吳昊，杜鵬程，王華斌

(1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710000；2.中國航天科工集團(tuán)有限公司 六院41所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今各種導(dǎo)彈武器和航空航天器主要的動(dòng)力裝置，以其機(jī)動(dòng)性好、可靠性高以及易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭和航空航天[1]。為適應(yīng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)減重、提升工作壓強(qiáng)等性能提升的需要，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛地用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的制造。復(fù)合材料屬于非均質(zhì)各項(xiàng)異性材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其成型工藝穩(wěn)定性較差。同時(shí)在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中力載荷(支撐壓力、沖擊、過載、碰撞)和環(huán)境載荷(高溫、高濕、腐蝕介質(zhì))的作用下，復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部容易產(chǎn)生脫粘、裂紋等損傷。這些缺陷或者損傷會(huì)導(dǎo)致固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆破壓強(qiáng)的降低，導(dǎo)致飛行失敗。因此對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料殼體的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估成為保障導(dǎo)彈安全服役的重要課題[2]。

目前，對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層與殼體和藥柱的粘接界面、藥柱的力學(xué)性能衰減等已形成較為完備的檢測(cè)技術(shù)和方法[3-4]，而對(duì)碳纖維復(fù)合材料為基礎(chǔ)材料的殼體的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究仍顯得相對(duì)滯后。本文將對(duì)目前復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)方法和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究內(nèi)容進(jìn)行綜述，找出適合固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體出廠評(píng)價(jià)及服役后維護(hù)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法，同時(shí)指出固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體健康檢測(cè)方法

1.1 人工檢測(cè)方法

目視法和敲擊法是碳纖維復(fù)合材料殼體生產(chǎn)及出廠后評(píng)定的2種人工檢測(cè)方法。目視法主要通過放大鏡等輔助觀察工具，通過目視來檢查復(fù)合材料部件表面的表面狀態(tài)，如缺口、裂紋、磕碰傷、掉漆等缺陷。目視法嚴(yán)重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，只能作為殼體或發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)和服役過程中的初步檢查手段。

敲擊法的主要應(yīng)用場(chǎng)景為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙、纖維層脫粘等缺陷以及粘接界面的脫粘評(píng)價(jià)。南京航空航天大學(xué)李艷軍課題組開發(fā)了智能敲擊檢測(cè)系統(tǒng)，通過數(shù)字敲擊錘激勵(lì)復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件振動(dòng)的特征來判定其內(nèi)部的缺陷。該系統(tǒng)已用于蜂窩狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)、復(fù)合材料檢測(cè)、膠接強(qiáng)度檢測(cè)等[5]。智能敲擊檢測(cè)設(shè)備輕巧，操作簡單，自動(dòng)化程度高，可用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體原位檢測(cè)等領(lǐng)域。

人工測(cè)試方法操作簡單，結(jié)果直觀，但是該方法主觀性強(qiáng)，嚴(yán)重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)而言，人工檢測(cè)方法僅限于復(fù)合材料殼體缺陷的初步判定，其精度不能滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)化評(píng)定的要求。

1.2 聲學(xué)檢測(cè)方法

1.2.1 超聲檢測(cè)法

超聲檢測(cè)法，是利用復(fù)合材料內(nèi)部缺陷和連續(xù)區(qū)域?qū)Τ暡ǚ瓷湫盘?hào)的不同來定位缺陷和判定缺陷大小的一種無損檢測(cè)方法。復(fù)合材料成型的工藝特點(diǎn)決定了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有明顯的各項(xiàng)異性，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較多的孔隙、分層等缺陷。再加上復(fù)合材料的聲衰減大，噪聲與缺陷反射信號(hào)的信噪比低，導(dǎo)致缺陷信號(hào)分辨率低[6]。對(duì)于小型結(jié)構(gòu)件通常采用水浸式反射法，對(duì)于尺寸較大的構(gòu)件多采用噴水穿透法或噴水脈沖反射法[7]。圖1給出了一種用于大型火箭結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 大型火箭結(jié)構(gòu)自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Automatic ultrasonic detection system for large rocket structure

歐美國家對(duì)超聲檢測(cè)方法的研究起步早，建立了完備的超聲無損檢測(cè)理論體系，同時(shí)推動(dòng)了檢測(cè)儀器的數(shù)字化和圖像化。從超聲無損檢測(cè)理論研究方面，Smith[8],Rokhlin[9],Matin[10],Kanaun[11]等人通過建立聲波在各向異性復(fù)合材料中傳播的穩(wěn)態(tài)遞歸剛度矩陣算法，超聲波在含孔隙碳纖維復(fù)合材料中傳播的理論聲速計(jì)算模型，使用全新的復(fù)合材料聲波散射方程等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的定量評(píng)估。在工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)方面，ICI Fiberite公司、德國的Nukem Nutronik公司、德國智能無損檢測(cè)系統(tǒng)和服務(wù)公司研制的檢測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜表面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)，確定大型復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)部缺陷特征[12-13]。

目前，超聲檢測(cè)方法延伸出許多技術(shù)分支，極大豐富了超聲無損檢測(cè)技術(shù)門類[14]。實(shí)際檢測(cè)中，多種方法有機(jī)配合，相互補(bǔ)充，極大提高了復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測(cè)精度。

1.2.2 聲發(fā)射檢測(cè)法

聲發(fā)射檢測(cè)法，其原理是通過纖維斷裂聲學(xué)判斷纖維絲束斷裂載荷，主要用來評(píng)價(jià)纖維絲束的質(zhì)量，是一種動(dòng)態(tài)的檢測(cè)技術(shù)[15]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)配合復(fù)合材料殼體水壓試驗(yàn)可以確定殼體整體的質(zhì)量水平，為后期發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。美國國家航天局(NASA)曾采用聲發(fā)射法有效地檢測(cè)出航天器結(jié)構(gòu)中裂紋等缺陷，是航天器質(zhì)量監(jiān)控的一種有效手段[15]。

1.2.3 聲-超聲檢測(cè)法

聲-超聲檢測(cè)技術(shù)，又稱應(yīng)力波因子技術(shù)，利用應(yīng)力波在連續(xù)介質(zhì)中較高的傳播效率確定復(fù)合材料質(zhì)量。提取的應(yīng)力波因子(stress wave factor,SWF)數(shù)值越大，則表明材料及其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和斷裂韌度更高，或材料內(nèi)損傷更少[16]。寧志威等[17]采用壓電陶瓷傳感器和數(shù)字示波器相結(jié)合的方法檢測(cè)了含預(yù)置脫粘層的復(fù)合材料板。結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出脫粘層的位置及大小。

1.3 射線及光學(xué)成像檢測(cè)法

1.3.1 X射線照相法

X射線照相檢測(cè)，是固體發(fā)動(dòng)機(jī)無損檢測(cè)最為傳統(tǒng)的方法之一，主要是根據(jù)X射線穿過不同材料時(shí)衰減量不同從而在底片上呈現(xiàn)明暗不同的影像[18]。密度較大的物質(zhì)顯示白色，而脫粘缺陷顯示暗色。目前X射線照相法仍是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體、噴管及喉襯缺陷的最為主流的檢測(cè)方法。

X射線實(shí)時(shí)成像法是對(duì)X射線照相檢測(cè)法的繼承，采用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬、復(fù)合材料及其膠接部位的缺陷檢測(cè)[19]。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)金屬裙和復(fù)合材料筒段膠粘部位的無損檢測(cè)方面，具有顯著的優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。

1.3.2 工業(yè)CT(computerized tomography)法

工業(yè)CT法，也稱射線計(jì)算機(jī)斷層掃描法，也是通過X射線照相來判定損傷的一種方法。工業(yè)CT設(shè)備一般比較龐大，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱以及各粘接界面進(jìn)行檢測(cè)。美國率先將工業(yè)CT技術(shù)應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)[20]。我國也相繼研制了大中型發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)CT設(shè)備并形成相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[3,21]。在復(fù)合材料殼體檢測(cè)方面，工業(yè)CT主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等試驗(yàn)后殼體筒段、裙粘接部位以及接頭部位的結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)，如圖2所示為靜力試驗(yàn)后固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體裙部位破壞X射線影像。

圖2 固體發(fā)動(dòng)機(jī)裙部位破壞工業(yè)CT影像Fig.2 Industrial CT image of destroyed solid rocket moto skirt

1.3.3 激光全息成像檢測(cè)法

激光全息檢測(cè)法，是對(duì)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)施加力、熱或力-熱聯(lián)合載荷，根據(jù)缺陷與連續(xù)介質(zhì)對(duì)力或熱載荷的響應(yīng)敏感度不同來確定缺陷位置。該方法需首先確定缺陷位置。由于激光光源相干長度大，可檢測(cè)大尺寸的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)脫膠、復(fù)合材料層壓板分層、復(fù)合材料殼體中的裂紋和分層等缺陷的檢測(cè)[7]，也應(yīng)用于復(fù)合材料殼體在靜力試驗(yàn)過程中非接觸式應(yīng)變采集系統(tǒng)。

2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體健康監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估技術(shù)

前文介紹了固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體缺陷檢測(cè)方法，如X射線照相法作為目前發(fā)動(dòng)機(jī)殼體出廠時(shí)殼體缺陷和質(zhì)量優(yōu)劣的主要評(píng)判手段。待發(fā)動(dòng)機(jī)殼體交付，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)完畢后進(jìn)行CT技術(shù)、微波掃描后激光全息成像等方法檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘等缺陷。而導(dǎo)彈與其他(如風(fēng)力發(fā)電葉片、飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等)裝備的最大區(qū)別就是“長期貯存，少量測(cè)試，一次使用”。無損檢測(cè)手段只能提供復(fù)合材料殼體當(dāng)前自身狀態(tài)信息，難以反映復(fù)合材料力學(xué)性能衰減規(guī)律，無法實(shí)施在線、連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果可為發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)及使用壽命提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。鑒于上述原因，仍需結(jié)合其他檢測(cè)手段與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)服役期復(fù)合材料及固體發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入研究和探討。

2.1 數(shù)值評(píng)估方法

對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的無損檢測(cè)能夠獲取檢測(cè)時(shí)刻固體發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)，無法預(yù)知發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。趙汝巖等[22]建立基于證據(jù)推理(evidential reasoning,ER)算法的發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)計(jì)算模型，通過引入時(shí)間修正函數(shù)處理評(píng)估過程中的不確定性信息，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估。

該模型的具體方法步驟為，以發(fā)動(dòng)機(jī)脫粘、老化、裂紋等缺陷作為發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)指標(biāo)，對(duì)無損檢測(cè)獲得的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一量化，利用時(shí)間修正函數(shù)對(duì)歸一量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，確定三角模糊函數(shù)下的隸屬度，利用ER算法合成計(jì)算，確定等級(jí)分配信任度。通過上述過程可以求得下次無損檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)健康為“正常”狀態(tài)的概率和“注意”狀態(tài)的概率[22]。

2.2 植入式傳感器法

基于植入式傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及藥柱的損傷識(shí)別和定位，是物理檢測(cè)的一種重要方法。

2.2.1 植入式傳感器布置方法

傳感器的布置數(shù)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)殼體可靠性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量。海軍工程學(xué)院徐廷學(xué)等[23]利用ANSYS分析軟件分析殼體應(yīng)變和模態(tài)，獲取傳感器初始布點(diǎn)，再基于遺傳算法對(duì)傳感器布點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)其他比較熟悉的方法有，Udwadia基于Fisher信息陣，提出了一種適合線性和非線性系統(tǒng)的傳感器最優(yōu)布置的快速算法，討論了在已有傳感器系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)傳感器的最優(yōu)布置方法[24]；Guyan減縮法也是一種常用的測(cè)點(diǎn)選擇方法，它將包含有主次坐標(biāo)關(guān)系的約束方程代入系統(tǒng)的動(dòng)能或應(yīng)變能表達(dá)式，產(chǎn)生減縮的質(zhì)量或剛度矩陣，逐次迭代，把那些對(duì)模態(tài)反應(yīng)起主要作用的主坐標(biāo)保留下來作為測(cè)點(diǎn)的布置[25]。在設(shè)置傳感器過程中，通常這些方法相互配合，并考慮實(shí)際工藝特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)置。

2.2.2 傳感器檢測(cè)

由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體損傷導(dǎo)致1997年DELTA導(dǎo)彈升空后爆炸，促使美國空軍開展了固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。采用光纖傳感器、基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mecha-nical systems，MEMS)技術(shù)的無線多參數(shù)傳感器，集成了多通道微電子傳感器，可以測(cè)量溫度、過載、壓力、相對(duì)濕度等等環(huán)境參數(shù)，并集成了存儲(chǔ)、電源裝置，可以獲得固體發(fā)動(dòng)機(jī)的絕大多數(shù)的環(huán)境載荷信息，并在DELTA Ⅱ復(fù)合材料殼體上采用了基于光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。除應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)外，美國也研制了氧傳感器、氮氧化物(NOx)傳感系統(tǒng)等化學(xué)傳感器，豐富了發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)的多樣性。同時(shí)，美國探索了健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)智能化研究，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲得老化數(shù)據(jù)，提升固體發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整機(jī)應(yīng)用技術(shù)能力。航天科工集團(tuán)六院359廠提出一種智能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的制作方法，該方法是將光纖光柵傳感器在碳纖維纏繞過程中鋪放于殼體內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料殼體在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該成果能夠有助于發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料殼體中的早期缺陷，為發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和安全性提供有力保證，避免重大事故的發(fā)生[26]。光柵傳感器布放方式見圖3。

圖3 一種復(fù)合材料內(nèi)部光柵傳感器布放方式Fig.3 A layout method of grating sensor inside composite material

在其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)領(lǐng)域，如美國波音公司的777，787飛機(jī)、諾斯羅普(格魯曼(Northrop)公司的B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)、全球鷹無人機(jī)等項(xiàng)目已經(jīng)成功應(yīng)用了成熟的健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在飛機(jī)內(nèi)部埋入壓電傳感器及光纖應(yīng)變傳感器陣列監(jiān)測(cè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的損傷及應(yīng)變。在美國的聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)、歐洲聯(lián)合研制的“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)、A380飛機(jī)等項(xiàng)目研究中也得到了應(yīng)用，在提高產(chǎn)品安全性、降低成本和維護(hù)費(fèi)用方面的作用效果顯著。

植入式傳感器(如壓電材料、形狀記憶合金等)在監(jiān)測(cè)殼體狀態(tài)的同時(shí)改變了殼體結(jié)構(gòu)，增加成本和設(shè)計(jì)難度。碳纖維具有較好的導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)，其本身作為傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已取得成熟應(yīng)用[27]。武漢理工大學(xué)李卓球和朱四榮課題組對(duì)碳纖維智能束及其傳感機(jī)理開展了大量的研究[28]，實(shí)現(xiàn)了利用碳纖維智能束測(cè)試復(fù)合材料懸臂梁的模態(tài)、位移等數(shù)據(jù)，并且碳纖維智能束的電阻變化與結(jié)構(gòu)的應(yīng)變呈定性的關(guān)聯(lián)關(guān)系。碳纖維智能束應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體時(shí)，既可以發(fā)揮其力學(xué)性能，同時(shí)可以利用其力-電特性實(shí)現(xiàn)殼體自身狀態(tài)的感知功能。然而，目前鮮有碳纖維智能傳感器在復(fù)合材料殼體應(yīng)用的報(bào)道，這將是碳纖維復(fù)合材料殼體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2.3 貯存試驗(yàn)方法

碳纖維復(fù)合材料在長時(shí)間貯存或在高溫和高濕環(huán)境下貯存時(shí)，其力學(xué)性能會(huì)有不同程度的衰減[29]。目前，國內(nèi)外普遍采用加速老化試驗(yàn)的方法研究復(fù)合材料的貯存壽命[30]。阿斯派德導(dǎo)彈開展加速老化試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在71 ℃下貯存13周，經(jīng)過評(píng)定該條件下發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)相當(dāng)于在自然環(huán)境下貯存7-8年。俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局設(shè)置專業(yè)的自然環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，并對(duì)C-300防空導(dǎo)彈進(jìn)行環(huán)境老化試驗(yàn)。美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-R-23139B更是規(guī)定了固體發(fā)動(dòng)機(jī)在極限高、低溫下分別貯存的時(shí)間與壽命的等效關(guān)系。

通過無損檢測(cè)數(shù)據(jù)建立相同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)庫，再輔以少量地面點(diǎn)火抽檢試驗(yàn)，可以對(duì)復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體加速老化結(jié)果進(jìn)行修正，并對(duì)貯存狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命給出預(yù)測(cè)。

3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體健康監(jiān)/檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

因金屬材料固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體性能對(duì)環(huán)境及時(shí)間等因素敏感度低，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的健康監(jiān)/檢測(cè)，主要是對(duì)殼體中復(fù)合材料損傷信息的監(jiān)測(cè)、收集和處理，以此來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體的健康狀態(tài)，如圖4所示。復(fù)合材料殼體的健康監(jiān)/檢測(cè)系統(tǒng)主要包含以下3個(gè)方面。

圖4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Key technology of composite material structure health monitoring

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件性能是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料殼體健康監(jiān)/檢測(cè)的先決條件。目前的檢測(cè)方法，如工業(yè)CT設(shè)備通常以線掃描的方式檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體4個(gè)象限部位，難以實(shí)現(xiàn)殼體全域面檢測(cè)，非常容易導(dǎo)致缺陷及損傷的漏判。實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的小型化、智能化以及殼體等構(gòu)件面掃描，輔以掃描信息的數(shù)字化判定將大大提高殼體無損檢測(cè)效率，提升檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確度。

基于植入式傳感器的健康監(jiān)/檢測(cè)系統(tǒng)在殼體中的應(yīng)用，將顯著提升復(fù)合材料殼體及構(gòu)件健康態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)感知能力，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壽命，獲取力學(xué)性能衰減規(guī)律。與傳統(tǒng)金屬基、陶瓷基傳感器相比，基于智能纖維束的殼體健康檢測(cè)系統(tǒng)在復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、力學(xué)性能的匹配性具有先天優(yōu)勢(shì)，在克服目前的缺陷定位精度、缺陷定性判定等缺陷后將顯著提升復(fù)合材料殼體的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。

3.2 信號(hào)采集及處理技術(shù)

對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、識(shí)別和處理是健康監(jiān)/檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。采用高靈敏度、高分辨率的傳感器或探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，信號(hào)的采集應(yīng)考慮信號(hào)識(shí)別的局限性，如植入式傳感器隨發(fā)動(dòng)機(jī)受載荷歷程，自身材料及其與發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料界面存在老化問題，其檢測(cè)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映復(fù)合材料真實(shí)的力學(xué)性能衰減過程。傳感器布放時(shí)需結(jié)合殼體受力特征進(jìn)行合理布放，對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在信號(hào)采集和處理時(shí)需要考慮信號(hào)補(bǔ)償以提升信號(hào)的分辨率，降低信號(hào)噪聲。

結(jié)構(gòu)的損傷定義需要復(fù)雜的技術(shù)支撐，特別是多重?fù)p傷的辨識(shí)率直接決定了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的辨識(shí)準(zhǔn)確度。將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行高度關(guān)聯(lián)，方能實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷模式的精確識(shí)別，以及對(duì)損傷的精確定位和定量評(píng)價(jià)[3]。

3.3 數(shù)據(jù)庫及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

復(fù)合材料的老化是一個(gè)損傷累積的過程，在日常的檢測(cè)以及維護(hù)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析是考驗(yàn)工程師的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。借助大容量存儲(chǔ)區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分類整理，利用計(jì)算機(jī)結(jié)合算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其殼體經(jīng)歷的載荷以及可能的損傷模式進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)，如根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)直徑、碳纖維復(fù)合材料受力狀態(tài)、環(huán)境載荷等大數(shù)據(jù)信息建立損傷模型，分析預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷模式及位置，并在隨后的發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)、維護(hù)過程中重點(diǎn)關(guān)注和檢測(cè)。

4 結(jié)束語

無損檢測(cè)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體健康監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估的重要基礎(chǔ)。目前固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體出廠評(píng)定的無損檢測(cè)技術(shù)仍以X射線照相法和工業(yè)CT法為主。隨著時(shí)間的推移，傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法仍將占主導(dǎo)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步無損檢測(cè)精度和分辨率將會(huì)大幅度提升，無損檢測(cè)設(shè)備的小型化、數(shù)字化、自動(dòng)化水平會(huì)有顯著的提升。

不改變復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)的碳纖維智能傳感器將是殼體結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的研究方向。且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)殼體損傷的定位、損傷模式判定、損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

基于無損檢測(cè)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，輔以數(shù)據(jù)庫和高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，必能實(shí)現(xiàn)殼體以及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的智能評(píng)估和精確預(yù)測(cè)。