感通道4-5、2-7、1-8、3-6獲取的信號(hào)進(jìn)行分析，主要包括信號(hào)幅值和群速度受燒蝕損傷的影響情況。信號(hào)的中心頻率為80 kHz。圖13(a)、圖13(c)、圖13(e)和圖13(g)給出了上述通道獲取的基準(zhǔn)信號(hào)，以及第4次、第8次和第11次燒蝕后獲取的監(jiān)測(cè)信號(hào)，可以看出TPS燒蝕后導(dǎo)波信號(hào)發(fā)生了明顯變化。從圖13(b)、圖13(d)、圖13(f)和圖13(h)給出的基準(zhǔn)信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)之間的差信號(hào)可以觀察到，隨著燒蝕損傷程度的增加，差信號(hào)幅值增大，表明信號(hào)的變化程度增大。

為了定量化觀察燒蝕損傷的影響，統(tǒng)計(jì)了信號(hào)直達(dá)波幅值和波速的變化規(guī)律，結(jié)果如表2和表3所示。從表2可以看出，隨著燒蝕損傷程度的增加，直達(dá)波幅值逐漸增大，傳播速度呈現(xiàn)逐漸變快的趨勢(shì)。從表3可以得到，隨著燒蝕損傷程度的增加，相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的幅值，差信號(hào)幅值的變化程度增加。同時(shí)表3還計(jì)算了差信號(hào)相對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的變化情況，可以看出TPS燒蝕后差信號(hào)直達(dá)波幅值平均達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)直達(dá)波幅值的16%以上，在累計(jì)燒蝕11次后，燒蝕損傷深度1.645 mm 時(shí)達(dá)到了54%。上述結(jié)果表明導(dǎo)波對(duì)TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)，并且通過在TPS內(nèi)表面集成傳感器監(jiān)測(cè)TPS迎風(fēng)面損傷是可行的。

表2 TPS燒蝕前后的導(dǎo)波信號(hào)直達(dá)波幅值、波速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of direct wave amplitude and wave velocity of guided wave signals before and after ablation of TPS

表3 TPS燒蝕前后的導(dǎo)波差信號(hào)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of amplitude of guided wave difference signals before and after ablation of TPS

3.2 C/C TPS的導(dǎo)波損傷表征

基于式(1)～式(3)給出的損傷因子計(jì)算方法得到了11次燒蝕狀態(tài)下中心頻率為80 kHz的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)損傷因子，如圖14和圖15所示。監(jiān)測(cè)通道考慮直過損傷的激勵(lì)-傳感通道1-8、2-7、3-6、4-5和非直接過損傷激勵(lì)-傳感通道1-2、1-3、1-4、1-6這2種情況。可以看出隨著TPS燒蝕程度的增加，直過損傷通道3種損傷因子均增大，非直過損傷通道的損傷因子也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但其損傷因子變化程度小于直過損傷通道的損傷因子變化程度。

圖14 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.14 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖15 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.15 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

為了對(duì)比不同頻率信號(hào)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算了上述通道的中心頻率為130 kHz的導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)損傷因子，如圖16和圖17所示。通過對(duì)比可以看出，隨燒蝕損傷程度的增加，高頻信號(hào)損傷因子的變化相比于低頻信號(hào)損傷因子的變化更明顯，表明高頻導(dǎo)波信號(hào)可能對(duì)TPS燒蝕損傷的敏感程度更高。

圖16 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.16 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖17 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.17 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

上述結(jié)果表明了采用導(dǎo)波損傷因子對(duì)TPS的高溫氣流損傷及其擴(kuò)展程度進(jìn)行表征是可行的。

4 結(jié) 論

針對(duì)高超聲速飛行器C/C TPS，提出了一種C/C TPS損傷導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的氧-乙炔高溫氣流燒蝕實(shí)驗(yàn)方法，初步形成了高溫氣流真實(shí)損傷施加、導(dǎo)波獲取、溫度和損傷測(cè)量等問題的解決方案。通過導(dǎo)波監(jiān)測(cè)氧-乙炔燒蝕的C/C TPS真實(shí)損傷，獲得典型導(dǎo)波監(jiān)測(cè)信號(hào)并進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

1) 高溫氣流燒蝕過程中，8 mm和14 mm TPS 正面溫度均達(dá)到1 800 ℃，傳感器附近的最高溫度分別達(dá)到了約90 ℃和110 ℃。燒蝕過程中損傷隨燒蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，損傷擴(kuò)展速率均為0.007 mm/s。TPS損傷形貌隨著燒蝕程度的增加由一個(gè)點(diǎn)狀小坑逐漸轉(zhuǎn)變成一個(gè)凹坑。

2) 隨著TPS燒蝕損傷程度的增加，直達(dá)波幅值逐漸增大，波速呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，差信號(hào)幅值相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的幅值的相對(duì)變化程度增加，平均達(dá)到16%以上。表明導(dǎo)波對(duì)TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠?qū)ζ溆L(fēng)面損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3) 隨損傷程度增加，導(dǎo)波多種損傷因子均具有增大的趨勢(shì)，且高頻下變化更明顯，表明損傷因子方法能夠表征TPS的損傷嚴(yán)重程度和擴(kuò)展趨勢(shì)。

未來將基于上述實(shí)驗(yàn)方法及平臺(tái)，深入研究基于導(dǎo)波的TPS損傷監(jiān)測(cè)方法，包括損傷定位方法和損傷程度的定量化方法等。此外，也將考慮通過燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)尾流燒蝕實(shí)驗(yàn)來更加逼近TPS實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及損傷發(fā)生條件，建立發(fā)動(dòng)機(jī)尾流燒蝕導(dǎo)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及方法，為高超聲速飛行器TPS的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究提供支持。