天地往返運輸系統(tǒng)可重復使用貯箱健康監(jiān)測技術

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了我國運載火箭更新?lián)Q代的序幕[1]。為了大幅度降低發(fā)射成本，研制可重復使用運載器得到各國的高度重視。天地往返運輸系統(tǒng)中貯箱的核心問題是其可重復使用性，貯箱的可重復使用性關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、高強、可靠性高的可重復使用貯箱成為制約天地往返系統(tǒng)設計的關鍵因素之一。實現(xiàn)可重復使用貯箱高強度和高可靠性，有兩種技術手段：(1)提供足夠的堅固性、損傷容限及結構完整性，以避免其破壞。同時由于避免了貯箱預期使用壽命內的破壞，所以也就沒有必要進行附加的安全檢查；(2)選擇應用適當?shù)慕】当O(jiān)測與診斷系統(tǒng)來監(jiān)測在飛行過程中缺陷與損傷的發(fā)生。從另一個角度而言，貯箱重復使用性必須通過提高結構耐久性來獲得，而耐久性提高必須基于對貯箱結構的健康狀況有足夠的認識，因此需要采用先進傳感器技術和無損檢測評價來確認貯箱結構/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)測策略兩者缺一不可。

本文針對天地往返運輸系統(tǒng)可重復使用貯箱在飛行過程中的溫度分布、應力分布、損傷演化及外部撞擊等，論述了可重復使用貯箱失效模式與健康監(jiān)測策略，并討論了集成化健康監(jiān)測和診斷技術及其相應系統(tǒng)，實現(xiàn)貯箱的狀態(tài)監(jiān)測、損傷監(jiān)測和外部撞擊監(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構健康監(jiān)測系統(tǒng)研制提供技術積累。

1 可重復使用貯箱失效模式分析與健康監(jiān)測策略

可重復使用貯箱健康監(jiān)測與診斷系統(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致的結構缺陷和損傷，然后采取有針對性的健康監(jiān)測策略和技術，最后通過系統(tǒng)集成技術實現(xiàn)金屬低溫貯箱集成化健康管理。

1.1 可重復使用貯箱結構損傷與失效模式

建立有效可行的可重復使用貯箱健康監(jiān)測系統(tǒng)需要通過以下的步驟來完成：(1)確定需要監(jiān)測的關鍵部位以及其載荷環(huán)境、失效模式；(2)選擇合適的待測量；(3)針對應用成熟的傳感器進行分析權衡，選擇合適的傳感器；(4)確定傳感信號的傳輸方案、控制方法、識別途徑；(5)研究失效模式的診斷方法，開發(fā)出合理的失效模式識別系統(tǒng)。建立可重復使用金屬貯箱健康監(jiān)測的邏輯流程圖，如圖1所示。

首先要在貯箱設計規(guī)范的基礎上，確定出貯箱的關鍵部件、載荷環(huán)境條件以及可能出現(xiàn)的缺陷。例如歐空局針對未來歐洲空間運輸系統(tǒng)項目，提出了基于金屬和復合材料的低溫貯箱設計方案[2]。對于貯箱壁-絕熱-防熱結構一體化設計的貯箱，關鍵部件有貯箱壁、絕熱防熱系統(tǒng)；環(huán)境條件包括溫度和載荷，它們會造成金屬低溫貯箱的貯箱壁/低溫隔熱層/熱防護性能的退化。

可重復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、腐蝕和應力腐蝕裂紋(對于金屬貯箱)；(3)分層、孔隙和雜質(對于復合材料貯箱)；(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)定義和確定潛在結構缺陷和失效模式，進而檢查所有可能的失效及其對貯箱結構的影響[4-5]。

其次，在仔細權衡候選傳感器的靈敏度和應用范圍的基礎上，選擇檢測參數(shù)。分布式傳感器網絡只有在其檢測范圍內才能夠傳遞正確的信號、監(jiān)測貯箱狀態(tài)和載荷環(huán)境參數(shù)。針對某種失效模式，在一定的檢測范圍內，可供選擇的監(jiān)測參數(shù)很多，選擇測量參數(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)變化之間有定量關系； (2)所選的參數(shù)應易于被測量，且在貯箱的整個壽命周期中，參數(shù)的變化在所選擇的傳感器測量范圍以內；(3)參數(shù)的測量抗干擾能力強。研究傳感器的特性是研制健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要方面，如評價傳感器的性能、測量范圍；確定傳感器在貯箱中的最佳位置，傳感器的集成適應性和界面特性等。

圖1 可重復使用貯箱健康監(jiān)測的邏輯流程圖

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、結構損傷信號特征提取和失效模式識別，健康狀態(tài)評價方案、主控制系統(tǒng)、信號傳輸存儲等關鍵子系統(tǒng)。這些邏輯系統(tǒng)通過獲得并分析傳感數(shù)據(jù)、控制光路的選擇以及光信號參數(shù)的變化，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)分析貯箱的缺陷、損傷程度等完成對貯箱的健康監(jiān)測、壽命預測與維修建議。

1.2 重復使用貯箱結構健康監(jiān)測策略

根據(jù)可重復使用貯箱結構損傷和失效模式分析可知，貯箱結構的不同關鍵部件具有不同的損傷形式和失效模式。因此，有必要針對貯箱在不同階段采取不同健康監(jiān)測策略，實現(xiàn)貯箱關鍵區(qū)域對不同物理參數(shù)目標的綜合健康監(jiān)測，主要包括三部分：(1)在地面實驗驗證與維修階段，能檢測出貯箱結構損傷(裂紋和焊縫缺陷)；(2)在飛行階段能實時地監(jiān)測貯箱結構關鍵部位的狀態(tài)(如溫度、應變/應力變化)和外部撞擊；(3)根據(jù)損傷檢測結果和狀態(tài)變化能評價結構安全狀態(tài)，并預測貯箱結構的剩余壽命。

針對貯箱結構健康監(jiān)測策略，可以在貯箱結構上安裝應變、溫度、超聲波等傳感器以獲得貯箱結構在環(huán)境、工作條件改變下的參數(shù)變化，采用主動或被動方式檢測和發(fā)現(xiàn)結構存在的危險(應力集中、疲勞、緊固件松動、裂紋擴展、燃料泄漏等)，基于對結構的分析，確定監(jiān)測策略，選取合適的先進傳感器進行優(yōu)化布置，使用數(shù)據(jù)融合和人工智能等先進的數(shù)據(jù)分析方法從大量的傳感器數(shù)據(jù)中提取有關結構健康狀態(tài)的信息，采用基于物理/數(shù)據(jù)和基于經驗的診斷分析方法評價當前損傷并預測將來結構健康狀況變化趨勢，進而采取合適措施緩解結構的損傷或對結構缺陷進行修補，從而滿足金屬低溫貯箱可重復使用要求。

2 可重復使用貯箱結構健康監(jiān)測技術方案

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

2.1 基于超聲導波相控陣的貯箱結構缺陷與損傷檢測

重復使用貯箱實際使用壽命必須滿足1 000次左右的反復加壓和50次的軸、彎、剪、內、沖擊等聯(lián)合載荷的循環(huán)。這種復雜工作環(huán)境和載荷，對貯箱結構質量具有重要的影響。同時對貯箱材料在疲勞載荷下的損傷容限問題必須進行測試和評價(如無損檢測技術和結構健康監(jiān)測技術)，為下一步工程應用打下理論研究基礎。

無損檢測技術一般包括超聲、X 射線、電渦流射線及電位測量等，但這些檢測方法所需設備復雜，而且需要對損傷的位置有初步的了解，如外部腐蝕、內部腐蝕或沖蝕、環(huán)向裂紋、焊縫錯邊、焊接缺陷、疲勞裂紋等情況。基于壓電傳感器和主動Lamb波的結構健康監(jiān)測方法對結構中的裂紋、脫層等小損傷敏感，是目前被認為比較有效的結構損傷監(jiān)測方法，已成為目前國際研究的熱點[6]。其基本原理是利用附著在結構上的驅動器發(fā)生超聲波信號，由其相鄰傳感器接收信號。傳感器接收到的信號包含了結構上從驅動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)生前后傳感器信號的變化，通過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

可重復使用貯箱狀態(tài)監(jiān)測一般包括載荷監(jiān)測和溫度監(jiān)測兩個部分。載荷監(jiān)測一般無法直接進行，而是通過對結構產生的應變進行監(jiān)測的方法來實現(xiàn)，光纖光柵傳感器已經被證明是一種良好的應變監(jiān)測技術，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。首先，由于高反射率光纖光柵的制備過程需要先將光纖光柵的涂覆層剝除，然后進行刻柵。這一過程不可避免地會弱化光纖光柵的強度，使其在操作與安裝過程中極易發(fā)生破壞，降低了其可用性。其次由于光源帶寬的原因，一個通道內無法集成大量的測量點，而使用更多的傳感器通道則由于重量與成本等因素無法實現(xiàn)。因此，本文提出采用弱反射率光纖光柵進行大面積、高密度、準分布式的結構應變監(jiān)測技術。在美國航空航天局(NASA)的多次往返航天飛機項目中，這種光纖傳感器被認為是進行集成化健康監(jiān)測的最佳選擇[9]。在美國的F-18戰(zhàn)機上，也采用了這一技術進行應變監(jiān)測。利用這一技術，可以實現(xiàn)最多高達1 200個測點/通道，測點間距為5毫米。美國的可重復使用驗證機X-33中低溫貯箱的健康監(jiān)測系統(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，采用了準分布式傳感系統(tǒng)對貯箱壁應變狀態(tài)進行監(jiān)測。針對可重復使用貯箱健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以采取分布式Bragg光纖光柵傳感器監(jiān)測貯箱壁應力/應變和溫度狀態(tài)[10]。

2.3 基于壓電傳感器和系統(tǒng)辨識的貯箱撞擊監(jiān)視

天地往返運輸系統(tǒng)在服役和維修維護過程中不可避免地會受到一些意外的撞擊，如飛鳥以及維修維護過程中不小心落下的工具等，極易造成損傷，因而對飛行器貯箱結構所遭受的撞擊進行監(jiān)測，進而評估其對結構的損傷程度就顯得極為重要。撞擊的監(jiān)測也可以采用應力波方法進行監(jiān)測。在結構遭受撞擊后，會在結構內產生應力波，通過在結構易遭受撞擊部位布設傳感器網絡，監(jiān)測由撞擊產生的應力波，就可以通過問題的求解獲得結構所遭受撞擊的位置與撞擊能量的大小。在地面階段進行貯箱結構缺陷與損傷檢測方法使用不方便，局限性大，不易做到服役環(huán)境下的實時在線監(jiān)測，不適合未來大型航空、航天飛行器結構的健康監(jiān)測與診斷。一種可行的方法是及時識別飛行器等結構表面受到的撞擊荷載的位置和大小，并根據(jù)荷載大小采用經驗的方法或按設計規(guī)范來預估損傷的程度，其關鍵技術是對復雜瞬態(tài)撞擊信號的處理。因此，可以采用基于系統(tǒng)辨識的撞擊監(jiān)視與識別技術，即采用基于系統(tǒng)辨識技術的求逆方法進行復雜結構的撞擊識別(撞擊定位和撞擊載荷重構)，無需構造結構的全尺度模型或獲取結構的訓練數(shù)據(jù)[11]。訓練數(shù)據(jù)包括：(1)具體撞擊事件的檢測；(2)撞擊位置的確定；(3)撞擊載荷時間歷程的重構；(4)撞擊損傷的評估。在線自動監(jiān)測與獲取結構的狀態(tài)信息，及時準確識別出作用其上的撞擊載荷。

3 可重復使用貯箱健康監(jiān)測與診斷關鍵技術

從健康監(jiān)測和管理系統(tǒng)的設計需求角度而言，可重復使用貯箱健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)開發(fā)過程基本元素包括：傳感器選擇、數(shù)據(jù)驗證、故障檢測、故障分離、信息融合、系統(tǒng)性能和壽命預測。從技術角度而言，健康管理為一系列活動的有機構成，其技術包括傳感器和數(shù)據(jù)檢測技術，數(shù)據(jù)傳輸與接口技術，數(shù)據(jù)預處理與分析技術，健康評估和故障預測技術，信息融合技術和決策支持技術。其中，傳感器是實現(xiàn)各項功能的基礎。綜上可知，構建高效的金屬低溫貯箱健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的關鍵技術包括：(1)關鍵組件、條件和失效模式的確定；(2)運行參數(shù)的選擇；(3)傳感器選擇與權衡；(4)診斷測量與傳感數(shù)據(jù)分析；(5)系統(tǒng)診斷與失效模式識別；(6)數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系架構等。本文重點介紹傳感器選擇與權衡，系統(tǒng)體系架構設計兩個方面。

3.1 傳感器選擇與權衡

傳感器選擇是結構健康監(jiān)測的關鍵問題之一。選擇準則包括可檢測性、傳感能力、自動化、遠程傳感、極端環(huán)境(溫度和載荷)下的存活性、健壯性和技術成熟度。綜合現(xiàn)有國外關于貯箱結構健康監(jiān)測研究成果，目前使用的傳感器如圖2所示。其中最重要的設計需求是提高機載傳感器(包括傳感設備、測試設備、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構中，包括熱電偶、應變片、加速度計用于測量溫度、應變、速度和加速度、濕度、液氫流量和電磁信號等。目前已經研發(fā)出新型傳感器以更加準確地識別失效模式和全面地分析系統(tǒng)和響應。發(fā)展趨勢是開發(fā)出非接觸、非嵌入的便于實施的傳感器，使其體積小、質量輕，用于飛行中的低溫貯箱結構健康監(jiān)測傳感器是聲發(fā)射傳感器和光纖光柵傳感器。

3.2 可重復使用貯箱健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)體系架構

飛行器結構健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)是為決策者提供數(shù)據(jù)、信息和知識以便對結構健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行控制和操作。貯箱結構健康監(jiān)測系統(tǒng)架構要具有良好的可擴展性和移植性，能較好地與可重復使用飛行器健康管理系統(tǒng)相集成。飛行器結構健康管理系統(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定結構安全臨界閾值以及健康狀況報警系統(tǒng)等一系列的功能[12-14]。從數(shù)據(jù)管理角度看，飛行器結構健康管理數(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，飛行器結構健康管理數(shù)據(jù)需要完成航行工作狀態(tài)記錄與識別，結構服役歷史信息貯存，載荷水平辨識認證，維修維護記錄，同時還包括能夠實現(xiàn)結構損傷/性能退化的診斷與預后診斷模塊。從可維護性角度看，飛行器結構健康管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要能夠支持飛行器結構健康管理系統(tǒng)在安全與經濟的前提下，實現(xiàn)輔助甚至取代特定的維修維護流程。

圖2 結構健康監(jiān)測常用傳感器

研究分析數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)體系結構，在智能子系統(tǒng)、智能處理過程和智能傳感器3個層次上采用智能集成方法構建層次化分布式網絡。采用多Agent建模方法和技術，開發(fā)快速可視化工具，管理監(jiān)測節(jié)點分配、各子系統(tǒng)工作狀態(tài)實時顯示、傳感器網絡拓撲實時顯示、傳感數(shù)據(jù)信息流動態(tài)顯示、破壞位置和強度的實時顯示。采用傳感數(shù)據(jù)融合和智能推理方法實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的自動分析、破壞檢測、原因診斷、趨勢預測。在上述研究基礎上，建立一個飛行器綜合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)系統(tǒng)集成的標準，包括對系統(tǒng)各部分功能的完整定義，新型高效的協(xié)作機制，高效的任務調度機制，高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通訊標準，功能強大、安全可靠的數(shù)據(jù)庫等。圖3為貯箱結構健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設計與開發(fā)流程圖。

圖3 貯箱結構健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設計與開發(fā)流程圖

研究分析數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)體系結構，在智能系統(tǒng)、智能處理過程和智能傳感器3個層次上采用智能集成方法構建層次化分布式網絡系統(tǒng)。采用多Agent建模方法和技術，開發(fā)快速可視化工具，管理監(jiān)測節(jié)點分配、各子系統(tǒng)工作狀態(tài)實時顯示、傳感器網絡拓撲實時顯示、傳感數(shù)據(jù)信息流動態(tài)顯示、破壞位置和強度的實時顯示；采用傳感數(shù)據(jù)融合和智能推理方法實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的自動分析、破壞檢測、原因診斷、趨勢預測；采用面向對象建模方法構建結構健康管理系統(tǒng)的體系結構，對系統(tǒng)元素及其相關的知識庫、通用方法和過程、通信進行封裝。系統(tǒng)體系結構描述數(shù)據(jù)、信息和知識的3個模型和流動，整個系統(tǒng)體系結構如圖4所示。

圖4 基于G2平臺的結構健康管理系統(tǒng)架構流程圖

結構健康管理系統(tǒng)由知識庫、推理機、人機界面、外部接口等部分組成[15]。知識庫中知識的數(shù)量和質量是影響健康診斷的關鍵因素；推理機的性能決定了系統(tǒng)的實時性和健康性；外部接口使健康管理系統(tǒng)與其它系統(tǒng)能集成一體。要構建這樣的智能診斷系統(tǒng)，傳統(tǒng)的編程語言和開發(fā)手段是難以勝任的。G2是美國Gensym公司開發(fā)的經20多年改進和推廣的實時專家系統(tǒng)開發(fā)平臺，已經成為各類任務關鍵(Mission-Critical)領域首選的智能集成系統(tǒng)的開發(fā)和運行平臺[16]。NASA、美國空軍等都采用G2建立了大型復雜系統(tǒng)的智能故障診斷系統(tǒng)。因此，采用G2作為平臺二次開發(fā)天地往返運輸貯箱結構健康管理系統(tǒng)，以提高開發(fā)效率，提高系統(tǒng)可用性、一致性以及響應能力。充分利用G2自身提供的包括面向對象設計、結構化自然語言編程、交互式圖形技術、動態(tài)模擬和仿真等開發(fā)手段，快速建立和維護知識庫。例如使用面向對象設計和交互式圖形技術建立系統(tǒng)軟件模型，結構化自然語言和知識描述、技術描述各種標準故障模式(故障知識)，專家經驗(啟發(fā)性知識)，信號處理算法(過程性知識)等；利用動態(tài)模擬和仿真技術驗證和修改增量開發(fā)過程中的各種知識；利用G2內建知識庫的一致性和安全性機制管理對象、規(guī)則、過程、模型和其它類型知識體，使其相互正確關聯(lián)，避免沖突。G2的實時推理引擎是智能故障診斷系統(tǒng)運行時的核心，推理引擎在毫秒級實時地響應大量的外部數(shù)據(jù)和事件，運用知識庫中相關知識進行推理分析。

4 結論

根據(jù)以上論述，得到以下幾點結論：

(1)在可重復使用貯箱中引入以先進光纖傳感器、壓電傳感器網絡、智能邏輯判斷系統(tǒng)為基礎的健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對貯箱從生產、制造、安裝、調試、存儲、發(fā)射、飛行以及返航等全壽命周期的狀態(tài)進行監(jiān)測。

(2)貯箱需要進行監(jiān)測的關鍵部件包括貯箱壁、熱保護系統(tǒng)等；需要監(jiān)測的物理量包括應變和溫度；對于復合材料液氫貯箱，由于液氫滲漏問題，應對貯箱外壁的氫濃度進行監(jiān)測。在貯箱中引入健康監(jiān)測系統(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程中的載荷數(shù)據(jù)，為改進設計提供有效的數(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，而且具備波長絕對編碼，易于復用和網絡化，不受光源波動和光纖損耗的影響等優(yōu)點，應作為重點的光纖傳感器研究。

(4)可重復使用貯箱健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)體系架構的建立可充分借鑒國外成熟的平臺體系，以此作為平臺二次開發(fā)天地往返運輸貯箱結構健康管理系統(tǒng)，以提高開發(fā)效率，提高系統(tǒng)可用性、一致性、響應能力。