結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

王國(guó)珍 黃克瑤 朱妍燾

摘要：當(dāng)今時(shí)代，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)重點(diǎn)研究的內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中，航空航天中的飛行器結(jié)構(gòu)是其中非常重要的應(yīng)用對(duì)象。但在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究，走向?qū)嶋H工程方面的應(yīng)用，仍然需要非常大量的試驗(yàn)驗(yàn)證研究性工作。該文結(jié)合筆者自身相關(guān)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，就結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)?航空航天?飛行器?科學(xué)技術(shù)

中圖分類號(hào)：V467???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確指出，在我國(guó)航空科技領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，將積極并重點(diǎn)實(shí)施大型飛機(jī)工程，此項(xiàng)戰(zhàn)略目標(biāo)的發(fā)展對(duì)保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及我國(guó)國(guó)防安全都有著重要的戰(zhàn)略層次意義[1]。在大型飛機(jī)發(fā)展的過(guò)程中，必然需要集體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，要保證飛行器具備良好的結(jié)構(gòu)先進(jìn)性、機(jī)構(gòu)新穎性、安全性，同時(shí)還需要滿足容易維護(hù)、高性能飛行等指標(biāo)，必然需要飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)[2]。

C-掃描、紅外熱像等一些傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)雖然在進(jìn)行飛行器結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)工作中可以起到一定的作用，但做不到對(duì)整體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的損傷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)效果，同時(shí)也具有較為明顯的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)局限性，對(duì)于一些隱藏部位的損傷則無(wú)法檢測(cè)，同時(shí)需要較多的人工干預(yù)，從而產(chǎn)生較大的人為因素影響，也會(huì)耗費(fèi)較多的時(shí)間。除此之外，在當(dāng)今時(shí)代的飛行器之中，越來(lái)越多的復(fù)合材料應(yīng)用其中，對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求，尤其是面對(duì)越來(lái)越大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)需要較高的監(jiān)測(cè)成本，在速度、效率等方面，都很難滿足客戶、維護(hù)部門等多方面的要求。

1大型飛機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求分析

第一，在民機(jī)方面，其結(jié)構(gòu)大量采用先進(jìn)的復(fù)合型材料，從而實(shí)現(xiàn)了有效的機(jī)體減重，較為明顯地降低了運(yùn)營(yíng)的成本，但同時(shí)也為保證飛機(jī)的安全性提出了較高的要求。

第二，在集體結(jié)構(gòu)的外形、結(jié)構(gòu)形式方面，也呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的趨勢(shì)，不斷增加的幾何尺寸也非常明顯，針對(duì)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大結(jié)構(gòu)尺寸的集體結(jié)構(gòu)，對(duì)于其可靠性、維護(hù)性方面也都有了更高的要求。

第三，在民用飛機(jī)方面的燃油費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等方面，其經(jīng)濟(jì)性也是重要的考慮因素。

第四，我國(guó)軍用運(yùn)輸機(jī)當(dāng)前已經(jīng)可以達(dá)到800～900?km/h的速度，這是陸路運(yùn)輸速度的15倍之多，是海陸運(yùn)輸?shù)?5倍，總體航程也超過(guò)了5?000?km，可以有效覆蓋非常廣闊的疆土，并且如果應(yīng)用空中加油，還可以在全球范圍內(nèi)完成運(yùn)輸。我國(guó)也在積極開展大型運(yùn)輸機(jī)的研制工作，但仍面臨諸多問(wèn)題有待解決。

首先，當(dāng)前現(xiàn)代軍機(jī)制造過(guò)程中應(yīng)用了鈦合金、復(fù)合材料等多種新型的材料和工藝，整體化構(gòu)件制造、超塑成形等高新技術(shù)也被應(yīng)用其中。通過(guò)這些材料、工藝的應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)理論方面，提出了更高要求和標(biāo)準(zhǔn)。

其次，無(wú)論是戰(zhàn)略轟炸機(jī)還是大型運(yùn)輸機(jī)，兩者都具有寬大的機(jī)身結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有超大尺寸的壁板、大開口等結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)這些集體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到60?000?h以上的使用壽命，壽命也超過(guò)40年之久，這是我國(guó)在飛行器研制工作中必須要面臨的新問(wèn)題，這也對(duì)整體飛行結(jié)構(gòu)在可維護(hù)性、可靠性方面提出了較高的要求。

以上問(wèn)題都可以通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)予以解決，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作，從而提升飛行器的可靠性、安全性，在延長(zhǎng)壽命的同時(shí)，減少維護(hù)所花費(fèi)的費(fèi)用。此項(xiàng)技術(shù)的研究對(duì)于我國(guó)航空飛行器的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展，也具有歷史性的重要意義。

2在飛行器結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，可以分為離線和在線兩種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。其中離線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)性的監(jiān)測(cè)，一般來(lái)說(shuō)，只有在被監(jiān)測(cè)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)上永久性地安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)，飛行器在離開地面的時(shí)候，通過(guò)位于地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從該傳感器獲取所需的數(shù)據(jù)，以此來(lái)判定飛行器結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)的健康狀態(tài)，在主動(dòng)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，獲得飛行器結(jié)構(gòu)內(nèi)部所產(chǎn)生的有關(guān)損壞、損傷的相關(guān)信息。而針對(duì)在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，整體系統(tǒng)的所有組成部分都是安裝在飛行器上，可以同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷、撞擊等進(jìn)行實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)。雖然在飛行器結(jié)構(gòu)上，在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)屬于主要的應(yīng)用目標(biāo)，但該技術(shù)成熟度方面會(huì)有一定的限制，在當(dāng)前飛行器結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，還是以離線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主要方向。

2.1飛行器結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中損傷的健康監(jiān)測(cè)

在當(dāng)今世界航天航空發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)越來(lái)越多地使用復(fù)合材料，究其原因，主要是因?yàn)閺?fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和剛度，在新一代的飛行器當(dāng)中，先進(jìn)的復(fù)合材料已經(jīng)成為主要的結(jié)構(gòu)材料。各向異性的復(fù)合材料具有多樣性的結(jié)構(gòu)形式，而在微觀構(gòu)造方面，則具有明顯的不均勻性，而在宏觀構(gòu)造方面來(lái)說(shuō)，具有明顯的呈層性，同時(shí)因?yàn)槭褂脳l件的復(fù)雜、所受載荷的多樣性，從而促使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，針對(duì)耐久性、完整性的分析具有較高的難度。因此，現(xiàn)有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，許用值多建立在較大隱藏?fù)p傷存在于復(fù)合材料的假設(shè)上，這種方法可以充分發(fā)揮出復(fù)合材料的優(yōu)越性。因此，必須要充分發(fā)展更為先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以全面化監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，同時(shí)全面監(jiān)測(cè)器損傷，從而可以全面、準(zhǔn)確、快速地對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境中的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)、確定，為相關(guān)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高效設(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)支持。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，主要是以內(nèi)置傳感器網(wǎng)絡(luò)智能層為基礎(chǔ)[4]，繼而才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器空間飛行器貯箱的完整性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。美國(guó)航空航天局成功在馬歇爾航天飛行中心研制出含有嵌入式智能層的纖維纏繞復(fù)合材料貯箱樣品。在其中，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有驅(qū)動(dòng)器——傳感器路徑中，對(duì)所產(chǎn)生的基線數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在復(fù)合材料貯箱中引入沖擊損傷，在此之后針對(duì)由于損傷而導(dǎo)致的傳感器信號(hào)的變化，進(jìn)行仔細(xì)的觀察。再將驅(qū)動(dòng)器——傳感器路徑信號(hào)的改變進(jìn)行記錄，最終獲得損傷未知和損傷的大小所對(duì)應(yīng)的圖像。

在以上所述內(nèi)容中，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被應(yīng)用于纖維纏繞復(fù)合材料貯箱之中，但除此之外，還可以在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的飛機(jī)機(jī)身上，完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)工作。在2001年，波音公司曾經(jīng)就制造出大型的復(fù)合材料機(jī)身樣品，從而也在當(dāng)時(shí)的年代展現(xiàn)出新型飛機(jī)研發(fā)的主要概念，同時(shí)，這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的誕生，為在全尺寸飛行器結(jié)構(gòu)部件級(jí)上應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面提供了良好的平臺(tái)。在其中共有72個(gè)壓電傳感器的三塊智能層，以此為基礎(chǔ)，將其成功地安裝在復(fù)合材料機(jī)身的內(nèi)表面之中，以內(nèi)置傳感器網(wǎng)絡(luò)智能層為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，將其損傷監(jiān)測(cè)功能良好地展現(xiàn)出來(lái)。

2.2飛行器結(jié)構(gòu)上的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)分析

在美國(guó)空間針對(duì)復(fù)合材料粘接修復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)評(píng)估項(xiàng)目中，曾經(jīng)就使用以智能層的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，主要是針對(duì)復(fù)合材料粘貼補(bǔ)片下，疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方面的試驗(yàn)，該項(xiàng)試驗(yàn)主要是在賴特帕特森空軍基地完成。這項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目中，應(yīng)用的是主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以智能層為基礎(chǔ)完成裂紋在疲勞載荷下擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)活動(dòng)，這種方法在應(yīng)用中，主要是通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)化的方法，完成測(cè)量損傷大小的目的，同時(shí)還可以定時(shí)、定量監(jiān)測(cè)損傷的擴(kuò)展情況。在這種方法中通過(guò)給出損傷指數(shù)曲線的幾個(gè)初始數(shù)據(jù)點(diǎn)，也就是說(shuō)裂紋的長(zhǎng)度，從而確定裂紋的實(shí)際長(zhǎng)度、損傷指數(shù)兩者之間的關(guān)系。

2.3飛行器結(jié)構(gòu)中的沖擊監(jiān)測(cè)分析

在發(fā)生在飛行器結(jié)構(gòu)的外部沖擊中，主要是應(yīng)用以傳感器網(wǎng)絡(luò)智能層的被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括位置、實(shí)踐、沖能大小等方面。應(yīng)用ATK全尺寸的GEM60復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，針對(duì)被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能完成了較為完整的驗(yàn)證。

基于以上分析可以得出，在航空航天領(lǐng)域中，如若可以良好地應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則需要滿足三方面的條件：首先，要保證便于使用，其中包括自動(dòng)數(shù)據(jù)分析、安裝、標(biāo)準(zhǔn)輸出等多方面的使用;其次，必須要將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行明確的定義，其中包括損傷的位置、損傷的尺寸、檢測(cè)的概率等多種可以量化的內(nèi)容;最后，需要保證具有較高的可靠性，其中主要包括如自我診斷、較好的可維護(hù)性、環(huán)境補(bǔ)償方面等。

3以多主體協(xié)作的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的管理方法

近些年來(lái)，在實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的過(guò)程中，智能協(xié)作技術(shù)被認(rèn)為是其中非常關(guān)鍵性的技術(shù)之一，具有非常重要的作用和意義。究其原因，不僅因?yàn)橹悄軈f(xié)作技術(shù)可以促使分布式系統(tǒng)的所有資源，可以提升應(yīng)用的充分性、高效性，而且因?yàn)橥ㄟ^(guò)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，還可以提供一個(gè)良好的管理和組織平臺(tái)，繼而才可以構(gòu)建出具有復(fù)雜性、大型的分布式信息處理系統(tǒng)[5]。除此之外，在整體智能協(xié)作系統(tǒng)之中，其中包括杜仲不同的信息子系統(tǒng)，或者是信息源，將其轉(zhuǎn)變成為不同的智能主體，雖然每個(gè)不同的智能主體可以獲得相應(yīng)的信息，但這些信息具有不完整性和不精確性，并且其只有有限的信息處理能力，但是基于不同的主體具有關(guān)于系統(tǒng)整體組織結(jié)構(gòu)的只是，或者是關(guān)于其他主體的技能、資源、目標(biāo)等多方面的只是，基于此，就可以形成具有自主性、社會(huì)性的智能主體，在不同的主體之間形成相互的作用，從而在使用系統(tǒng)的所有資源的過(guò)程中，更為高效且更為透明，通過(guò)相互的協(xié)同、互相作用，最終將單一主體無(wú)法解決的困難和問(wèn)題解決掉。

在美國(guó)航空航天局方面的科技信息計(jì)劃匯總，曾經(jīng)就提出應(yīng)用主體理論，可以將航空航天飛行器的概念進(jìn)行無(wú)年限的使用，在此項(xiàng)研究中，作為飛行器綜合狀態(tài)管理系統(tǒng)的一部分，究其主要目標(biāo)在于促使飛行器可以進(jìn)行自修復(fù)、自診斷，并且在美國(guó)的這個(gè)研究之中，提出將航空航天飛行旗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成由單元tiles組成的多單元結(jié)構(gòu)。其中不僅具有原有的承載、保護(hù)等功能，同時(shí)還具備了邏輯處理單元、通信等方面的能力，并同時(shí)成為一個(gè)主體單元。美國(guó)航空航天局系統(tǒng)通過(guò)多主體之間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)整體飛行器的自診斷、自修復(fù)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

我國(guó)的南京航空航天大學(xué)曾經(jīng)就提出在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理中，將智能協(xié)作技術(shù)應(yīng)用其中，其主要是以多主體協(xié)作管理為基礎(chǔ)，構(gòu)建的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)，主要應(yīng)用于解決大型鋁板結(jié)構(gòu)上三種典型對(duì)象的監(jiān)測(cè)方面的問(wèn)題，分別為沖擊載荷定位監(jiān)測(cè)、靜態(tài)載荷位置的監(jiān)測(cè)以及螺釘松動(dòng)方面的監(jiān)測(cè)。在整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，還集合了三種常見的傳感器，分別為段子應(yīng)變片、光纖Bragg光柵以及壓電傳感器，同時(shí)在其中還集合了聲發(fā)射系統(tǒng)、光纖光柵解調(diào)儀和電子應(yīng)變儀，同時(shí)集合了南京航空航天大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的多通道壓電掃查系統(tǒng)等多種測(cè)試方面的設(shè)備。通過(guò)不同主體、子系統(tǒng)之間形成的有效協(xié)作，可以將以上不同的傳感器信息融合到系統(tǒng)之中，并可以根據(jù)需要，自主性選擇所需的傳感隊(duì)形，丟棄無(wú)用的數(shù)據(jù)，對(duì)上述較為明顯且典型的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)在靜態(tài)載荷監(jiān)測(cè)之中，通過(guò)重組傳感網(wǎng)絡(luò)，解決相鄰兩個(gè)區(qū)域的交界位置監(jiān)測(cè)方面的問(wèn)題[6]。

4結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今全球范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)都是非常重要的研究對(duì)象，而飛行器結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的主要應(yīng)用對(duì)象。通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的有效應(yīng)用，在我國(guó)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)等多方面，都有著非常重要的促進(jìn)和支撐作用。在整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究中，會(huì)涉及到如材料、力學(xué)、信號(hào)處理、傳感器、信號(hào)等多方面的學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，因此，要想實(shí)現(xiàn)在飛行器上成功應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，就要解決上述多方面的問(wèn)題。

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