段磊光，王學(xué)仁，強洪夫，王哲君

（1.火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部， 陜西 西安710025； 2.火箭軍工程大學(xué)智劍實驗室， 陜西 西安710025； 3.火箭軍工程大學(xué)導(dǎo)彈工程學(xué)院， 陜西 西安710025）

0 引 言

固體火箭發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用方便、易于長期貯存等突出優(yōu)點，作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的動力裝置，在近程戰(zhàn)術(shù)武器和遠程戰(zhàn)略武器中都獲得了廣泛的應(yīng)用。固體火箭發(fā)動機自生產(chǎn)之日起會經(jīng)歷生產(chǎn)、貯存、運輸和使用環(huán)境載荷的考驗。各個過程中存在自然環(huán)境因素（溫度、濕度等）、誘導(dǎo)環(huán)境因素（振動、沖擊等）和復(fù)合環(huán)境因素。上述諸多因素會直接影響到固體火箭發(fā)動機的健康狀況。而固體火箭發(fā)動機的健康狀況在很大程度上取決于裝藥的狀態(tài)［1］。固體發(fā)動機裝藥的失效機制主要有3 種［2］：機械損傷、化學(xué)老化以及組分遷移。這些失效形式可能會導(dǎo)致幾類故障模式。2 種最常見的故障模式是推進劑材料的開裂和殼體與推進劑材料之間的脫粘。其中機械損傷可能導(dǎo)致推進劑孔隙率增加，從而使得薄弱點出現(xiàn)裂紋；而化學(xué)老化使得黏結(jié)劑降低應(yīng)變能力，導(dǎo)致發(fā)動機裝藥在經(jīng)受外載時出現(xiàn)裂紋［3］。當固體火箭發(fā)動機點火時，內(nèi)部壓強的快速上升使微裂紋迅速擴展，致使內(nèi)孔開裂，進而導(dǎo)致燃燒表面異常。組分遷移可能導(dǎo)致裝藥在經(jīng)受外載時襯層發(fā)生界面脫粘，從而導(dǎo)致外殼燒穿。此外，推進劑裝藥性能劣化限制了發(fā)動機的使用壽命，需要對其量化以確保固體發(fā)動機正常使用。因此，固體火箭發(fā)動機裝藥狀態(tài)的實時監(jiān)測對其安全性和可靠性具有重要意義［4-6］。如何安全、便捷、準確地對其進行監(jiān)控已成為一個重要而又困難的問題。當前最為主流的檢測方式為外置式固體火箭發(fā)動機無損檢測技術(shù)，但是其只能對已出現(xiàn)的缺陷進行分析且價格昂貴，無法滿足實時、自感知的固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測的需求，因此，在未產(chǎn)生宏觀缺陷時對固體火箭發(fā)動機裝藥的狀態(tài)進行監(jiān)測是現(xiàn)今國內(nèi)外研究的主流。

本文針對固體發(fā)動機裝藥狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，從環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測、化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測、力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測以及監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用4 個方面對其研究進展進行闡述。

1 環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測

導(dǎo)彈發(fā)動機長期貯存期間，貯存環(huán)境的溫度、濕度及運輸過程中的加速度等載荷會對發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生累積影響。采集環(huán)境數(shù)據(jù)可掌握發(fā)動機受載歷程，更準確地評估發(fā)動機狀態(tài)。當前環(huán)境載荷監(jiān)測主要集中于溫度、濕度以及振動數(shù)據(jù)的采集和分析方面。

1.1 溫度監(jiān)測

已知發(fā)動機儲存地點的環(huán)境溫度具有季節(jié)性和日間變化。日間變化（高頻分量）的時間周期為24 h，季節(jié)變化（低頻分量）的時間周期為1 年［7］。由于殼體與藥柱的熱膨脹系數(shù)和熱擴散系數(shù)不同，當環(huán)境溫度和發(fā)動機內(nèi)部溫度產(chǎn)生差異時，發(fā)動機中會因溫度梯度分布而傳熱并在粘彈性藥柱中產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，因此溫度循環(huán)變化最終直接體現(xiàn)在藥柱熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的循環(huán)變化。循環(huán)熱應(yīng)力分2 步獲得：（a）給溫度定邊界條件后，可以得到藥柱中的溫度分布；（b）由于幾何約束和熱梯度，產(chǎn)生了熱應(yīng)變，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。

Mahmoudi［8］估計了在周期性溫度邊界條件下無殼體的藥柱中的熱應(yīng)力并得到解析解。Tun? 等［9］計算了在周期性及任意溫度邊界條件下的藥柱熱應(yīng)力和變形。Heller 等［7］使用概率方法研究了因環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的固體推進劑藥柱失效。他們考慮了熱負荷、強度和應(yīng)變能力的統(tǒng)計變異性，并且熱負荷的功率譜是從10 年的時間-溫度數(shù)據(jù)中得出的。結(jié)果顯示，白天夜間的溫度變化導(dǎo)致了殼體處的顯著熱梯度，而季節(jié)性溫度變化則導(dǎo)致了孔徑處的高切向應(yīng)力和藥柱-殼體界面處的徑向應(yīng)力。同樣基于概率失效準則，Gligorijevic 等［10］表明環(huán)境溫度可能導(dǎo)致在短時間內(nèi)出現(xiàn)顯著的累積損傷，進而導(dǎo)致藥柱內(nèi)出現(xiàn)裂紋。上述熱應(yīng)力的每個循環(huán)（加載/卸載）都與環(huán)境溫度有關(guān)，并會對熱黏彈性藥柱造成小的損傷。重復(fù)循環(huán)熱應(yīng)力造成的累積損傷將導(dǎo)致藥柱失效。環(huán)境溫度的變化可以通過測量季節(jié)溫度變化和日間溫度變化來表示，從而降低了計算成本。

1.2 濕度監(jiān)測

環(huán)境水分或水的擴散/吸收可能會嚴重影響復(fù)合固體推進劑的力學(xué)性能和推進劑-襯層界面的黏結(jié)性能。在推進劑制備的混合過程中，高氯酸銨（AP）最容易受到水分污染，因為它是一種可溶于水的吸濕性無機鹽。由于AP 顆粒受潮后直徑的平均尺寸增加使得相應(yīng)的顆粒有效表面積減少，這直接導(dǎo)致了燃燒效率的降低。在固化過程中，吸收的水分與固化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致固化不完全，使得推進劑在固化后無法達到所需的抗拉強度［11］。在典型的貯存條件下，藥柱內(nèi)部水蒸氣濃度相當于約15%的相對濕度，而貯存環(huán)境在24 ℃下的相對濕度為約為30%［12］。在較高濕度環(huán)境中貯存時，擴散的濕氣及水蒸氣與聚合物發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生交聯(lián)斷裂（水解），導(dǎo)致推進劑的質(zhì)量分子分布發(fā)生變化，強度和剛度降低。因此對發(fā)動機貯存環(huán)境中的濕度監(jiān)測尤為重要。

1.3 振動監(jiān)測

固體推進劑發(fā)動機在轉(zhuǎn)運及運輸過程中，會受到不同頻率的環(huán)境振動，結(jié)構(gòu)完整性容易受到破壞，破壞的主要形式是推進劑力學(xué)性能變化引起的藥柱損傷和推進劑/襯層結(jié)合界面失效，這將會導(dǎo)致裂紋和脫粘。因此分析振動載荷下的應(yīng)力應(yīng)變場對固體發(fā)動機具有重要意義。20 世紀60 年代，美國學(xué)者提出大型固體發(fā)動機振動測試中的一個主要問題是開發(fā)一種將加速度計嵌入黏彈性推進劑中的方法。最終選定的配置使用了24 個三軸加速度計，其中14 個嵌入在推進劑中，10 個安裝在推進劑表面上［13］。Huang 等［14］針對艦載導(dǎo)彈固體發(fā)動機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求，提出了基于微控制器和MEMS 傳感器的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，并給出了硬件單元和典型的硬件電路。而后基于監(jiān)測到的溫度和振動數(shù)據(jù)，利用ABAQUS 軟件分析了溫度和低頻振動載荷對固體火箭發(fā)動機（SRM）應(yīng)力和應(yīng)變的影響，結(jié)果表明，低頻振動會導(dǎo)致藥柱應(yīng)力應(yīng)變波動增加，并且界面處的應(yīng)力應(yīng)變變化大于內(nèi)孔［15］。Cao等［16］對固體發(fā)動機運輸過程中的振動加速度進行了監(jiān)測，后有效消除了原始振動數(shù)據(jù)的噪聲和趨勢項，最后將得到的振動特征頻率應(yīng)用于有限元分析。結(jié)果表明，被監(jiān)測的固體發(fā)動機在運輸過程中主要承受0.2 Hz 和15 Hz 的低頻振動，藥柱應(yīng)力集中于推進劑/襯層結(jié)合面的頭部和尾部以及藥柱根部下方。Srivastava 等［17］針對不同的環(huán)境條件，對復(fù)合材料殼體的SRM 進行了靜、動態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)動態(tài)環(huán)境對藥柱、界面和復(fù)合材料殼體的結(jié)構(gòu)完整性沒有影響，都能承受所有的環(huán)境條件。綜合來看，國內(nèi)外已經(jīng)具備了固體發(fā)動機典型歷程振動信號的監(jiān)測技術(shù)手段，并且評估方式都是將提取的振動特征數(shù)據(jù)輸入有限元模型中進行應(yīng)力應(yīng)變分析，然而振動與發(fā)動機裝藥實際應(yīng)力以及失效的關(guān)系仍需要通過大量實驗進行總結(jié)。

2 化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測

端羥基聚丁二烯（HTPB）基復(fù)合固體推進劑的老化可以通過模量、拉伸強度或拉伸應(yīng)變等力學(xué)性能測量來表征［18］，但是與力學(xué)測試相比，化學(xué)測試的實驗成本更少。其次，由于固體發(fā)動機內(nèi)部通常是被密封住的，因此從發(fā)動機內(nèi)部取出力學(xué)測試推進劑樣品是困難且危險的。此外，用于力學(xué)測試的啞鈴型單軸拉伸試驗的試件［19］尺寸為10 mm×25 mm×120 mm，如圖1 所示。圖2 為用于化學(xué)測試的推進劑試樣，其尺寸僅為1 mm× 2 mm×2 mm，質(zhì)量大約3 g［20］。可以看出用于化學(xué)測試的推進劑試樣比用于力學(xué)性能測試的試件尺寸和質(zhì)量更小，因此對真實發(fā)動機裝藥微量取樣進行化學(xué)測試相對力學(xué)測試更加容易實現(xiàn)。

圖1 完成單軸試驗后啞鈴型試件的照片［19］Fig.1 A photo of dumbbell shaped samples after uniaxial tests were completed［19］

圖2 提取前可溶性組分試樣的照片［20］Fig.2 A photo of soluble fraction test samples before extraction［20］

化學(xué)性質(zhì)中，如可溶性部分描述了未氧化交聯(lián)的聚合物基質(zhì)部分，交聯(lián)密度則描述了已經(jīng)氧化交聯(lián)的聚合物基質(zhì)部分，可以通過力學(xué)性能來跟蹤并作為老化評估參數(shù)。交聯(lián)密度首先可以通過推進劑內(nèi)的可溶性部分進行分析，而后帶入Charlesby-Pinner 方程［21］計算評估，如式（1）。

式中，S代表通過從推進劑樣品中提取獲得的可溶性部分；D表示交聯(lián)密度，%。

固體發(fā)動機推進劑裝藥微量取樣的方法還是會影響其安全性，因此出現(xiàn)了無損無創(chuàng)化學(xué)分析方法。光譜技術(shù)是通過測量物質(zhì)與光的相互作用來進行檢測的。它利用物質(zhì)對不同波長或頻率的光的吸收、發(fā)射、散射等特性，通過分析光與物質(zhì)相互作用后的變化，來獲取物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、濃度等信息。這種檢測方法無需對物質(zhì)進行接觸或破壞，具有無損無創(chuàng)性的特點，因此被認為是固體推進劑分析的有力工具，特別是用于確定成分比、推進劑老化、孔洞和形狀不規(guī)則性的檢測［22］。漫反射紅外傅立葉變換光譜（DRIFTS）法是一種能夠?qū)θ跷瘴镔|(zhì)表現(xiàn)出很大敏感性的技術(shù)。它具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中之一就是在研究材料退化方面［23-24］的應(yīng)用。此外，將DRIFTS 技術(shù)集成到推進劑老化研究中也是可能的。Chelouche 等［25］通過將主成分分析（PCA）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）相結(jié)合，研究了推進劑老化的化學(xué)穩(wěn)定性，并通過推進劑老化實驗建立了動力學(xué)模型，基于所獲得的動力學(xué)參數(shù)，對推進劑的貯存壽命進行了準確評估。Feigley［26］曾用帶有反射探針和光纖的近紅外聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）多通道光譜儀對不同位置推進劑進行非接觸式掃描，監(jiān)測了推進劑由于降解二苯胺（DPA）濃度變化而發(fā)生的變化。

固體推進劑在老化過程中，會發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，生成包括NO?、NO、HCl 等在內(nèi)的氣體，如果能夠通過檢測氣體成分的含量變化監(jiān)測推進劑的老化，就可以在不破壞發(fā)動機的情況下，了解發(fā)動機內(nèi)部推進劑的健康狀態(tài)，這樣不但能夠節(jié)省成本，也可以為固體發(fā)動機壽命預(yù)估以及延壽提供技術(shù)保障，因此，開展推進劑老化氣氛監(jiān)測方面的研究具有很高的軍事和經(jīng)濟效益。美國桑迪亞國家實驗室［27］開發(fā)了一種光學(xué)傳感器系統(tǒng)，用于自主監(jiān)測高能材料老化產(chǎn)生的NO2及其演變。傳感器材料是苝/PMMA 膜，通過藍色LED 光源激發(fā)并由CCD 光譜儀檢測熒光。由于NO2與苝會發(fā)生不可逆反應(yīng)從而產(chǎn)生非熒光硝基苝，因此可通過熒光強度隨時間的損失率評估NO2濃度水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)推進劑釋放NO2的濃度在0.01‰ 到0.1‰之間。傳感器系統(tǒng)實驗進一步表明，推進劑會在25 d 的老化時間內(nèi)釋放出NO2，并在活躍期和休眠期之間循環(huán)。

當前，化學(xué)微傳感器領(lǐng)域的先進發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了新的應(yīng)用，這些微傳感器設(shè)備具備替代或補充傳統(tǒng)化學(xué)分析儀器的潛力。美國陸軍航空與導(dǎo)彈研究、開發(fā)與工程中心（AMRDEC）［28］基于納米技術(shù)研究了一種表面增強拉曼散射（SERS）法，其原理是通過激發(fā)納米多孔金屬表面（納米球）上的表面等離子體激元來增強拉曼散射光，從而依靠這種技術(shù)開發(fā)新型智能傳感器，用于檢測推進劑中的化學(xué)量。另一種叫做伏安法，是一種用于檢測定量溶解在液體中物質(zhì)的成熟技術(shù)。基于伏安法，開發(fā)了新型智能傳感器，用于檢測推進劑化學(xué)老化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)。AMRDEC 進行了對功能化單壁碳納米管（SWCNTs）的探索性研究，該研究的目的是評估固體推進劑的降解情況，以此來評估發(fā)動機的壽命。在研究中，SWCNTs 被用作關(guān)鍵的傳感元件，通過對其性能和反應(yīng)進行分析，可以獲取關(guān)于固體推進劑的降解程度。AMRDEC 與NASA-Ames 團隊合作，研發(fā)了一套完整的SWCNT傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。這套低功率納米傳感系統(tǒng)的開發(fā)旨在能夠以十億分之一的靈敏度范圍內(nèi)檢測各種電活性化學(xué)分析物［29］。再后來AMRDEC對納米多孔膜、碳納米管和光譜配置傳感技術(shù)在監(jiān)測推進劑降解方面的應(yīng)用進行了總結(jié)。其中納米多孔膜傳感器是利用納米多孔氧化鋁膜（圖4）過濾掉推進劑降解過程中釋放出的CO、NO、NO2等氣體分子，將N2O 氣體分子積累起來，用于估算推進劑穩(wěn)定劑的壽命。光纖光譜（FOS）傳感器使用非侵入式光纖測量體積后向散射光譜（圖5）從而監(jiān)測推進劑中穩(wěn)定劑的濃度水平［30］。阿拉巴馬農(nóng)工大學(xué)的Farley等［31］進行了一項研究，他們使用了一種靈敏的拉曼光譜技術(shù)來檢測固體推進劑中的穩(wěn)定劑甲基硝基苯胺（MNA），他們提出了一種方案，即在導(dǎo)彈的發(fā)動機中植入一條小型光纖探測線，無需拆卸導(dǎo)彈，在幾秒鐘內(nèi)就可以進行測試。

圖3 完整的SWCNT 傳感系統(tǒng)［29］Fig.3 Complete NASA-Ames SWCNT sensor package［29］

圖4 納米多孔氧化鋁膜的SEM 圖像［30］Fig.4 SEM image of nanoporous alumina membrane［30］

圖5 用于測量火箭發(fā)動機內(nèi)穩(wěn)定劑濃度水平的光纖后向散射光譜系統(tǒng)的概念草圖［30］Fig.5 Conceptual sketch of fiber optic back scattering spectroscopic system used for measuring the concentration level of stabilizer MNA inside a rocket motor［30］

Daoud 等［32］使用microPHAZIRTM 近紅外手持平臺（圖6）對CL-01 復(fù)合固體火箭推進劑進行了實時監(jiān)測，該技術(shù)實時地量化CL-01 固體火箭推進劑的主要化學(xué)成分及其健康狀況，并且不會產(chǎn)生化學(xué)廢物和殘留物，從此將結(jié)構(gòu)健康管理（SHM）與化學(xué)健康管理（CHM）相結(jié)合。這項新技術(shù)的引入將有效地減少監(jiān)測和使用壽命延長計劃（SLEP）所需的成本。Chelouche等［33］通過主成分分析和傅立葉變換紅外光譜相結(jié)合，建立新的方法來準確評估均質(zhì)固體推進劑的實際和等效老化時間，并通過6，8，10 和12 個月的實測試驗進一步證實了該模型的準確性?？梢娊y(tǒng)計工具和分析技術(shù)的結(jié)合為建立有效的化學(xué)性質(zhì)實驗方法和準確預(yù)測提供了重要思路。應(yīng)用這些化學(xué)監(jiān)測手段制造微傳感器應(yīng)用之前，還需要進行化學(xué)量與力學(xué)性能參數(shù)閾值的對應(yīng)研究，然而國內(nèi)外在這方面的研究還較為欠缺。同時，化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測的長期穩(wěn)定性仍是研究者們需要克服的重要問題。

圖6 microPHAZIRTM 近紅外手持平臺［32］Fig.6 microPHAZIRTM NIR miniature handheld platform［32］

3 力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測

對于固體發(fā)動機裝藥的力學(xué)狀態(tài)和特性，常用數(shù)值計算的方法來確定，盡管應(yīng)力具有奇異性以及非線性行為，近年來推進劑損傷演化理論、非線性本構(gòu)理論以及界面力學(xué)等方面研究的發(fā)展為力學(xué)狀態(tài)的準確評估奠定了重要基礎(chǔ)。然而，材料的不連續(xù)性、幾何形狀的不規(guī)則性以及材料因老化而性能變化等因素，使生產(chǎn)發(fā)動機中應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)值評估變得更加復(fù)雜。實際發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測手段的發(fā)展能夠?qū)ρb藥力學(xué)狀態(tài)數(shù)值計算的準確性進行驗證，從而為極端條件下裝藥結(jié)構(gòu)完整性的評估奠定基礎(chǔ)。除了驗證外，力學(xué)狀態(tài)的監(jiān)測還為發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)、材料改進的逆分析技術(shù)提供可能性，從而將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的計算模型。另外力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測的力學(xué)量作為位置和時間的函數(shù)，其演化規(guī)律能夠檢測裂紋和校準老化模型。監(jiān)測采集到的力學(xué)特性隨時間的變化成為發(fā)動機重要的數(shù)據(jù)庫，可以為基于機器學(xué)習(xí)的壽命預(yù)測提供訓(xùn)練樣本［34］。

固體發(fā)動機裝藥內(nèi)部的力學(xué)狀態(tài)變化是由幾個因素產(chǎn)生的［36］：（1）固體發(fā)動機藥柱固化后需要從固化溫度降至貯存溫度，而由于殼體與藥柱的熱膨脹系數(shù)和熱擴散系數(shù)不同，殼體抑制了推進劑藥柱的冷卻收縮，致使發(fā)動機藥柱在出廠時就存在熱載荷，其表現(xiàn)為在殼體和藥柱黏結(jié)界面處推進劑藥柱存在徑向的拉應(yīng)力，在藥柱界面的終端處存在剪應(yīng)力，而在發(fā)動機藥柱中孔處由于體積收縮、內(nèi)孔直徑增大存在環(huán)向拉伸；（2）發(fā)動機在運輸時承受振動載荷；（3）由于推進劑是一種粘彈材料，發(fā)動機在靜態(tài)貯存時一方面藥柱因重力的作用而產(chǎn)生蠕變，另一方面固化降溫的殘余應(yīng)力還會產(chǎn)生松弛；（4）推進劑在長期貯存中材料產(chǎn)生化學(xué)老化及物理老化，老化直接體現(xiàn)在其力學(xué)特性的變化；（5）貯存和運輸時溫度變化一方面影響推進劑的模量，另一方面影響著推進劑的松弛和蠕變的變形率；（6）上述的原因交織在一起可能會導(dǎo)致推進劑或界面損傷的演化，例如孔隙率的變化；（7）當藥柱出現(xiàn)宏觀破壞，如宏觀裂紋以及界面脫粘時，整個藥柱的應(yīng)力場將會受到影響，應(yīng)力釋放與應(yīng)力集中共同存在。

3.1 界面應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)

要了解發(fā)動機內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)，最簡單的方法就是在其內(nèi)部嵌入傳感器，以測量特征信號并導(dǎo)出力學(xué)量，內(nèi)部嵌入傳感器本身就會對結(jié)構(gòu)的完整性造成破壞，因此在發(fā)動機中協(xié)調(diào)傳感器的因素，如數(shù)量、大小、硬度等都會受到嚴格限制。此外，傳感器很難放置在最需要測量的位置，例如最容易產(chǎn)生裂紋的內(nèi)孔附近。從本質(zhì)上講，希望將傳感器放置在均勻應(yīng)變的區(qū)域，遠離感興趣的點，然后計算或推斷實際需要的信息?？偠灾そY(jié)界面應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在裝藥結(jié)構(gòu)完整性、安全性、長期穩(wěn)定性、化學(xué)兼容性和布置便利性等方面都需要滿足要求。

正應(yīng)力傳感器的發(fā)展歷史可以追溯到20 世紀60年代末期。當時，美國科學(xué)家Miller［37］提出了測量全尺寸發(fā)動機的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)是非常必要的。應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的測量能夠在后續(xù)設(shè)計藥柱時對結(jié)構(gòu)能力進行分析評估。為了實現(xiàn)這一目的，Miller 初步闡述了貫穿殼體黏結(jié)應(yīng)力計的使用方法。Burton［38］闡述了貫穿殼體黏結(jié)應(yīng)力計測量理論，并在推進劑固化和隨后的熱測試過程中，使用該應(yīng)力計監(jiān)測推進劑殼體界面處的徑向應(yīng)力。換能器中使用的箔片應(yīng)變計需要一個薄金屬膜片才能具有可接受的信噪比，然而對于相同的載荷條件，由于推進劑模量的溫度相關(guān)性會使得薄隔膜發(fā)生不同的變形，使得應(yīng)力的測量隨溫度和時間發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計具有較高的應(yīng)變系數(shù)，因此可以設(shè)計更厚的膜片，這使得半導(dǎo)體應(yīng)變計具有良好的信噪比特性。半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用也使傳感器的尺寸變得更小，對推進劑應(yīng)力場的干擾更小。因此半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用，提高了應(yīng)力傳感器的精度［39］。

由于貫穿殼體應(yīng)力計測量發(fā)動機界面應(yīng)力的問題一直沒有得到有效解決，加上半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器的快速發(fā)展，1997 年，Micron Instruments 公司研發(fā)的雙黏結(jié)界面應(yīng)力和溫度（DBST）傳感器應(yīng)運而生，如圖7所示，其在發(fā)動機力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測研究中具有里程碑意義。其主要功能就是監(jiān)測發(fā)動機殼體或絕熱層與推進劑界面的徑向應(yīng)力以及溫度［40］。英國的Buswell，以及 美 國Micron Instruments 公 司 的Chelner［41］對DBST傳感器的特點，如工作溫度范圍、精度、靈敏度、非侵入性、長期測量穩(wěn)定性等方面都進行了考慮，從而完善了傳感器的設(shè)計制造與實驗，并在不影響發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上成功地應(yīng)用于無噴管增壓發(fā)動機。經(jīng)過兩年的改進與實驗，2002 年，Chelner［42］總結(jié)了DBST傳感器第一階段期間取得的重大進展，他指出該傳感器在90%滿刻度拉伸載荷下超過八個月不會蠕變，證明了DBST 的穩(wěn)定性。

圖7 DBST 傳感器［40］Fig.7 DBST Sensors［40］

Micron Instruments 公司［43-44］對DSBT 傳感器進行了設(shè)計更改。例如，改進了電氣連接出口處的密封性，加固了傳感器壁，為了便于形成良好的密封面，對后蓋也進行了改進，如圖8a 所示。其還在傳感區(qū)域內(nèi)增加了一個方向的應(yīng)變片，用于測量剪切應(yīng)力，如圖8b 所示。橋接模塊的連接改為一個微型可重復(fù)使用的連接器，如圖8c 所示。他們還將校準后的傳感器粘在背面彎曲的墊片上，以匹配發(fā)動機殼體的形狀，如圖8d 所示。于此同時，Newton Consultancy 公司的Buswell等［45］提出基于DBST 的非侵入式微機電（MEMS）傳感器，其多樣化信息采集為評估發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性提供更有效工具。由于DBST 傳感器是嵌入在發(fā)動機界面的，傳感器必須通過導(dǎo)線連接到外部才能傳輸信息，并且這些電纜和連接器是當前系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此電線管理是一個重要問題。Miller 等［46］提出將DBST 傳感器監(jiān)測技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測與RFID 技術(shù)進行集成，并闡述相關(guān)技術(shù)細節(jié)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。到了2012年，Micron Instruments 的Chelner 等［47］發(fā) 文 探 討 了DBST 未來可能的發(fā)展，認為下一代傳感器是超微型多功能數(shù)字黏結(jié)應(yīng)力傳感器，可監(jiān)測溫度、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，更強的抗干擾能力，可同時監(jiān)測多種狀態(tài)參數(shù)。在信號調(diào)理方面，采用多路復(fù)用、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波及自動補償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計制造智能傳感器，如圖9 所示。在通信方面，采用無線通訊方式，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測黏結(jié)應(yīng)力，布置更加靈活，數(shù)據(jù)采集傳輸更方便。

圖8 DSBT 傳感器的改進設(shè)計［43］Fig.8 Improved Design of DSBT Sensor［43］

基于DBST 傳感器的固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測的具體校準、應(yīng)用以及相關(guān)算法細節(jié)仍在研究中。荷蘭TNO Prins Maurits Laboratory［48］發(fā) 文 介 紹 了 一 項 工作的初步結(jié)果，他們將DBST 傳感器和監(jiān)測藥柱氧含量的化學(xué)傳感器埋入一系列模擬發(fā)動機，對這些發(fā)動機進行溫度循環(huán)以誘導(dǎo)物理/機械老化以及長期等溫熱貯存以誘導(dǎo)化學(xué)老化。結(jié)果表明，傳感器使用4 年后靈敏度變化小于0.5%，發(fā)動機應(yīng)力水平隨著溫度循環(huán)而顯著降低。該團隊在上述實驗基礎(chǔ)上又在同條件下對試驗件進行了機械老化和化學(xué)老化測試，還開展了發(fā)動機數(shù)值模擬，將計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行了比較［49-50］。與此同時德國的Tussiwand 等［51］應(yīng)用DBST傳感器測量了模擬發(fā)動機藥柱在+60 ℃和-40 ℃之間熱負荷循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。熱循環(huán)結(jié)束時，在藥柱中切割出一條尺寸超過發(fā)動機爆炸計算臨界值的尖銳橢圓形孔裂紋。結(jié)果表明，使用DBST 可以檢測出內(nèi)孔處產(chǎn)生的裂紋。

2013 年，Le 等［52］采用有限元模型研究了固體火箭發(fā)動機在冷卻過程中脫粘對絕熱層-推進劑界面徑向應(yīng)力分布的影響。建立了脫粘角度、界面應(yīng)力傳感器數(shù)量和所需傳感器精度之間關(guān)系，提出了2 種檢測脫粘的方法。該團隊2016 年采用相同的分析方法研究了在不同儲存溫度下，內(nèi)孔裂紋對固體火箭發(fā)動機界面應(yīng)力分布的影響，獲得裂紋深度和傳感器數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系，從而能夠通過傳感器檢測發(fā)動機中孔裂紋的大?。?3］。2016 年中國海軍航空工程學(xué)院董可海等［54］利用元器件微應(yīng)變引起感應(yīng)電阻變化從而引起電輸出變化的基本原理，研制了界面應(yīng)力溫度傳感器如圖10a，直徑為15 mm，厚度為2.5 mm。并搭建了實時監(jiān)測系統(tǒng)，如圖10b。該團隊后針對公路運輸載荷進行了數(shù)據(jù)采集與分析。

圖10 界面?zhèn)鞲衅骷捌浔O(jiān)測系統(tǒng)搭建［54］Fig.10 Interface sensors and their monitoring system construction［54］

在界面應(yīng)力傳感器使用方面，2021 年，Marqui［55］基于三維有限元方法對固體火箭發(fā)動機在溫度載荷作用下不同缺陷如裂紋和脫粘狀態(tài)進行界面應(yīng)力分析，得到缺陷類型、大小、位置與傳感器數(shù)量、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。2021 年Liu 等［56］提出一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，評估固體火箭發(fā)動機在內(nèi)孔裂紋和脫粘共存情況下的界面應(yīng)力響應(yīng)，從而通過界面應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)獲取發(fā)動機缺陷的位置、類型及大小。Miller 等［57-58］將DBST 傳感器嵌入模擬發(fā)動機界面，使用的發(fā)動機及其X 射線如圖11。在溫度循環(huán)載荷下通過傳感器數(shù)據(jù)估計了發(fā)動機的無應(yīng)力溫度以及模量，并得出等效老化4.5 年后模量變化20%的結(jié)論。Micron Instruments 公司［59-60］通過數(shù)值方法（圖12），確定了基于膜片的法向及剪切應(yīng)力溫度（NSST）傳感器在組合應(yīng)力載荷下主要材料及形狀參數(shù)，驗證了NSST 傳感器的設(shè)計潛能。

圖11 模擬發(fā)動機的照片和X 射線圖片［54］Fig.11 Simulated motor photos and X-ray images［54］

圖12 界面嵌入NSST 傳感器的數(shù)值模型［60］Fig.12 Numerical model of interface embedded NSST sensor［60］

經(jīng)過30 余年的研究，研究者們已經(jīng)將設(shè)計特征和制造標準融入界面應(yīng)力傳感器主體中，以最大程度地減少傳感器材料蠕變以及因環(huán)境發(fā)生的退化，保證了其穩(wěn)定性，并且已經(jīng)證明了以DBST 為主的傳感器能夠在功率限制范圍內(nèi)測量應(yīng)力和溫度，保證了安全性。但是，由于當前研究采用的界面應(yīng)力傳感器均為剛性體，并且嵌入發(fā)動機時直接與推進劑黏結(jié)與接觸，其黏結(jié)性能以及對應(yīng)力應(yīng)變場產(chǎn)生的影響考慮的還不夠深入。由以上也可以看出，國外的研究重心主要集中于應(yīng)力傳感器的研制、性能測試、功能改進以及數(shù)據(jù)處理等方面，然而對于真實固體發(fā)動機在固化降溫、貯存以及彈射點火（過載）等典型載荷下，應(yīng)力測試的實驗研究較少，無法得到應(yīng)力數(shù)據(jù)與典型載荷的真實規(guī)律。因此，嵌入應(yīng)力傳感器的發(fā)動機界面力學(xué)特性研究以及真實發(fā)動機的應(yīng)力測試實驗研究還需要進一步發(fā)展。

3.2 基于柔性傳感的監(jiān)測技術(shù)

由于DBST 等黏結(jié)界面應(yīng)力傳感器材料模量遠大于固體發(fā)動機埋置部分的材料模量，埋入傳感器和界面不相容會影響周圍的應(yīng)力應(yīng)變場及界面強度，柔性傳感器應(yīng)運而生。2018 年印度的Sankar 等［61］通過將嵌入聚偏氟乙烯（PVDF）和2 電極片制成電容傳感器，通過加壓測試了其電容信號的線性度，后將其嵌入到推進劑當中，如圖13 所示，在常溫固化時監(jiān)測了電容信號變化，證明了PVDF 傳感器能夠跟蹤推進劑固化過程中應(yīng)變變化。雖然這種傳感器厚度僅有50 μm，但由于PVDF 材料具有很強的溫度敏感性，如何進行溫度補償是其應(yīng)用的一項重要挑戰(zhàn)。

圖13 嵌入PVDF 傳感器的推進劑試件［61］Fig.13 Propellant specimens embedded with PVDF sensors［61］

2020 年武漢大學(xué)屈文忠等［62］提出了一種基于柔性傳感器的界面應(yīng)力測試方法，分別將柔性壓阻傳感器與柔性電容傳感器（圖14a），預(yù)先埋入裝藥結(jié)構(gòu)試件界面中，通過拉伸機進行扯離實驗和剪切實驗，如圖14b 所示，初步驗證了嵌入式柔性傳感器監(jiān)測和表征裝藥結(jié)構(gòu)試件界面應(yīng)力的可行性以及裝藥結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。當前，在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中假肢關(guān)節(jié)所用到的界面應(yīng)力柔性傳感器（圖15）［63］以及柔性電子皮膚所用到的大應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅鳎▓D16）［64］的發(fā)展為其應(yīng)用于發(fā)動機力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測提供新的理念與技術(shù)窗口，將為固體發(fā)動機健康監(jiān)測帶來新的機遇。

圖14 柔性傳感器及其應(yīng)用［62］Fig.14 Flexible sensors and their applications［62］

圖15 界面應(yīng)力柔性傳感器［63］Fig.15 Flexible interface stress sensor［63］

圖16 大應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅鳎?4］Fig.16 Flexible large strain sensor［64］

3.3 基于光纖傳感的監(jiān)測技術(shù)

光纖傳感器有著諸多優(yōu)點，例如體積小、重量輕，其直徑可達數(shù)百微米量級，將其嵌入固體發(fā)動機中后無需拆卸，并且多個傳感點可以刻在單個光纖上，因此近些年其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展較快。然而對于固體發(fā)動機，其僅在復(fù)合材料殼體監(jiān)測領(lǐng)域有著較為廣泛的研究，在發(fā)動機裝藥方面研究還較為不足。2013 年，Riziotis 等［65］將裸聚合物光纖和護套電纜縱向結(jié)合到推進劑中（圖17）之外，還首次提出將聚合物光纖與嵌入式應(yīng)變敏感閉環(huán)光纖段結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)光纖具有遠高于10%的應(yīng)變和應(yīng)力的監(jiān)測能力，證明利用聚合物光纖開發(fā)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感平臺具有廣闊應(yīng)用前景。

圖17 POF 與推進劑結(jié)合的樣品結(jié)合的光學(xué)顯微鏡照片［65］Fig.17 Optical microscopy of samples with binding of POF and propellant［65］

2017 年，常新龍等［66］通過有限元模擬了光纖嵌入發(fā)動機燃燒室壁內(nèi)在軸向以及非軸向拉伸下的響應(yīng)。結(jié)果表明，所提出的傳感系統(tǒng)可以測量SRM 中的黏結(jié)應(yīng)力（徑向應(yīng)力）。2018 年，該團隊將光纖布拉格光柵（FBG）埋入模擬發(fā)動機，實驗監(jiān)測了推進劑的固化及脫模過程，發(fā)現(xiàn)波長變化可以監(jiān)測推進劑的固化程度，并且傳感器對藥柱的拉壓應(yīng)力非常敏感［67］。同年，該團隊設(shè)計了一種聚合物封裝的FBG 傳感器，將其埋入HTPB 推進劑/襯層界面黏接試件中，通過實驗研究了應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明FBG 傳感器的線性度、靈敏度及穩(wěn)定性較好［68］。2023 年，張蕓山等［69］采用飛秒激光直寫技術(shù)對高對比度短飛秒光柵陣列進行寫入，解決了固體發(fā)動機中應(yīng)力集中引起的光柵啁啾現(xiàn)象，突破了SRM 中光纖傳感器植入的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了固體發(fā)動機在長期儲存過程中的殼體壓力測試和內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測。由于光纖與推進劑的模量有較大差異導(dǎo)致二者變形協(xié)調(diào)性差，因此光纖傳感器在固體發(fā)動機裝藥力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展應(yīng)聚焦在物理參數(shù)解耦［70］、提取可靠性以及長期存活性等方面的研究上。

3.4 主動激勵監(jiān)測技術(shù)

當在結(jié)構(gòu)中通過布置激勵換能器主動激勵，并通過傳感器接收信號，這種手段被稱為主動傳感。主動監(jiān)測能夠在所需要的時候進行實時在線監(jiān)測，而無需持續(xù)進行，因此更節(jié)省人力物力；對于結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)，其能夠通過優(yōu)化傳感器布置位置并改變激勵信號更好地獲取響應(yīng)信號。2015 年，Lopatin 等［71］設(shè)計了基于磁感應(yīng)激勵的主動傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光纖布拉格光柵來測量藥柱內(nèi)孔布置的磁致伸縮材料在磁場激勵下的變形情況，從而監(jiān)測推進劑老化，其基本原理如圖18。該方法目前實驗只是在試件級，但由于不會在發(fā)動機引入電線，因此有著良好發(fā)展前景。

圖18 主動激勵傳感的基本形式［71］Fig.18 The basic form of active excitation sensing［71］

2019 年，段 磊 光 等［72］將 壓 電 晶 片 有 源 傳 感 器（PWAS）粘貼在不同老化時間的推進劑表面，通過機電阻抗方法對推進劑老化性能進行了表征，初步驗證了壓電阻抗方法表征推進劑老化的可行性。其在2022 年構(gòu)建了機電阻抗與推進劑模量的理論關(guān)系，后將PWAS 嵌入到模擬圓管發(fā)動機襯層界面，如圖19，通過機電阻抗方法對發(fā)動機藥柱老化性能進行了表征，并與同批老化推進劑試件的初始模量進行了比較分析［73］。2022 年，申巖峰等［74］采用了帶有子諧振器的PWAS 對推進劑進行了監(jiān)測可行性研究，實驗總體裝置如圖20 所示。從理論上導(dǎo)出子諧振器PWAS 阻抗解析解，通過數(shù)值模擬證明了新傳感器產(chǎn)生額外共振峰值的有效性，后基于光譜振幅和頻率變化特征的EMIS 損傷指數(shù)用于量化粘彈材料老化。同年，屈文忠等［75］通過自激勵非線性超聲方法對固體推進劑在載荷作用下的脫濕損傷進行了監(jiān)測，得到非線性超聲參數(shù)與應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系。可以看出主動激勵監(jiān)測技術(shù)均需要與推進劑直接接觸，并且其測試或診斷的量主要集中于材料自身的力學(xué)參數(shù)，當前還無法對裝藥受載狀態(tài)進行測試。

圖19 布置有壓電晶片的模擬固體發(fā)動機照片［73］Fig.19 Photo of a Simulated SRM equipped with PWAS［73］

圖20 帶諧振器PWAS 阻抗實驗裝置［74］Fig.20 PWAS impedance experimental device with resonator［74］

4 固體火箭發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用

使用傳感器必須考慮的一個問題是將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的計算模型。大多數(shù)開發(fā)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方法的公司都不熟悉SRM 行業(yè)的獨特環(huán)境或要求。這些能力的整合是成功發(fā)展健康監(jiān)測能力所必需的。由于多數(shù)傳感器都是嵌入式的，因此發(fā)動機中能夠布置傳感器的數(shù)量受限。此外，傳感器不太可能被放置在最所需的位置（比如內(nèi)孔附近）。因此，如何在減少傳感器對發(fā)動機影響的同時最大限度地獲取發(fā)動機內(nèi)部的狀態(tài)信息，如何使用發(fā)動機內(nèi)部狀態(tài)信息，從而分析得到發(fā)動機實際健康信息，解決發(fā)動機壽命問題同樣是目前學(xué)者們考慮的一個重要問題。

4.1 診斷評估與預(yù)測

AMRDEC 長期開發(fā)名為遠程戰(zhàn)備資產(chǎn)預(yù)測和診斷系統(tǒng)（RRAPDS）的健康監(jiān)測系統(tǒng)［76］。通過集成的健康監(jiān)測系統(tǒng)實時測量溫度、濕度、沖擊、振動和腐蝕（化學(xué)品）參數(shù)。然后，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以用于開發(fā)部件健康和完整性的診斷和預(yù)測模型，并確定導(dǎo)彈在發(fā)射時是否能成功運行。2005 年，AMRDEC 的Stephen 等［77］描述了使用RRAPDS 中傳感器數(shù)據(jù)和損傷機制預(yù)測導(dǎo)彈發(fā)動機可靠性的方法，通過概率模型量化健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模型中存在的所有不確定性，從而提供現(xiàn)實的可靠性評估。2008 年AMRDEC 開發(fā)了一種集成的固體推進劑壽命預(yù)測分析工具mLIFE?［78］。該工具不僅集成了許多不同的壽命預(yù)測方法，如熱應(yīng)力誘導(dǎo)蠕變和線性損傷累積，還添加了使用有限元分析、非線性損傷累積、化學(xué)過程效應(yīng)和概率分析的額外模塊。該軟件以分層模塊化格式設(shè)計，允許更新的模塊（lifing 模型、融合算法、數(shù)據(jù)管理庫等）與現(xiàn)有預(yù)測以及計算模型集成或融合。其他功能包括直觀的圖形界面，該界面結(jié)合了用于管理數(shù)據(jù)（輸入和輸出）、可視化和報告生成等工具。Orbital ATK 公司Hyde 認為分析和實驗相結(jié)合從而評估及預(yù)測發(fā)動機老化需要的實際數(shù)據(jù)的基本類型為：誘導(dǎo)載荷，機械性能和化學(xué)性能。其中機械性能數(shù)據(jù)分為2 類：材料響應(yīng)數(shù)據(jù)和材料失效數(shù)據(jù)。而原位傳感器無法獲取上述類型數(shù)據(jù)，但是其對于模型驗證來說非常重要，可以基于現(xiàn)場材料特性數(shù)據(jù)進行驗證或校準［79］。B.GENOV 等［80］提出一種綜合分析方法，綜合分析方法流程如圖21 所示，具體做法是對同一批次貯存的導(dǎo)彈進行抽樣，對樣品進行諸如化學(xué)分析、穩(wěn)定性實驗、力學(xué)實驗等破壞性實驗，獲取化學(xué)性能參數(shù)、穩(wěn)定性參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)等結(jié)果數(shù)據(jù)。對相同樣品進行諸如X 射線以及超聲波無損檢測，獲取缺陷的位置及擴展規(guī)律、推進劑的孔隙率、界面黏結(jié)性能以及根據(jù)超聲評估的老化性能等信息。后將破壞性實驗數(shù)據(jù)和無損檢測信息進行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合經(jīng)過訓(xùn)練后的可靠性數(shù)據(jù)，對這一批次的導(dǎo)彈進行可靠性評估，如符合要求則進行后續(xù)的延壽研究工作，如不符合則需綜合考慮其可修復(fù)性及成本效益提出高效的維修方案。其將傳統(tǒng)的破壞性標準化分析方法和非破壞性無損檢測系統(tǒng)監(jiān)控方法相結(jié)合，結(jié)合后能夠提高其可靠性并且信息能夠相互補償。

圖21 固體火箭發(fā)動機裝藥使用壽命評估的綜合分析過程［80］Fig.21 Comprehensive analysis process for evaluating the service life of SRM propellant［80］

筆者根據(jù)資料總結(jié)了發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)完整性分析和壽命評估應(yīng)用構(gòu)想如圖22 所示，在多個方面都需要不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于以推進劑為典型分析對象其材料特性會隨貯存時間發(fā)生老化退化，表現(xiàn)在強度、模量以及化學(xué)性質(zhì)等。這種退化除了時間的影響外還有環(huán)境載荷，如溫度、濕度、氣壓等，因此環(huán)境載荷的監(jiān)測能夠有效判斷材料特性退化。要了解材料特性準確的退化程度就需要監(jiān)測特性的手段，如化學(xué)監(jiān)測以及模量監(jiān)測。材料特性退化建立模型統(tǒng)稱為老化模型，最終要輸入計算機進行結(jié)構(gòu)完整性計算。材料除了自身特性的退化外，其因為受到長期不同形式外載，材料會發(fā)生以損傷為主導(dǎo)的失效，如以重力為誘導(dǎo)載荷會發(fā)生蠕變，以溫度變化為誘導(dǎo)載荷會產(chǎn)生熱應(yīng)力。而發(fā)動機所處的環(huán)境直接影響誘導(dǎo)載荷，因此有必要監(jiān)測環(huán)境溫度、振動等。上述損傷都是受力影響的，因此需要對發(fā)動機進行力學(xué)測量，實際力學(xué)狀態(tài)的掌握能夠更準確計算損傷?？紤]更真實的損傷模型和老化模型后對于結(jié)構(gòu)完整性的計算也必然會更加準確，將力學(xué)測量結(jié)果和計算結(jié)果進行比較和驗證，如果是一致的，證明計算準確，可以與無損檢測結(jié)果等進行綜合特性分析。如果結(jié)果不一致，說明計算模型中還存在某些參數(shù)是不準的，可以通過測量數(shù)據(jù)反分析進行參數(shù)修正，即本文4.2 節(jié)應(yīng)用。因此監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)為建立老化和損傷模型提供了必要的數(shù)據(jù)支持，而完整的老化和損傷模型又是發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性精確計算的重要基礎(chǔ)。最后結(jié)合無損檢測手段從而對發(fā)動機真實健康狀態(tài)與壽命進行診斷與評估。

發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)用于評估和診斷只能針對材料和組件當前狀態(tài)具備相應(yīng)能力，而系統(tǒng)故障在系統(tǒng)中也是存在的，并且在經(jīng)歷故障或系統(tǒng)性能受到影響之前是無法被發(fā)現(xiàn)的。預(yù)測是指根據(jù)影響未來狀態(tài)的假設(shè)邊界條件來處理和預(yù)測材料或組件未來狀態(tài)的能力。

當系統(tǒng)的行為隨時間變化且對未來行為的不準確預(yù)測風險無法接受時，需要使用診斷和預(yù)測健康管理（PHM）系統(tǒng)。診斷的重要性不容小覷，因為它們用于確認和驗證PHM 系統(tǒng)，并通常在PHM 系統(tǒng)開發(fā)之前進行。PHM 系統(tǒng)通常是通過過去和當前的系統(tǒng)行為基于趨勢外推法預(yù)測未來的系統(tǒng)行為。然而，通常這種方法是不準確的，對未來的誤判可能導(dǎo)致重大事故。

Orbital ATK 的DeVries 等［81］使 用 系 統(tǒng) 的 工 程 方法來開發(fā)固體火箭發(fā)動機的PHM 系統(tǒng)。在了解導(dǎo)致發(fā)動機變化的根本原因的理論基礎(chǔ)上，基于多學(xué)科系統(tǒng)工程方法來開發(fā)機械PHM 系統(tǒng)來對壽命進行精確預(yù)測。系統(tǒng)工程方法就是結(jié)合了數(shù)學(xué)模型預(yù)測和包含力學(xué)演化理論的力學(xué)模型預(yù)測，其原理如圖23。

圖23 基于系統(tǒng)工程方法的壽命預(yù)測Fig.23 Life prediction based on system engineering methods

4.2 有限元模型更新

對發(fā)動機建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)完整性分析時，由于建模中引入了各種假設(shè)、理想化、離散化和參數(shù)化，所獲得的數(shù)值模型可能并不總是反映實際的結(jié)構(gòu)行為?？梢酝ㄟ^結(jié)合動靜態(tài)結(jié)構(gòu)監(jiān)測實驗研究和有限元模型更新（FEMU）方法，對有限元模型中不準確的參數(shù)進行反演修正，盡量減少實際和預(yù)測結(jié)構(gòu)性能之間的差異［82］。

用于更新有限元模型的實驗方法及其結(jié)果主要包括靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)測試或作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一部分獲取的數(shù)據(jù)和結(jié)果?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)的有限元模型更新在混凝土、橋梁以及建筑領(lǐng)域有著非常久的發(fā)展，并且研究已經(jīng)較為深入［83-85］，雖然在使用FEMU 過程中存在不確定性［87］，但它仍是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用最有潛力的應(yīng)用發(fā)展途徑之一，是以虛實交互為主導(dǎo)的數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。

基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的FEMU 在固體發(fā)動機以及固體推進劑領(lǐng)域目前還沒有學(xué)者提出并展開研究，原因有2 個：一是固體發(fā)動機靜態(tài)力學(xué)監(jiān)測手段還非常有限，其只能通過將傳感器埋入的方法進行，這對于傳感器的體積、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、安全性都有很高的要求，當前僅有DBST 傳感器成功應(yīng)用于發(fā)動機界面應(yīng)力的監(jiān)測；二是由于固體推進劑的高阻尼特性使得動態(tài)力學(xué)參數(shù)的測量獲取成為困難。因此當前只有對固體推進劑試件借助如數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的測試工具進行參數(shù)修正實現(xiàn)FEMU［88］。隨著傳感技術(shù)的提升，發(fā)動機健康監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取逐漸得到發(fā)展，因此基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的固體發(fā)動機FEMU 在未來有著廣闊的研究前景。筆者根據(jù)FEMU 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，整理出在固發(fā)中進行參數(shù)反演從而實現(xiàn)FEMU 的思路。

當固體發(fā)動機在載荷下力學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果偏差較大時，可以認為由于以固體推進劑藥柱為主的結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的粘彈材料，材料參數(shù)隨發(fā)動機經(jīng)歷的復(fù)雜載荷工況及真實應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生變化，并難以通過實驗準確獲取藥柱粘彈參數(shù)，最終導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果出現(xiàn)較大差異，因此有必要通過實際監(jiān)測結(jié)果來對材料參數(shù)進行修正，從而完成FEMU 過程。對材料進行參數(shù)反演修正可以分為2 類方法：（1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機參數(shù)修正方法，如：對所有材料參數(shù)在特征載荷下進行敏感度分析［89］，選擇最敏感的幾類材料參數(shù)作為待修正參數(shù)。根據(jù)均勻設(shè)計理論［90］對待修正參數(shù)進行設(shè)計，獲得待修正材料參數(shù)均勻設(shè)計表，將表內(nèi)的所有待修正材料參數(shù)帶入發(fā)動機有限元模型中或利用響應(yīng)面法［91］進行計算，得到與真實發(fā)動機健康監(jiān)測相同點位的計算響應(yīng)；后以計算響應(yīng)為輸入，材料參數(shù)為輸出，訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將各點位真實響應(yīng)帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到修正后的材料參數(shù)。將修正后材料參數(shù)帶入有限元模型進行同載荷有限元計算，得到修正后計算響應(yīng)，后與真實響應(yīng)進行差異性分析，若差異超過閾值則需加密材料參數(shù)重新構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，若小于等于閾值則修正結(jié)束，更新過程如圖24。（2）基于計算優(yōu)化算法的固體發(fā)動機藥柱材料參數(shù)修正方法［92］：對所有材料參數(shù)在特征載荷下進行敏感度分析，選擇最敏感的材料參數(shù)作為待修正參數(shù)。根據(jù)均勻設(shè)計理論對待修正參數(shù)進行設(shè)計，獲得待修正材料參數(shù)均勻設(shè)計表。將表內(nèi)的所有待修正材料參數(shù)帶入發(fā)動機有限元模型中或利用響應(yīng)面法進行計算，得到與真實發(fā)動機健康監(jiān)測相同點位的計算響應(yīng)；根據(jù)計算響應(yīng)和實測響應(yīng)構(gòu)建目標函數(shù)，后將表內(nèi)各組參數(shù)通過計算優(yōu)化算法進行迭代，進行判斷得出迭代結(jié)果，完成參數(shù)的更新。直至最后參數(shù)更新的值進行計算得到的響應(yīng)與實測響應(yīng)小于等于閾值則迭代結(jié)束，更新過程如圖25。

圖24 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固體發(fā)動機藥柱材料參數(shù)修正方法更新過程Fig.24 Update process of material parameters for SRM propellant based on neural network

圖25 基于計算優(yōu)化算法的固體發(fā)動機藥柱材料參數(shù)修正方法更新過程Fig.25 Update process of material parameters for SRM propellant based on computational optimization algorithm

5 結(jié) 論

固體火箭發(fā)動機裝藥狀態(tài)監(jiān)測研究未來具有十分廣闊的研究前景，然而由于我國起步較晚，發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)的研制進展緩慢。當前研究遇到的難點主要是：系統(tǒng)硬件制造工藝水平不高；傳感器應(yīng)用性研究不夠深入；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不容易開發(fā)等。本文通過對近年來國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機裝藥狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展水平及關(guān)鍵技術(shù)進行跟蹤研究，提出幾點開展固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測領(lǐng)域研究建議。

固體火箭發(fā)動機裝藥狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方面：

（1）相容性技術(shù)研究。傳感器嵌入對發(fā)動機裝藥界面黏結(jié)強度影響、推進劑與傳感器本體或黏結(jié)劑化學(xué)作用問題等，都對傳感器正確、安全嵌入造成了困擾。因此，需要開展內(nèi)嵌式傳感器與發(fā)動機相容性技術(shù)研究，從而保證在不破壞發(fā)動機完整性的前提下對其進行監(jiān)測；

（2）新理念傳感技術(shù)開發(fā)。目前用于固體發(fā)動機裝藥的傳感器多為內(nèi)嵌或粘貼式，并且多數(shù)都需要有電流輸入，考慮安全等因素目前真實發(fā)動機使用的概率較小。應(yīng)注重新理念傳感技術(shù)的開發(fā)如MEMS 技術(shù)，無線傳輸技術(shù)和非接觸感知技術(shù)等。

（3）長壽命技術(shù)研究。由于固體發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)的工作歷程需要伴隨發(fā)動機固化、長期貯存、長途運輸、勤務(wù)處理和點火發(fā)射的整個階段，因此，監(jiān)測系統(tǒng)的能量供應(yīng)、大容量信息存儲也是未來需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

固體火箭發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用發(fā)展方面：

（1）數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究。固體火箭發(fā)動機裝藥狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)用、邏輯診斷、診斷信息存儲等都要依靠數(shù)據(jù)庫來進行。數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用提供了實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測自動化的條件，通過多源傳感數(shù)據(jù)的融合，極大地提高了所監(jiān)測信息的價值。由此可見，數(shù)據(jù)庫技術(shù)是健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠成功運行的關(guān)鍵，對發(fā)動機損傷信息的存儲、分析和評估起著重要作用。

（2）PHM 系統(tǒng)。由于PHM 系統(tǒng)的構(gòu)建涉及到結(jié)構(gòu)完整性分析、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等多個方面的研究，當前PHM 系統(tǒng)還只停留在概念層面。在了解導(dǎo)致固體發(fā)動機裝藥狀態(tài)變化根本原因及理論的基礎(chǔ)上，基于多學(xué)科系統(tǒng)工程方法開發(fā)機械PHM 系統(tǒng)，是對發(fā)動機裝藥壽命精確預(yù)測的關(guān)鍵。

（3）數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)依靠大量實測數(shù)據(jù)，借助基于固體發(fā)動機裝藥的有限元模型更新技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)“以實修虛”。而當前的人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字孿生技術(shù)“以虛映實”提供重要的計算工具。