面向航天回收裝備的大變形柔性傳感器研究與應(yīng)用（一）——曲率傳感器

劉浩 劉國棟,2 李爽,2 賈賀 房冠輝 馮瑞 蘇業(yè)旺,2,*

面向航天回收裝備的大變形柔性傳感器研究與應(yīng)用（一）——曲率傳感器

劉浩1劉國棟1,2李爽1,2賈賀3,4房冠輝3,4馮瑞3,4蘇業(yè)旺1,2,*

（1中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190） （2中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049） （3北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （4中國航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實驗室，北京 100094）

以降落傘和著陸緩沖氣囊等為代表的部分航空航天裝備具有柔性和大變形的特征，工作過程中可能在短時間內(nèi)形狀變化劇烈且不完全規(guī)則，這些裝備能否正常運行決定著整個任務(wù)的成敗，因此對其服役狀態(tài)下應(yīng)變、曲率、氣動外形等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測至關(guān)重要。文章面向具有柔性和大變形特征的航天著陸裝備，研究大變形柔性曲率傳感器（簡稱曲率傳感器）的設(shè)計和性能，該曲率傳感器量程達(dá)到了0.17mm–1并在測量過程中保持了優(yōu)異的線性度（擬合優(yōu)度>0.999）。文章還進(jìn)一步探索了傳感器在航天著陸系統(tǒng)上的集成方案與示范應(yīng)用，通過對緩沖著陸氣囊不同特征點的曲率進(jìn)行監(jiān)測，有效地對其整體輪廓進(jìn)行表征，準(zhǔn)確記錄裝備的充氣、漏氣和沖擊變形狀態(tài)信息，對航空航天裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與實時控制具有重要意義。

柔性 大變形 曲率 傳感器 航空航天

0 引言

航空航天技術(shù)的發(fā)展對國家軍事和國家經(jīng)濟(jì)有著重要的戰(zhàn)略意義和實際意義。航空航天裝備中一些關(guān)鍵部件具有柔性和大變形的特征，比如，用于航天器回收的降落傘、緩沖氣囊、充氣式再入減速技術(shù)設(shè)備、臨近空間浮空器、航天空間站充氣艙等[1-4]。這里“柔性”是指關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)剛度低，“大變形”是指關(guān)鍵部件服役過程中會發(fā)生較大的拉伸應(yīng)變（比如，大于5%）、明顯的彎曲變形（比如，彎曲半徑小于10cm）或明顯幅度的其他模式變形。對這類航空航天裝備在服役狀態(tài)下的應(yīng)變、曲率、氣動外形、溫度、壓力、表面流速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，所需要的傳感器也必須具有柔性和大變形的特征，才可以在不影響裝備原有性能的前提下準(zhǔn)確監(jiān)測到目標(biāo)參數(shù)，這類傳感器統(tǒng)稱大變形柔性傳感器。

由于傳統(tǒng)的傳感器（如應(yīng)變片、壓力傳感器等）不能與柔性纖維和織物的變形相適應(yīng)[5-6]，柔性航天裝備結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力/應(yīng)變很難得到精細(xì)化的測量與考核，很難避免局部結(jié)構(gòu)設(shè)計強度不足或整體強度裕度過大等問題[7-8]。比如，在緩沖氣囊、浮空氣球等密閉柔性充氣結(jié)構(gòu)的研制過程中，由于無法對局部結(jié)構(gòu)的變形曲率以及熱合搭接部位的應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行的測量，一般均采用過載傳感器、拉力計等剛性傳感器來間接評估結(jié)構(gòu)的性能[9-11]。由于缺乏新型柔性傳感器對航空航天柔性產(chǎn)品的局部結(jié)構(gòu)曲率等重要參數(shù)進(jìn)行精確測量，無法獲得以氣囊為代表的柔性航天裝備關(guān)鍵量化參數(shù)，這為高性能柔性產(chǎn)品的研制帶來了較大的挑戰(zhàn)。

目前的曲率測量主要分兩類：一類是非接觸式的測量方法，例如使用激光測距、激光干涉、圖像分析和聲學(xué)定位等技術(shù)進(jìn)行測量[12-15]。這類方法需利用外部設(shè)備，如攝像機(jī)、掃描儀、激光設(shè)備和聲波定位儀等儀器對被測物的曲率和三維形狀進(jìn)行測量，實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，使用方式有一定的局限性，難以實現(xiàn)隨體監(jiān)測。另一類為接觸式的測量方法，該類測量方法目前研究最多的為光纖曲率傳感器[16-19]，此類傳感器利用光波的傳播特性將被測物形態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為光學(xué)特性（包括光的強度、相位和波長等）的變化。例如，YANG利用飛秒激光技術(shù)在光纖中寫入光柵實現(xiàn)定向彎曲傳感能力[16]；OU基于SMS結(jié)構(gòu)提出新型干涉結(jié)構(gòu)，研究了可識別正負(fù)方向的一維曲率傳感器[17]；WANG利用模間干涉和彈性光學(xué)效應(yīng)，提出一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、靈敏度較高的曲率傳感器[18]；SEARLE提出了一種基于光強度調(diào)制的新型光學(xué)曲率傳感器，用于柔性機(jī)械臂的彎曲監(jiān)測[19]；文獻(xiàn)[20]提出了一種用于汽車座椅占用感應(yīng)的聚合物光纖曲率傳感器[20]；HARVIL在光纖表面加工出長條形、鋸齒形等形狀的敏感區(qū)，從而提高了曲率傳感器的靈敏 度[21]，等等。這些曲率傳感器大都結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理設(shè)備精度要求高，靈敏度較低且曲率測量范圍比較窄，應(yīng)用場景有限，很難實現(xiàn)航空航天裝備服役狀態(tài)下的隨體監(jiān)測。

本文面向具有柔性和大變形特征的航空航天裝備，研究大變形柔性曲率傳感器（簡稱曲率傳感器）的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能指標(biāo)、集成方案與示范應(yīng)用，通過對航空航天裝備曲率的監(jiān)測，有效地獲得裝備的變形狀態(tài)信息，對航空航天裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與實時控制具有重要意義。

1 薄膜貼片式曲率傳感器研究

本團(tuán)隊從力學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計制備了一種薄膜貼片式曲率傳感器[22]。該傳感器包括柔性三明治疊層結(jié)構(gòu)和兩層薄聚酰亞胺（Polyimide）封裝層（見圖1），其中柔性三明治疊層結(jié)構(gòu)包括：1）頂層和底層為重疊的敏感柵（康銅箔），其兩端分別由焊錫焊連的外接導(dǎo)線（細(xì)銅絲）引出；2）中間層為厚的酚醛樹脂基底。在此，康銅被用作傳感材料，因其具有優(yōu)良的性能，電阻率較高（0.48μΩ·m），較小的柵絲面積即可獲得較大阻值；電阻溫度系數(shù)較低（～10–6℃–1），有利于減少環(huán)境溫度的影響；具有良好的疲勞壽命和較高的延展性等。封裝層用于保護(hù)敏感柵。

圖1 薄膜式貼片傳感器的結(jié)構(gòu)[22]

圖2 薄膜式貼片傳感器的原理[22]

圖3 薄膜式貼片傳感器的性能[22]

2 面向航天著陸緩沖氣囊的曲率傳感器設(shè)計

充氣展開薄膜結(jié)構(gòu)作為航天器主要的輕量化設(shè)計方式，能夠有效地降低航天器整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時也可實現(xiàn)服役狀態(tài)下快速展開成型和組裝。柔性充氣緩沖氣囊由高強度纖維織物構(gòu)成，具有質(zhì)量輕、折疊體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和可靠性高等特點，該裝備利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)對沖擊載荷的緩沖，消耗沖擊動能，被廣泛地應(yīng)用于航天器和無人機(jī)回收等方面。實際使用過程中，著陸緩沖氣囊及充氣式再入減速技術(shù)設(shè)備承受較大的氣壓載荷和沖擊載荷，在結(jié)構(gòu)強度、氣動外形和穩(wěn)定性等方面都有著極高的要求，對航天回收緩沖氣囊及充氣式再入減速技術(shù)設(shè)備的應(yīng)變、曲率、表面壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可以準(zhǔn)確獲得空中減速和著陸沖擊過程中裝備的強度和氣動外形等參數(shù)。

圖4 面向航天著陸裝備的曲率傳感器設(shè)計與測量系統(tǒng)

Fig.4 Design and measurement system of the curvature sensor for space landing equipment

研究團(tuán)隊還對該傳感器的各項性能進(jìn)行了實驗測試。

（1）線性度和量程。選取多種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)曲率圓柱，曲率半徑分別為6mm、8mm、10mm、13mm、14mm、15mm、16mm、18mm和20mm，進(jìn)行測試。該傳感器輸出電壓信號和待測曲率具有良好的線性關(guān)系，線性度超過0.999；該曲率傳感器對于0～0.17mm–1曲率范圍的多種被測狀態(tài)做出了可回復(fù)的響應(yīng)，故量程達(dá)到了0.17mm–1（曲率半徑為6mm），完全滿足著陸緩沖氣囊變形測量范圍。試驗結(jié)果如圖5所示，圖中Δ為輸出電壓變化值。

（2）分辨率。實驗選取曲率半徑相差1mm的圓管，曲率半徑分別為18mm、19mm和20mm，將制備的曲率傳感器分別貼附進(jìn)行測量，如圖6所示，每個階躍的信號波峰對應(yīng)一種曲率狀態(tài)。可以看出：隨著曲率的增大，傳感器輸出電壓相對變化率的波峰也隨之增加；對于三種曲率狀態(tài)，傳感器均做出了明顯的響應(yīng)，且差異性明顯。從上述結(jié)果可以看出該傳感器對于曲率接近的多種被測狀態(tài)做出了差異性的響應(yīng)，相鄰狀態(tài)的曲率差均不大于0.003 0mm–1，分辨率達(dá)到了0.003 0mm–1，小于量程的2% （0.003 4mm–1）。

（3）彎拉解耦性能。實驗通過調(diào)整傳感器彎曲和貼附的順序進(jìn)行了對比驗證實驗。

1）先彎曲后貼附工況。曲率傳感器先被人為彎曲到合適程度，然后再貼附到指定曲率圓柱的編織材料表面上，之后讀取信號進(jìn)行測量。

2）先貼附后彎曲工況。曲率傳感器先鋪平放置在編織材料表面，然后借助卡夫特膠水與編織材料貼附，再和編織材料一起貼附到指定曲率圓柱上，之后讀取信號進(jìn)行測量。可以看出，隨著曲率半徑的增加，曲率傳感器的輸出信號逐漸減小，并且兩種工況下的實驗測量值均與預(yù)測值較為接近，符合預(yù)期（圖7）。

圖5 貼附于不同曲率半徑的圓柱上傳感器輸出電壓相對變化關(guān)系及擬合直線

圖6 在階躍曲率下該傳感器的輸出電壓相對變化

（4）溫度補償?shù)男阅堋Ｇ蕼y量計算過程中，兩層敏感柵電阻變化需要做差值，該曲率傳感器結(jié)構(gòu)及測量電路可利用此原理消除環(huán)境溫度變化對輸出信號的影響，實現(xiàn)溫度自補償性能。

綜上，本節(jié)從梁的基本理論出發(fā)，研究了曲率傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取和性能測試，詳細(xì)論述了曲率傳感器的高線性度、高分辨率、彎拉解耦性能和溫度自補償性能，其優(yōu)異性能為有效獲得裝備的外形信息提供了良好的保證，為航天著陸緩沖氣囊的變形測量提供了解決方案。此外，傳感器的尺寸和靈敏度可根據(jù)需求進(jìn)行定制，從而滿足不同回收裝備的測量要求，對航空航天裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與實時控制具有重要意義。

圖8 柔性緩沖氣囊變形監(jiān)測實驗傳感器集成方案

3 曲率傳感器在著陸緩沖氣囊上的應(yīng)用

為了獲取緩沖氣囊使用過程中的變形特性并驗證傳感器變形監(jiān)測效果，開展了集成有曲率傳感器的緩沖氣囊變形監(jiān)測實驗，實驗包括充氣、漏氣和沖擊三部分。傳感器變形監(jiān)測系統(tǒng)集成方案如圖8所示。其中，1號傳感器位于氣囊充氣口位置，能夠?qū)Τ錃饪谖恢玫木植孔冃吻闆r進(jìn)行測量；2號傳感器與1號傳感器處于同一軸線，能夠測試氣囊充氣、漏氣以及靜態(tài)加載等具體工況下，軸向不同位置點的變形規(guī)律；3號傳感器與2號傳感器處于同一環(huán)向，能夠?qū)饽噎h(huán)形不同位置點的變形規(guī)律進(jìn)行測量。3個傳感器的測量結(jié)果相互對比，可以表征氣囊使用過程中的一些變形規(guī)律。實驗中用到的設(shè)備主要包括實驗充氣泵、RIGOL DP831A穩(wěn)壓電源、Keysight 34972A多通道數(shù)據(jù)采集器以及電阻等。

氣囊充氣、漏氣和沖擊實驗過程及結(jié)果如圖9所示。

圖9 柔性緩沖氣囊外形監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)

充氣實驗的具體過程，見圖9（a），初始狀態(tài)時氣囊處于干癟狀態(tài)，一段時間后，打開空壓機(jī)閥門，通過軟管給氣囊充氣，大約1min后，氣囊完全充滿。通過回放實驗視頻和對比傳感器輸出結(jié)果，可以看出：初始狀態(tài)下，氣囊整體輪廓未發(fā)生改變，相應(yīng)的，曲率傳感器信號維持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)氣囊開始充氣時，氣囊外形發(fā)生明顯改變，曲率傳感器信號也出現(xiàn)相應(yīng)的波動。1號傳感器位于靠近進(jìn)氣口位置，因此波動幅度最劇烈，3號傳感器位于遠(yuǎn)離進(jìn)氣口位置，因此波動最平穩(wěn)，該規(guī)律與傳感器實際貼附位置相吻合。當(dāng)氣囊完全充滿后，曲率傳感器的輸出信號達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中，不同位置點的曲率具有明顯的變化，1號曲率傳感器的變化量為0.02%，2號曲率傳感器的變化量為0.01%，3號曲率傳感器的變化量為0.03%，這是因為充氣開始時各傳感器的初始狀態(tài)不同，3號傳感器初始較為平整，因此變化量最大。2號傳感器初始較為彎曲，因此變化量最小。

漏氣實驗主要研究氣囊在外力作用下出現(xiàn)破損時不同特征點曲率的變化規(guī)律，進(jìn)而驗證傳感器監(jiān)測氣囊漏氣點的可行性。具體的實驗過程如圖9（b）所示，氣囊在初始狀態(tài)時處于飽滿狀態(tài)，一段時間后拔除軟管，氣囊內(nèi)部氣體逐漸排出，壓力逐漸下降，氣囊整體輪廓發(fā)生改變，后續(xù)通過曲率傳感器對特征點的曲率變化進(jìn)行表征。可以看出，對于漏氣的三個階段，各部位的傳感器都做出了明顯的響應(yīng)：漏氣前，氣囊曲率幾乎保持不變，傳感器信號穩(wěn)定；漏氣過程中，氣囊外形發(fā)生明顯變化，傳感器也做出了明顯的響應(yīng)；漏氣后，氣囊靜置外形無變化，傳感器信號也保持穩(wěn)定。漏氣過程中，不同部位的傳感器表現(xiàn)不同的響應(yīng)規(guī)律：1號傳感器較靠近漏氣口，且充氣口曲率變化最劇烈，因此1號傳感器的信號響應(yīng)最劇烈，達(dá)到穩(wěn)定所需的時間最長；2號和3號傳感器稍遠(yuǎn)離漏氣口，因此曲率變化和信號響應(yīng)也更平緩一些。

氣囊沖擊實驗主要研究氣囊在外載荷作用下目標(biāo)特征點曲率的變化規(guī)律，進(jìn)而驗證傳感器監(jiān)測沖擊發(fā)生部位的可行性。首先，為了保證實驗結(jié)果盡量真實可靠，實驗中選取3號傳感器作為目標(biāo)特征點，避免了充氣口等特殊位置對傳感器測試精度的影響；另一方面保證沖擊點與傳感器處于同一軸線上，沖擊位置的選擇如圖9（c）所示；其次，實驗中采用標(biāo)準(zhǔn)重錘，分別放置于氣囊不同沖擊點，通過多通道電表對曲率傳感器進(jìn)行測試，進(jìn)而對特征點的曲率進(jìn)行表征。可以看出，對于重錘每次沖擊過程，曲率傳感器均做出了明顯的響應(yīng)，并且移去沖擊載荷后，傳感器的信號能夠回到初始狀態(tài)，保持相對的穩(wěn)定，相關(guān)的實驗結(jié)果驗證了曲率傳感器監(jiān)測氣囊受外界沖擊的適用性。實驗結(jié)果還表明，對于不同位置的沖擊，傳感器做出了不同的響應(yīng)，當(dāng)沖擊點逐漸靠近傳感器所在位置時，傳感器響應(yīng)越來越明顯。后期可以通過相應(yīng)的算法，對沖擊載荷的位置以及幅度進(jìn)行解算。

4 結(jié)束語

部分航空航天裝備具有柔性和大變形的特征，如降落傘、緩沖氣囊、充氣式再入減速裝備、臨近空間浮空器、空間站充氣艙等，裝備能否正常運行甚至決定著整個任務(wù)的成敗，對其服役狀態(tài)下應(yīng)變、曲率、氣動外形等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測至關(guān)重要，所需傳感器也必須具有柔性和大變形的特征。本文面向具有柔性和大變形特征的航空航天裝備，研究曲率傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能指標(biāo)、集成方案與示范應(yīng)用，特別針對航天著陸緩沖氣囊的外形監(jiān)測需求，設(shè)計并制備了適用于其外形監(jiān)測的曲率傳感器，并將其應(yīng)用在氣囊充放氣過程的實時監(jiān)測中，實現(xiàn)了緩沖氣囊充氣、漏氣和沖擊過程中的變形監(jiān)測，對氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與外形數(shù)據(jù)獲取具有重要意義。

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Research and Application of Sensors with Great Flexibility and Deformability for Aerospace Recycling Equipment (1)——Curvature Sensor

LIU Hao1LIU Guodong1,2LI Shuang1,2JIA He3,4FANG Guanhui3,4FENG Rui3,4SU Yewang1,2,*

（1 State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190, China） （2 School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China） （3 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （4 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）

Some aerospace equipments, such as parachute and landing buffer airbag, etc., has characteristics of great flexibility and deformability. The shape of the equipment may change dramatically and incompletely regularly in a short time during the process of working. It is critical to monitor the key parameters of these equipment in service real-timely, such as strain, curvature and aerodynamic profile, since the normal operation of these equipment can determine the success or failure of the entire mission. For the space landing equipment with great flexibility and deformability, we reasearch the design and performance of flexible curvature sensor with great bending ability (referred to as curvature sensor), the measurement range of the sensor reaches 0.17mm–1and guarantees high linearity (goodness-of-fit >0.999) during the measurement. The integration scheme and demonstration application of sensors in space landing system are further explored. By monitoring the curvature of different characteristic points of the landing buffer airbag, the overall contour of the airbag can be characterized effectively, and the state information of inflation, leakage and impact deformation of the equipment can be accurately recorded, which is of great significance to the structural design optimization and real-time control of aerospace equipment.

flexible; large deformation; curvature; sensor; aerospace

V19; TP212.9

A

1009-8518(2023)01-0050-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.006

2022-06-27

國家自然科學(xué)基金（12172359，11772331）；北京市科委懷柔科學(xué)城成果落地重大專項（Z191100002019010）；北京市自然科學(xué)基金（2202066）；中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目（ZDBS-LY-JSC014）；中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊項目（JCTD-2020-03）

劉浩, 劉國棟, 李爽, 等. 面向航天回收裝備的大變形柔性傳感器研究與應(yīng)用（一）——曲率傳感器[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 50-58.

LIU Hao, LIU Guodong, LI Shuang, et al. Research and Application of Sensors with Great Flexibility and Deformability for Aerospace Recycling Equipment (1)——Curvature Sensor[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 50-58. (in Chinese)

劉浩，男，1991年生，2018年獲北京航空航天大學(xué)航空工程專業(yè)碩士學(xué)位。主要研究方向為柔性結(jié)構(gòu)與器件力學(xué)。E-mail：liuhao110512@126.com。

蘇業(yè)旺，男，1981年生，2011年獲清華大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，研究員。主要研究方向為柔性結(jié)構(gòu)與器件力學(xué)。E-mail：yewangsu@imech.ac.cn。

（編輯：陳艷霞）