劉浩 李爽,2 劉國(guó)棟,2 賈賀 房冠輝 馮瑞 蘇業(yè)旺,2,*

面向航天回收裝備的大變形柔性傳感器研究與應(yīng)用（二）——大應(yīng)變傳感器

劉浩1李爽1,2劉國(guó)棟1,2賈賀3,4房冠輝3,4馮瑞3,4蘇業(yè)旺1,2,*

（1 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190） （2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049） （3北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （4中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

在極端環(huán)境條件下，受溫度、壓力、速度等因素影響，具有柔性和大變形特征的航空航天裝備極易發(fā)生故障，因此研發(fā)相應(yīng)的大變形柔性傳感器以對(duì)其服役狀態(tài)下的應(yīng)變、曲率、氣動(dòng)外形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。文章面向具有柔性和大變形特征的航天回收降落傘，設(shè)計(jì)了大變形柔性應(yīng)變傳感器（簡(jiǎn)稱大應(yīng)變傳感器），研究結(jié)果表明該大應(yīng)變傳感器在高達(dá)35%的應(yīng)變范圍內(nèi)保持了優(yōu)異的線性度（擬合優(yōu)度>0.999）。文章還進(jìn)一步探索傳感器在降落傘的傘衣、傘繩、徑向帶等部位的集成方案并進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)試，通過航天降落傘地面高塔投放試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的示范應(yīng)用，有效地獲得降落傘的變形狀態(tài)信息，這對(duì)降落傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)時(shí)控制具有重要意義。

柔性 大變形 應(yīng)變 傳感器 航空航天

0 引言

航空航天裝備具有質(zhì)量輕、發(fā)射體積小、折疊效率高、功能集成度高等特點(diǎn)，在面臨力學(xué)、熱學(xué)等極端復(fù)雜的工作環(huán)境時(shí)，為保證其正常工作，要求裝備關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)剛度較低，且可以承受較大的拉伸（彎曲）變形，即具有“柔性”和“大變形”特征。利用傳感器準(zhǔn)確測(cè)量獲得裝備的拉、壓、彎、扭等變形和表面流速、溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。復(fù)雜的環(huán)境特征和裝備大幅度的變形特征為傳感器的設(shè)計(jì)研發(fā)帶來巨大挑戰(zhàn)。

在最基本的測(cè)量拉伸變形的大應(yīng)變傳感器前沿研究方面，大量從事材料、化學(xué)等相關(guān)專業(yè)的學(xué)者從材料層次出發(fā)，研究了本身固有大變形能力的先進(jìn)傳感材料并制備傳感器[1-3]，同時(shí)基于接觸電阻原理，通過微結(jié)構(gòu)接觸關(guān)系的變化實(shí)現(xiàn)傳感器在拉伸過程中的電阻變化。

大應(yīng)變傳感材料主要包括碳黑[4-6]、石墨烯[2, 7-11]、碳納米管[3, 12-15]、氧化鋅納米線[16]、金屬納米線[17-18]、金屬納米膜[19- 20]等先進(jìn)材料，這些材料被制備成薄膜并與聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)硅膠彈性體薄膜、Ecoflex等彈性體材料復(fù)合之后具有很強(qiáng)的變形能力。Mattmann首先利用碳黑制備了用于測(cè)量紡織物變形的應(yīng)變傳感器，量程達(dá)到80%[4]；Muth利用嵌入式3D打印碳黑油墨的方法將量程提高到450%[5]；Boland采用石墨烯橡膠復(fù)合材料，其量程可達(dá)800%[7]；Tang制備了一種還原氧化石墨烯微米管—彈性體復(fù)合材料，其量程約為50%，靈敏系數(shù)高達(dá)630[9]；Ryu設(shè)計(jì)了一種基于定向碳納米管纖維的應(yīng)變傳感器，量程高達(dá)900%[13]；王中林院士團(tuán)隊(duì)制備了一種基于氧化鋅納米線/聚苯乙烯復(fù)合薄膜的應(yīng)變傳感器，靈敏系數(shù)為116，量程為50%[16]；Amjadi制備了一種銀納米線彈性體納米復(fù)合材料，量程為70%[17]，等等。

這些大應(yīng)變傳感器通常具有較大量程和較高靈敏系數(shù)，但其電信號(hào)響應(yīng)的重復(fù)性和線性度有待提 高[1-2,12]，主要是由于不穩(wěn)定接觸微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致：1）接觸表面上復(fù)雜的滑移、摩擦和黏附關(guān)系；2）微結(jié)構(gòu)的非線性變形；3）接觸模式的轉(zhuǎn)換。實(shí)際應(yīng)用中，上述性能指標(biāo)都非常重要[17]，所以需要沿著這一思路繼續(xù)深入研究或另辟蹊徑尋求不同的解決方案。

本文面向具有柔性和大變形特征的航天回收降落傘，研究大變形柔性應(yīng)變傳感器（簡(jiǎn)稱大應(yīng)變傳感器）的設(shè)計(jì)和性能，探索傳感器在降落傘的傘衣、傘繩、徑向帶等部位的集成方案并進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)試，通過航天降落傘地面高塔投放試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的示范應(yīng)用，有效地獲得降落傘的變形信息，對(duì)降落傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)時(shí)控制具有重要意義。

1 無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器研究

與之前的大量研究不同，本團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，基于力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制了一種無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器[21]（見圖1），該傳感器包含一個(gè)偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)和兩層彈性封裝層，其中偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)包括：1）偏離中性軸蛇形導(dǎo)電箔（康銅箔）；2）一層厚的蛇形聚酰亞胺（Polyimide，PI）基底和一層薄的蛇形PI覆蓋層。由于康銅的電阻溫度系數(shù)較低，因而被選用為傳感材料，這有助于減少環(huán)境溫度的影響。

圖1 大應(yīng)變傳感器實(shí)物圖[21]

圖2 傳感器機(jī)理示意[21]

2 面向航天降落傘的大應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)

航天回收裝備工作過程是航天器飛行任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。降落傘作為航天器及武器裝備回收著陸系統(tǒng)的核心裝置，在載人飛船、嫦娥五號(hào)、天問一號(hào)、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器等多個(gè)重大任務(wù)中扮演著重要角色。降落傘材料由柔性織物編制而成，具有質(zhì)量輕、包裝體積小、展開面積大的特點(diǎn)。在降落傘的研究設(shè)計(jì)中，通過對(duì)傘繩、傘衣、徑向帶變形情況進(jìn)行測(cè)量，可以獲得降落傘各部件載荷分布情況，從機(jī)理層面上研究受力關(guān)鍵環(huán)節(jié)與薄弱環(huán)節(jié)，從而不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性，因此對(duì)航天降落傘系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)意義重大。

圖3 相對(duì)電阻變化[21]

由于降落傘在工作過程中會(huì)經(jīng)受高速氣流等環(huán)境因素的影響，其柔性結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大變形，而傳統(tǒng)的金屬、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器往往剛度大且量程小，新型的接觸電阻式大應(yīng)變傳感器性能不夠穩(wěn)定且測(cè)量易受溫度影響，很難實(shí)際應(yīng)用于降落傘變形的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)?；跓o接觸電阻式大應(yīng)變傳感器原理，本文設(shè)計(jì)、制備了一種面向航天回收裝備的大應(yīng)變傳感器，并在航天降落傘上進(jìn)行了系統(tǒng)性的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

圖4 大應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)及測(cè)量

Fig.4 Design and measurement of the stretchable strain sensor

圖5 輸出電壓相對(duì)變化

綜上，該大應(yīng)變傳感器具有高線性度、高重復(fù)性、高分辨率、高循環(huán)性以及溫度不敏感等特性，可以很好地應(yīng)用在航天降落傘各部件的變形測(cè)量上。此外，傳感器的尺寸和量程還可根據(jù)需求進(jìn)行定制，從而滿足不同回收裝備的測(cè)量要求。

3 大應(yīng)變傳感器在降落傘系統(tǒng)測(cè)量中的驗(yàn)證

為驗(yàn)證大應(yīng)變傳感器在航天回收裝備上集成應(yīng)用的可行性，將傳感器集成在降落傘傘繩、徑向帶等部位，通過拉伸實(shí)驗(yàn)、折疊壓縮實(shí)驗(yàn)、高塔投放實(shí)驗(yàn)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來論證該傳感器在航天降落傘系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值。

（1）芳綸帶靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

降落傘一般由纖維材料編織而成，選取代表性的芳綸試樣集成傳感器進(jìn)行靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。選取芳綸試樣規(guī)格為長(zhǎng)度100mm、寬度15mm、厚度0.2mm；拉伸試樣夾持端規(guī)格為2組共4個(gè)鋁片（長(zhǎng)度25mm、寬度30mm、厚度0.5mm，環(huán)氧樹脂膠粘接固化）；采用卡夫特膠水將大應(yīng)變傳感器粘貼于待測(cè)試樣表面；將集成好傳感器的芳綸試樣夾持到拉伸機(jī)上，開展靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，先施加10N拉力預(yù)緊試樣，之后勻速拉伸直至試樣斷裂，記錄此過程中的拉力、位移、傳感器輸出電壓等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖6（a）所示，結(jié)果顯示該試樣的斷裂應(yīng)變?yōu)?.2%；該試樣的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為明顯的非線性關(guān)系，隨著應(yīng)變的增加，試樣的拉伸剛度也在逐漸增加。該非線性的本構(gòu)關(guān)系主要由試樣的編織結(jié)構(gòu)造成，當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，試樣主要發(fā)生編織結(jié)構(gòu)的拉伸變形，因此該階段拉伸剛度比較低，微小的拉力就可引起較大的變形；當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，試樣的編織結(jié)構(gòu)變形空間趨于密實(shí)，此時(shí)試樣主要發(fā)生纖維的拉伸變形，故而該階段拉伸剛度比較高，很大的拉力才能引起微小的變形。因此隨著拉伸幅度的增加，試樣的變形模式逐漸由纖維編織結(jié)構(gòu)的拉伸變形模式轉(zhuǎn)換為纖維材料自身的拉伸變形模式，試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線斜率也出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。

圖6（b）為傳感器輸出信號(hào)與試樣應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，其中黑色曲線是拉伸過程中實(shí)測(cè)結(jié)果，紅色曲線是基于傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。在試樣斷裂前，傳感器信號(hào)正常輸出，無異常波動(dòng)；試樣斷裂時(shí)（斷裂應(yīng)變5.2%），傳感器的輸出電壓相對(duì)變化率為0.024%；傳感器輸出電壓相對(duì)變化率與應(yīng)變近似為線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果較為接近。

圖6（c）為拉伸過程中傳感器輸出電壓相對(duì)變化率與試樣應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。在試樣斷裂前，傳感器信號(hào)正常輸出，無異常波動(dòng)；試樣斷裂時(shí)（斷裂應(yīng)力770MPa），傳感器的輸出電壓相對(duì)變化率為0.024%；傳感器輸出電壓相對(duì)變化率與應(yīng)力為非線性關(guān)系；隨著作用在試樣上應(yīng)力逐漸增加，傳感器輸出電壓的相對(duì)變化率也隨之增大，但曲線斜率減小。該大應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)芳綸試樣斷裂前應(yīng)變與應(yīng)力變化，初步證明了傳感器集成方案的可行性。

圖6 芳綸帶的靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

（2）傘衣徑向帶標(biāo)定及折疊壓縮實(shí)驗(yàn)

考慮到降落傘在實(shí)際使用過程中，都需要被折疊壓縮成塊體，集成于傘衣上的大應(yīng)變傳感器也會(huì)相應(yīng)地被壓縮。為了模擬該過程，并研究壓縮前后傳感器性能是否發(fā)生改變、結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞，特設(shè)計(jì)并進(jìn)行了集成有傳感器的傘衣折疊壓縮實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要包括壓縮前徑向帶的循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)、徑向帶的逐級(jí)加壓實(shí)驗(yàn)和壓縮后徑向帶的循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)三部分。其中，前后兩次拉伸實(shí)驗(yàn)以勻速位移加卸載的方式使徑向帶產(chǎn)生最大為5%的應(yīng)變，循環(huán)5個(gè)周期，具體實(shí)驗(yàn)步驟與芳綸帶拉伸實(shí)驗(yàn)相同；逐級(jí)加壓實(shí)驗(yàn)通過將徑向帶折疊的方式模擬降落傘的折疊過程，并通過逐級(jí)加壓的方式模擬降落傘的壓縮過程，如圖7（b）所示。實(shí)驗(yàn)中，有效的壓縮面積為120mm×20mm，施加最大壓縮載荷為2 500N，相當(dāng)于50cm×50cm的疊傘面積總共承受約25t的壓縮載荷。壓縮前，當(dāng)徑向帶被拉伸5%應(yīng)變時(shí)，傳感器輸出信號(hào)變化的幅度為0.037%；折疊壓縮過程中，傳感器信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)；壓縮后，當(dāng)徑向帶被拉伸5%應(yīng)變時(shí)，傳感器輸出信號(hào)變化的幅度為0.036%；壓縮前后，相同應(yīng)變狀態(tài)下傳感器信號(hào)幅值的相對(duì)偏差僅為2.7%，說明其性能未發(fā)生明顯的改變，壓縮后依然能夠?qū)?yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

圖7 傘衣徑向帶的標(biāo)定及折疊壓縮實(shí)驗(yàn)

（3）降落傘高塔投放實(shí)驗(yàn)

降落傘高塔投放實(shí)驗(yàn)是降落傘設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，能夠獲取降落傘開傘數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的宏觀狀態(tài)量等信息。在高塔投放實(shí)驗(yàn)中，變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（大應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和導(dǎo)線等）經(jīng)受的外界環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因此需要在系統(tǒng)裝配集成時(shí)滿足以下要求：1）不影響降落傘的正常展開和下落； 2）可抵抗下落時(shí)高速氣流的影響；3）可承受落地時(shí)的沖擊作用。因此，需要合理地設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的裝配位置和方式才能有效可靠地對(duì)目標(biāo)位置的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

裝配集成方案主要包括變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的裝配位置和裝配方式兩部分：變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的裝配位置如 圖8（a）所示[21]，根據(jù)降落傘的實(shí)際結(jié)構(gòu)，4個(gè)傳感器對(duì)稱裝配在徑向帶外側(cè)，2個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊（如圖8（b）所示，圓柱狀，直徑為17mm，母線長(zhǎng)度為130mm）對(duì)稱裝配在徑向帶端部的傘衣裙褶部位，導(dǎo)線裝配在徑向帶內(nèi)側(cè)，一端連接傳感器，一端連接數(shù)據(jù)采集模塊，可以監(jiān)測(cè)徑向帶的變形和受力[21]。

圖8 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在降落傘上的集成方案[21]

基于上述方案，在降落傘上裝配變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并開展110m的高塔投放實(shí)驗(yàn)，可以成功捕捉到降落傘下落過程中傳感器的輸出信號(hào)，得到徑向帶上靠近傘衣裙褶邊緣對(duì)稱特征點(diǎn)的變形，進(jìn)而反推出降落傘下落過程中的局部變形特征。實(shí)驗(yàn)通過塔吊將降落傘以及相應(yīng)配質(zhì)量抬升到目標(biāo)高度，然后激活釋放裝置，使得配質(zhì)量從懸掛點(diǎn)脫離，最終牽引降落傘一起下落。傳感器有效地監(jiān)測(cè)了降落傘高塔投放過程中開傘、穩(wěn)定下落以及落地三個(gè)階段的變形：1）開傘階段。這一階段，傘衣還未出現(xiàn)明顯的豎直位移，而是經(jīng)歷了劇烈和復(fù)雜的變形。激活釋放裝置后，配質(zhì)量在重力下迅速下落，并促使降落傘依次發(fā)生傘衣傘繩繃直（此時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊開始工作，100ms調(diào)零后開始記錄傳感器信號(hào)）、懸掛細(xì)繩繃直被扯斷和開傘三個(gè)動(dòng)作。相應(yīng)的傳感器信號(hào)也呈現(xiàn)三種變化：先是傘繩繃直，數(shù)據(jù)采集模塊被激活開始記錄數(shù)據(jù)，傳感器信號(hào)調(diào)零并穩(wěn)定極短時(shí)間；之后徑向帶繃緊承力產(chǎn)生拉伸變形直至懸掛細(xì)繩被扯斷，傳感器信號(hào)抖動(dòng)著上升；最后傘衣忽然張開，傳感器信號(hào)再次出現(xiàn)階躍上升。2）穩(wěn)定下落階段。這一階段，傘衣和重物一起下降，降落傘發(fā)生了明顯的豎直位移，變形模式較為穩(wěn)定。降落傘張開后和重物一起加速下降約3.5s，相較110m對(duì)應(yīng)的約5s的自由下落時(shí)間，可以看出降落傘為重物提供了明顯的阻力，這也說明了降落傘正常工作達(dá)到了減小加速度的效果。此階段降落傘徑向帶明顯拉伸繃直，相應(yīng)的傳感器信號(hào)也較初始信號(hào)有了明顯變化。同時(shí)由于降落傘幾乎始終處于勻加速運(yùn)動(dòng)，徑向帶的張力穩(wěn)定，因此傳感器輸出信號(hào)也相對(duì)穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)。3）落地階段。這一階段，重物先落地，隨后傘衣落地。降落傘從張開到幾乎平鋪到地面過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的變形，相應(yīng)的傳感器也監(jiān)測(cè)到了該階段徑向帶狀態(tài)的變化。4.5s后配質(zhì)量落地，降落傘失去了重物的牽引，加速度發(fā)生了突變，因此傳感器信號(hào)也出現(xiàn)了突變；隨后降落傘飄落，徑向帶張力振蕩地卸載，因此傳感器信號(hào)也振蕩地減?。蛔詈蠼德鋫阃耆涞?，徑向帶不再發(fā)生變形，因此傳感器信號(hào)保持穩(wěn)定。此外，降落傘落地后，徑向帶完全松弛且出現(xiàn)了局部褶皺，而初始狀態(tài)下徑向帶繃直，因此完全落地時(shí)的信號(hào)和初始信號(hào)相比較小。降落傘的高塔投放跌落試驗(yàn)期間徑向帶變形信號(hào)如圖9所示[21]。

圖9 降落傘的高塔投放跌落試驗(yàn)期間徑向帶變形的信號(hào)[21]

（4）降落傘風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

降落傘的使用環(huán)境（力學(xué)、熱學(xué)方面）十分惡劣，設(shè)計(jì)完成的降落傘需要在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)際工況的模擬實(shí)驗(yàn)。由于風(fēng)洞的氣流速度較高，環(huán)境溫度的變化劇烈，極端的實(shí)驗(yàn)環(huán)境給傘繩的變形測(cè)量帶來巨大挑戰(zhàn)。因此風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所用的大應(yīng)變傳感器需要滿足以下基本要求：1）溫度敏感性低，測(cè)量方案在大溫差下仍能正常執(zhí)行；2）抗沖擊能力強(qiáng)，所用設(shè)備能抵抗高超聲速氣流的沖擊；3）柔性好，不影響傘繩的變形。

針對(duì)以上要求，實(shí)驗(yàn)采用的大應(yīng)變傳感器長(zhǎng)度約70mm，寬度約2mm，厚度約1mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，該傳感器可以精確測(cè)量2.9%的線性應(yīng)變，電阻變化率–應(yīng)變關(guān)系的線性度高（超過0.999），加卸載遲滯小（響應(yīng)時(shí)間<50ms）；循環(huán)特性好（數(shù)萬次加載）；溫度敏感度低（適用于–50℃～50℃）。測(cè)量傘繩靜態(tài)拉伸變形的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（包括傘繩的斷裂拉伸實(shí)驗(yàn)和循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)）表明：該傳感器能在不影響傘繩變形的前提下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量；由于風(fēng)洞中存在高速氣流的作用，氣溫會(huì)下降幾十度至上百度，可采用基于半橋電路的溫度補(bǔ)償電路，使用兩兩一組的大應(yīng)變傳感器[21]（圖10（a）），分別貼在傘繩表面的正反面，在靠近傘面的一端串聯(lián)并引出一條線（端），再?gòu)倪h(yuǎn)離傘面的一端引出兩條線（端和端），搭成半橋測(cè)量電路。圖10（a）中①號(hào)和②號(hào)表示相互匹配的一對(duì)大應(yīng)變傳感器，前者電阻變化率和應(yīng)變線性正相關(guān)，后者電阻變化率和應(yīng)變線性負(fù)相關(guān)，且線性系數(shù)絕對(duì)值相等；為了保證傳感器在高超風(fēng)速?zèng)_擊下的工作可靠性，本方案針對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)保護(hù)外殼。外殼使用聚乳酸高分子材料（Polylactic Acid，PLA）3D打印制備而成，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，由兩個(gè)半殼組成。該氣動(dòng)保護(hù)外殼質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、氣動(dòng)性好、不影響傘繩的變形，并且可以保證傳感器承受沖擊載荷。

實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞為直流暫沖下吹式三聲速風(fēng)洞，其實(shí)驗(yàn)段尺寸為1.5m×1.6m，馬赫數(shù)范圍為0.3～2.25。傘衣半徑為114mm，傘繩及連接帶總長(zhǎng)為1 010mm。從圖10（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出各組傳感器工作正常，電壓變化均反映了降落傘變形的三個(gè)階段：1）開車階段，風(fēng)洞開始吹風(fēng)，降落傘展開，傘繩突然由松弛狀態(tài)轉(zhuǎn)為繃緊狀態(tài)，因此電壓值增大并出現(xiàn)幾個(gè)尖峰。之后急劇增大風(fēng)速，傘繩被拉伸，因此電壓值急劇上升達(dá)到最大值；2）穩(wěn)定階段，風(fēng)洞按照給定風(fēng)速持續(xù)給風(fēng)，傘繩維持被拉伸狀態(tài)，因此電壓保持最大值不變化，馬赫數(shù)為1.79風(fēng)速下（–65℃）各傳感器最大電壓都處于2.2～3.2mV的區(qū)間，馬赫數(shù)為1.5風(fēng)速下（–84.5℃）各傳感器最大電壓都處于1.8～2.5mV的區(qū)間，此階段傘繩會(huì)有微振動(dòng)的發(fā)生，因此該段電壓信號(hào)也在最大電壓附近振動(dòng)變化；3）關(guān)車階段，風(fēng)洞停止給風(fēng)，傘繩呈振動(dòng)狀態(tài)逐步恢復(fù)原長(zhǎng)，因此傳感器的電壓值也伴隨著傘繩的振動(dòng)呈鋸齒狀態(tài)逐步恢復(fù)，由于部分傘繩發(fā)生了比較大的永久變形，因此有些傳感器的電壓值未恢復(fù)至零[21]。

圖10 降落傘風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[21]

4 結(jié)束語

極端（溫度、壓力、速度等）環(huán)境條件下，具有柔性和大變形特征的航空航天裝備極易發(fā)生故障。研發(fā)相應(yīng)的大變形柔性傳感器以對(duì)其服役狀態(tài)下的應(yīng)變、曲率、氣動(dòng)外形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文在無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上，面向具有柔性和大變形特征的航天回收降落傘，從設(shè)計(jì)和性能等方面研究適用于降落傘的傘衣、傘繩、徑向帶等不同部位的大應(yīng)變傳感器，探索集成方案并進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過航天降落傘地面高塔投放試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的示范應(yīng)用，有效地獲得降落傘各個(gè)工作階段的變形狀態(tài)信息，測(cè)量結(jié)果分析可以進(jìn)一步支撐降落傘設(shè)計(jì)，量化裝備關(guān)鍵參數(shù)，避免航天任務(wù)的失敗。

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Research and Application of Sensors with Great Flexibility and Deformability for Aerospace Recycling Equipment (2) ——Stretchable Strain Sensor

LIU Hao1LI Shuang1,2LIU Guodong1,2JIA He3,4FANG Guanhui3,4FENG Rui3,4SU Yewang1,2,*

（1 State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190, China）（2 School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China） （3 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（4 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）

Under extreme environmental conditions, affected by temperature, pressure, velocity and other factors, the aerospace equipment with great flexibility and deformability is extremely prone to failure. It is a great challenge to develop the corresponding sensors with excellent flexibility and deformability to monitor the key parameters of the equipment in service real-timely, such as strain, curvature and aerodynamic profile. For the aerospace recovery parachute with great flexibility and deformability, we research the design and performance of flexible strain sensor with great deformability (referred to as stretchable strain sensor), the sensor undergoes a large applied strain (35%), which guarantees high linearity (goodness-of-fit >0.999). We further explore the integration scheme of the sensors in parachute canopy, parachute ropes and radial belt, and conduct the systematic tests. Through the demonstration application of the dropping test of the parachute from a high tower and the wind tunnel test, the information of the deformation state of the parachute can be obtained effectively, which is of great significance for the optimization of the structural design and the real-time control of the parachute.

flexible; large deformation; strain; sensor; aerospace

V19; TP212.9

A

1009-8518(2023)01-0059-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.007

2022-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（12172359，11772331）；北京市自然科學(xué)基金（2202066）；北京市科委懷柔科學(xué)城成果落地重大專項(xiàng)（Z191100002019010）；中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC014）；中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（JCTD-2020-03）

劉浩, 李爽, 劉國(guó)棟, 等. 面向航天回收裝備的大變形柔性傳感器研究與應(yīng)用（二）——大應(yīng)變傳感器[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 59-69.

LIU Hao, LI Shuang, LIU Guodong, et al. Research and Application of Sensors with Great Flexibility and Deformability for Aerospace Recycling Equipment (2)——Stretchable Strain Sensor[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 59-69. (in Chinese)

劉浩，男，1991年生，2018年獲北京航空航天大學(xué)航空工程專業(yè)碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)與器件力學(xué)。E-mail：liuhao110512@126.com。

蘇業(yè)旺，男，1981年生，2011年獲清華大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，研究員。主要研究方向?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)與器件力學(xué)。E-mail：yewangsu@imech.ac.cn。

（編輯：陳艷霞）