馬云龍,黃 兵,郗 琦,李皓偉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

新一代火箭首飛成功地拉開(kāi)了我國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的序幕[1]。為了大幅度降低發(fā)射成本，研制可重復(fù)使用運(yùn)載器得到各國(guó)的高度重視。天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)中貯箱的核心問(wèn)題是其可重復(fù)使用性，貯箱的可重復(fù)使用性關(guān)鍵是如何減少飛行間隔中的安全檢查次數(shù)，以充分降低發(fā)射系統(tǒng)的壽命周期成本。

可重復(fù)使用貯箱是天地往返系統(tǒng)的最大部件之一，能否成功研制輕質(zhì)、高強(qiáng)、可靠性高的可重復(fù)使用貯箱成為制約天地往返系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用貯箱高強(qiáng)度和高可靠性，有兩種技術(shù)手段：(1)提供足夠的堅(jiān)固性、損傷容限及結(jié)構(gòu)完整性，以避免其破壞。同時(shí)由于避免了貯箱預(yù)期使用壽命內(nèi)的破壞，所以也就沒(méi)有必要進(jìn)行附加的安全檢查；(2)選擇應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕】当O(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)在飛行過(guò)程中缺陷與損傷的發(fā)生。從另一個(gè)角度而言，貯箱重復(fù)使用性必須通過(guò)提高結(jié)構(gòu)耐久性來(lái)獲得，而耐久性提高必須基于對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)的健康狀況有足夠的認(rèn)識(shí)，因此需要采用先進(jìn)傳感器技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)來(lái)確認(rèn)貯箱結(jié)構(gòu)/功能完整性和健康狀況。顯然上述兩方面是相輔相成的，失效模式與健康監(jiān)測(cè)策略兩者缺一不可。

本文針對(duì)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)可重復(fù)使用貯箱在飛行過(guò)程中的溫度分布、應(yīng)力分布、損傷演化及外部撞擊等，論述了可重復(fù)使用貯箱失效模式與健康監(jiān)測(cè)策略，并討論了集成化健康監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)及其相應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貯箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、損傷監(jiān)測(cè)和外部撞擊監(jiān)視，從而為貯箱的安全、正常工作提供保障，為多次往返飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制提供技術(shù)積累。

1 可重復(fù)使用貯箱失效模式分析與健康監(jiān)測(cè)策略

可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的建立，首先要明確其可能發(fā)生的失效模式及其可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷，然后采取有針對(duì)性的健康監(jiān)測(cè)策略和技術(shù)，最后通過(guò)系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬低溫貯箱集成化健康管理。

1.1 可重復(fù)使用貯箱結(jié)構(gòu)損傷與失效模式

建立有效可行的可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)以下的步驟來(lái)完成：(1)確定需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部位以及其載荷環(huán)境、失效模式；(2)選擇合適的待測(cè)量；(3)針對(duì)應(yīng)用成熟的傳感器進(jìn)行分析權(quán)衡，選擇合適的傳感器；(4)確定傳感信號(hào)的傳輸方案、控制方法、識(shí)別途徑；(5)研究失效模式的診斷方法，開(kāi)發(fā)出合理的失效模式識(shí)別系統(tǒng)。建立可重復(fù)使用金屬貯箱健康監(jiān)測(cè)的邏輯流程圖，如圖1所示。

首先要在貯箱設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，確定出貯箱的關(guān)鍵部件、載荷環(huán)境條件以及可能出現(xiàn)的缺陷。例如歐空局針對(duì)未來(lái)歐洲空間運(yùn)輸系統(tǒng)項(xiàng)目，提出了基于金屬和復(fù)合材料的低溫貯箱設(shè)計(jì)方案[2]。對(duì)于貯箱壁-絕熱-防熱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的貯箱，關(guān)鍵部件有貯箱壁、絕熱防熱系統(tǒng)；環(huán)境條件包括溫度和載荷，它們會(huì)造成金屬低溫貯箱的貯箱壁/低溫隔熱層/熱防護(hù)性能的退化。

可重復(fù)使用貯箱主要失效模式包括：(1)金屬貯箱焊縫(環(huán)焊)缺陷；(2)裂縫、腐蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋(對(duì)于金屬貯箱)；(3)分層、孔隙和雜質(zhì)(對(duì)于復(fù)合材料貯箱)；(4)貯箱不同部件(如低溫隔熱層[3]/貯箱壁/蒙皮)的連接失效；(5)熱防護(hù)系統(tǒng)撞擊；(6)低溫燃料泄漏。一般采用諸如失效模式影響與危害分析法(Failure modes effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)定義和確定潛在結(jié)構(gòu)缺陷和失效模式，進(jìn)而檢查所有可能的失效及其對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)的影響[4-5]。

其次，在仔細(xì)權(quán)衡候選傳感器的靈敏度和應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上，選擇檢測(cè)參數(shù)。分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)只有在其檢測(cè)范圍內(nèi)才能夠傳遞正確的信號(hào)、監(jiān)測(cè)貯箱狀態(tài)和載荷環(huán)境參數(shù)。針對(duì)某種失效模式，在一定的檢測(cè)范圍內(nèi)，可供選擇的監(jiān)測(cè)參數(shù)很多，選擇測(cè)量參數(shù)的基本原則有：(1)所選的參數(shù)能夠反映貯箱某種狀態(tài)，且參數(shù)變化和貯箱狀態(tài)變化之間有定量關(guān)系； (2)所選的參數(shù)應(yīng)易于被測(cè)量，且在貯箱的整個(gè)壽命周期中，參數(shù)的變化在所選擇的傳感器測(cè)量范圍以內(nèi)；(3)參數(shù)的測(cè)量抗干擾能力強(qiáng)。研究傳感器的特性是研制健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要方面，如評(píng)價(jià)傳感器的性能、測(cè)量范圍；確定傳感器在貯箱中的最佳位置，傳感器的集成適應(yīng)性和界面特性等。

圖1 可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)的邏輯流程圖

第三，將傳感器集成到貯箱中還需要研制傳感數(shù)據(jù)解調(diào)、結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)特征提取和失效模式識(shí)別，健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方案、主控制系統(tǒng)、信號(hào)傳輸存儲(chǔ)等關(guān)鍵子系統(tǒng)。這些邏輯系統(tǒng)通過(guò)獲得并分析傳感數(shù)據(jù)、控制光路的選擇以及光信號(hào)參數(shù)的變化，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)分析貯箱的缺陷、損傷程度等完成對(duì)貯箱的健康監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)與維修建議。

1.2 重復(fù)使用貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略

根據(jù)可重復(fù)使用貯箱結(jié)構(gòu)損傷和失效模式分析可知，貯箱結(jié)構(gòu)的不同關(guān)鍵部件具有不同的損傷形式和失效模式。因此，有必要針對(duì)貯箱在不同階段采取不同健康監(jiān)測(cè)策略，實(shí)現(xiàn)貯箱關(guān)鍵區(qū)域?qū)Σ煌锢韰?shù)目標(biāo)的綜合健康監(jiān)測(cè)，主要包括三部分：(1)在地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與維修階段，能檢測(cè)出貯箱結(jié)構(gòu)損傷(裂紋和焊縫缺陷)；(2)在飛行階段能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)貯箱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的狀態(tài)(如溫度、應(yīng)變/應(yīng)力變化)和外部撞擊；(3)根據(jù)損傷檢測(cè)結(jié)果和狀態(tài)變化能評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，并預(yù)測(cè)貯箱結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

針對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略，可以在貯箱結(jié)構(gòu)上安裝應(yīng)變、溫度、超聲波等傳感器以獲得貯箱結(jié)構(gòu)在環(huán)境、工作條件改變下的參數(shù)變化，采用主動(dòng)或被動(dòng)方式檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的危險(xiǎn)(應(yīng)力集中、疲勞、緊固件松動(dòng)、裂紋擴(kuò)展、燃料泄漏等)，基于對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，確定監(jiān)測(cè)策略，選取合適的先進(jìn)傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，使用數(shù)據(jù)融合和人工智能等先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法從大量的傳感器數(shù)據(jù)中提取有關(guān)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的信息，采用基于物理/數(shù)據(jù)和基于經(jīng)驗(yàn)的診斷分析方法評(píng)價(jià)當(dāng)前損傷并預(yù)測(cè)將來(lái)結(jié)構(gòu)健康狀況變化趨勢(shì)，進(jìn)而采取合適措施緩解結(jié)構(gòu)的損傷或?qū)Y(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，從而滿足金屬低溫貯箱可重復(fù)使用要求。

2 可重復(fù)使用貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

根據(jù)重復(fù)使用貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的策略，貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采用以下技術(shù)：(1)基于超聲導(dǎo)波相控陣的貯箱缺陷與損傷檢測(cè)技術(shù)，主要是在地面階段采用主動(dòng)方式檢測(cè)貯箱損傷；(2)基于分布式光纖光柵傳感器的貯箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析由健康狀態(tài)變化引起的監(jiān)測(cè)參量變化，主要是監(jiān)測(cè)在飛行階段中貯箱溫度、應(yīng)力/應(yīng)變等狀態(tài)參數(shù)；(3)貯箱外部撞擊識(shí)別技術(shù)主要在飛行階段采取壓電傳感器技術(shù)被動(dòng)地監(jiān)視貯箱可能遇到外部撞擊，識(shí)別出撞擊位置和重構(gòu)撞擊載荷。

2.1 基于超聲導(dǎo)波相控陣的貯箱結(jié)構(gòu)缺陷與損傷檢測(cè)

重復(fù)使用貯箱實(shí)際使用壽命必須滿足1 000次左右的反復(fù)加壓和50次的軸、彎、剪、內(nèi)、沖擊等聯(lián)合載荷的循環(huán)。這種復(fù)雜工作環(huán)境和載荷，對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要的影響。同時(shí)對(duì)貯箱材料在疲勞載荷下的損傷容限問(wèn)題必須進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)(如無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù))，為下一步工程應(yīng)用打下理論研究基礎(chǔ)。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一般包括超聲、X 射線、電渦流射線及電位測(cè)量等，但這些檢測(cè)方法所需設(shè)備復(fù)雜，而且需要對(duì)損傷的位置有初步的了解，如外部腐蝕、內(nèi)部腐蝕或沖蝕、環(huán)向裂紋、焊縫錯(cuò)邊、焊接缺陷、疲勞裂紋等情況。基于壓電傳感器和主動(dòng)Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)中的裂紋、脫層等小損傷敏感，是目前被認(rèn)為比較有效的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，已成為目前國(guó)際研究的熱點(diǎn)[6]。其基本原理是利用附著在結(jié)構(gòu)上的驅(qū)動(dòng)器發(fā)生超聲波信號(hào)，由其相鄰傳感器接收信號(hào)。傳感器接收到的信號(hào)包含了結(jié)構(gòu)上從驅(qū)動(dòng)器到傳感器之間的路徑及其周圍區(qū)域所發(fā)生的物理變化。采用比較損傷發(fā)生前后傳感器信號(hào)的變化，通過(guò)一系列分析手段就可以獲得損傷的位置、大小甚至類型等信息[7-8]。

2.2 基于光纖光柵傳感器的貯箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)

可重復(fù)使用貯箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般包括載荷監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)兩個(gè)部分。載荷監(jiān)測(cè)一般無(wú)法直接進(jìn)行，而是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，光纖光柵傳感器已經(jīng)被證明是一種良好的應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是目前研究者們廣泛采用的高反射率光纖光柵有其不可克服的弱點(diǎn)。首先，由于高反射率光纖光柵的制備過(guò)程需要先將光纖光柵的涂覆層剝除，然后進(jìn)行刻?hào)?。這一過(guò)程不可避免地會(huì)弱化光纖光柵的強(qiáng)度，使其在操作與安裝過(guò)程中極易發(fā)生破壞，降低了其可用性。其次由于光源帶寬的原因，一個(gè)通道內(nèi)無(wú)法集成大量的測(cè)量點(diǎn)，而使用更多的傳感器通道則由于重量與成本等因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)。因此，本文提出采用弱反射率光纖光柵進(jìn)行大面積、高密度、準(zhǔn)分布式的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)。在美國(guó)航空航天局(NASA)的多次往返航天飛機(jī)項(xiàng)目中，這種光纖傳感器被認(rèn)為是進(jìn)行集成化健康監(jiān)測(cè)的最佳選擇[9]。在美國(guó)的F-18戰(zhàn)機(jī)上，也采用了這一技術(shù)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。利用這一技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最多高達(dá)1 200個(gè)測(cè)點(diǎn)/通道，測(cè)點(diǎn)間距為5毫米。美國(guó)的可重復(fù)使用驗(yàn)證機(jī)X-33中低溫貯箱的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案最為成熟，它將Bragg光纖光柵傳感器粘貼到低溫貯箱壁上，采用了準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)對(duì)貯箱壁應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以采取分布式Bragg光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)貯箱壁應(yīng)力/應(yīng)變和溫度狀態(tài)[10]。

2.3 基于壓電傳感器和系統(tǒng)辨識(shí)的貯箱撞擊監(jiān)視

天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)在服役和維修維護(hù)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到一些意外的撞擊，如飛鳥(niǎo)以及維修維護(hù)過(guò)程中不小心落下的工具等，極易造成損傷，因而對(duì)飛行器貯箱結(jié)構(gòu)所遭受的撞擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度就顯得極為重要。撞擊的監(jiān)測(cè)也可以采用應(yīng)力波方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在結(jié)構(gòu)遭受撞擊后，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，通過(guò)在結(jié)構(gòu)易遭受撞擊部位布設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)由撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，就可以通過(guò)問(wèn)題的求解獲得結(jié)構(gòu)所遭受撞擊的位置與撞擊能量的大小。在地面階段進(jìn)行貯箱結(jié)構(gòu)缺陷與損傷檢測(cè)方法使用不方便，局限性大，不易做到服役環(huán)境下的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，不適合未來(lái)大型航空、航天飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與診斷。一種可行的方法是及時(shí)識(shí)別飛行器等結(jié)構(gòu)表面受到的撞擊荷載的位置和大小，并根據(jù)荷載大小采用經(jīng)驗(yàn)的方法或按設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)預(yù)估損傷的程度，其關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)復(fù)雜瞬態(tài)撞擊信號(hào)的處理。因此，可以采用基于系統(tǒng)辨識(shí)的撞擊監(jiān)視與識(shí)別技術(shù)，即采用基于系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)的求逆方法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的撞擊識(shí)別(撞擊定位和撞擊載荷重構(gòu))，無(wú)需構(gòu)造結(jié)構(gòu)的全尺度模型或獲取結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)[11]。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括：(1)具體撞擊事件的檢測(cè)；(2)撞擊位置的確定；(3)撞擊載荷時(shí)間歷程的重構(gòu)；(4)撞擊損傷的評(píng)估。在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)與獲取結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，及時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別出作用其上的撞擊載荷。

3 可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷關(guān)鍵技術(shù)

從健康監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求角度而言，可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程基本元素包括：傳感器選擇、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、故障檢測(cè)、故障分離、信息融合、系統(tǒng)性能和壽命預(yù)測(cè)。從技術(shù)角度而言，健康管理為一系列活動(dòng)的有機(jī)構(gòu)成，其技術(shù)包括傳感器和數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸與接口技術(shù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析技術(shù)，健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)技術(shù)，信息融合技術(shù)和決策支持技術(shù)。其中，傳感器是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。綜上可知，構(gòu)建高效的金屬低溫貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：(1)關(guān)鍵組件、條件和失效模式的確定；(2)運(yùn)行參數(shù)的選擇；(3)傳感器選擇與權(quán)衡；(4)診斷測(cè)量與傳感數(shù)據(jù)分析；(5)系統(tǒng)診斷與失效模式識(shí)別；(6)數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系架構(gòu)等。本文重點(diǎn)介紹傳感器選擇與權(quán)衡，系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

3.1 傳感器選擇與權(quán)衡

傳感器選擇是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。選擇準(zhǔn)則包括可檢測(cè)性、傳感能力、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程傳感、極端環(huán)境(溫度和載荷)下的存活性、健壯性和技術(shù)成熟度。綜合現(xiàn)有國(guó)外關(guān)于貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究成果，目前使用的傳感器如圖2所示。其中最重要的設(shè)計(jì)需求是提高機(jī)載傳感器(包括傳感設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、電纜和連接器等)的可靠性。目前，已有傳感器用于航空航天結(jié)構(gòu)中，包括熱電偶、應(yīng)變片、加速度計(jì)用于測(cè)量溫度、應(yīng)變、速度和加速度、濕度、液氫流量和電磁信號(hào)等。目前已經(jīng)研發(fā)出新型傳感器以更加準(zhǔn)確地識(shí)別失效模式和全面地分析系統(tǒng)和響應(yīng)。發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)出非接觸、非嵌入的便于實(shí)施的傳感器，使其體積小、質(zhì)量輕，用于飛行中的低溫貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器是聲發(fā)射傳感器和光纖光柵傳感器。

3.2 可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)體系架構(gòu)

飛行器結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)是為決策者提供數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)以便對(duì)結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作。貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)要具有良好的可擴(kuò)展性和移植性，能較好地與可重復(fù)使用飛行器健康管理系統(tǒng)相集成。飛行器結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)需要完成的功能包括從底層的傳感器原始信息獲取到設(shè)定結(jié)構(gòu)安全臨界閾值以及健康狀況報(bào)警系統(tǒng)等一系列的功能[12-14]。從數(shù)據(jù)管理角度看，飛行器結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要完成海量并/串聯(lián)傳感器的信息查詢與解調(diào)處理，子系統(tǒng)互聯(lián)及數(shù)據(jù)融合、發(fā)布與壓縮存檔；從功能角度考慮，飛行器結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)需要完成航行工作狀態(tài)記錄與識(shí)別，結(jié)構(gòu)服役歷史信息貯存，載荷水平辨識(shí)認(rèn)證，維修維護(hù)記錄，同時(shí)還包括能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷/性能退化的診斷與預(yù)后診斷模塊。從可維護(hù)性角度看，飛行器結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要能夠支持飛行器結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)在安全與經(jīng)濟(jì)的前提下，實(shí)現(xiàn)輔助甚至取代特定的維修維護(hù)流程。

圖2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)常用傳感器

研究分析數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在智能子系統(tǒng)、智能處理過(guò)程和智能傳感器3個(gè)層次上采用智能集成方法構(gòu)建層次化分布式網(wǎng)絡(luò)。采用多Agent建模方法和技術(shù)，開(kāi)發(fā)快速可視化工具，管理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分配、各子系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)顯示、傳感數(shù)據(jù)信息流動(dòng)態(tài)顯示、破壞位置和強(qiáng)度的實(shí)時(shí)顯示。采用傳感數(shù)據(jù)融合和智能推理方法實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析、破壞檢測(cè)、原因診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)。在上述研究基礎(chǔ)上，建立一個(gè)飛行器綜合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)，包括對(duì)系統(tǒng)各部分功能的完整定義，新型高效的協(xié)作機(jī)制，高效的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)，功能強(qiáng)大、安全可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)等。圖3為貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程圖。

圖3 貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程圖

研究分析數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在智能系統(tǒng)、智能處理過(guò)程和智能傳感器3個(gè)層次上采用智能集成方法構(gòu)建層次化分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用多Agent建模方法和技術(shù)，開(kāi)發(fā)快速可視化工具，管理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分配、各子系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)顯示、傳感數(shù)據(jù)信息流動(dòng)態(tài)顯示、破壞位置和強(qiáng)度的實(shí)時(shí)顯示；采用傳感數(shù)據(jù)融合和智能推理方法實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析、破壞檢測(cè)、原因診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)；采用面向?qū)ο蠼７椒?gòu)建結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)元素及其相關(guān)的知識(shí)庫(kù)、通用方法和過(guò)程、通信進(jìn)行封裝。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的3個(gè)模型和流動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于G2平臺(tái)的結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)架構(gòu)流程圖

結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、人機(jī)界面、外部接口等部分組成[15]。知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量是影響健康診斷的關(guān)鍵因素；推理機(jī)的性能決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和健康性；外部接口使健康管理系統(tǒng)與其它系統(tǒng)能集成一體。要構(gòu)建這樣的智能診斷系統(tǒng)，傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)手段是難以勝任的。G2是美國(guó)Gensym公司開(kāi)發(fā)的經(jīng)20多年改進(jìn)和推廣的實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，已經(jīng)成為各類任務(wù)關(guān)鍵(Mission-Critical)領(lǐng)域首選的智能集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)[16]。NASA、美國(guó)空軍等都采用G2建立了大型復(fù)雜系統(tǒng)的智能故障診斷系統(tǒng)。因此，采用G2作為平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)天地往返運(yùn)輸貯箱結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)，以提高開(kāi)發(fā)效率，提高系統(tǒng)可用性、一致性以及響應(yīng)能力。充分利用G2自身提供的包括面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化自然語(yǔ)言編程、交互式圖形技術(shù)、動(dòng)態(tài)模擬和仿真等開(kāi)發(fā)手段，快速建立和維護(hù)知識(shí)庫(kù)。例如使用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和交互式圖形技術(shù)建立系統(tǒng)軟件模型，結(jié)構(gòu)化自然語(yǔ)言和知識(shí)描述、技術(shù)描述各種標(biāo)準(zhǔn)故障模式(故障知識(shí))，專家經(jīng)驗(yàn)(啟發(fā)性知識(shí))，信號(hào)處理算法(過(guò)程性知識(shí))等；利用動(dòng)態(tài)模擬和仿真技術(shù)驗(yàn)證和修改增量開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種知識(shí)；利用G2內(nèi)建知識(shí)庫(kù)的一致性和安全性機(jī)制管理對(duì)象、規(guī)則、過(guò)程、模型和其它類型知識(shí)體，使其相互正確關(guān)聯(lián)，避免沖突。G2的實(shí)時(shí)推理引擎是智能故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的核心，推理引擎在毫秒級(jí)實(shí)時(shí)地響應(yīng)大量的外部數(shù)據(jù)和事件，運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中相關(guān)知識(shí)進(jìn)行推理分析。

4 結(jié)論

根據(jù)以上論述，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在可重復(fù)使用貯箱中引入以先進(jìn)光纖傳感器、壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能邏輯判斷系統(tǒng)為基礎(chǔ)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱從生產(chǎn)、制造、安裝、調(diào)試、存儲(chǔ)、發(fā)射、飛行以及返航等全壽命周期的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)貯箱需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件包括貯箱壁、熱保護(hù)系統(tǒng)等；需要監(jiān)測(cè)的物理量包括應(yīng)變和溫度；對(duì)于復(fù)合材料液氫貯箱，由于液氫滲漏問(wèn)題，應(yīng)對(duì)貯箱外壁的氫濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在貯箱中引入健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不但可以判斷貯箱的健康狀態(tài)、能否繼續(xù)服役等，而且可以記錄分析過(guò)程中的載荷數(shù)據(jù)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)。

(3)Bragg光纖傳感器不但具備傳統(tǒng)光纖傳感器的體積小、靈敏度高，不受電磁輻射影響的優(yōu)點(diǎn)，而且具備波長(zhǎng)絕對(duì)編碼，易于復(fù)用和網(wǎng)絡(luò)化，不受光源波動(dòng)和光纖損耗的影響等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)作為重點(diǎn)的光纖傳感器研究。

(4)可重復(fù)使用貯箱健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)體系架構(gòu)的建立可充分借鑒國(guó)外成熟的平臺(tái)體系，以此作為平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)天地往返運(yùn)輸貯箱結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)，以提高開(kāi)發(fā)效率，提高系統(tǒng)可用性、一致性、響應(yīng)能力。