固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)評述與研究①

高 鳴，任海峰

(海軍航空工程學(xué)院，煙臺 264001)

0 引言

研究者通常希望固體火箭發(fā)動機具有長的貯存壽命，并期望能夠準(zhǔn)確預(yù)估該壽命。如果預(yù)估的壽命長于真實壽命，已過壽的發(fā)動機會導(dǎo)致發(fā)射失敗，甚至發(fā)生災(zāi)難性的爆炸，危及發(fā)射平臺和人員的安全，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈武器的戰(zhàn)斗力;如果預(yù)估的壽命過短，會使大批可用的導(dǎo)彈發(fā)動機提前報廢、銷毀，會造成巨額的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染［1］。然而，當(dāng)前固體火箭發(fā)動機檢測手段有限，僅憑現(xiàn)有檢測參數(shù)在壽命預(yù)估方面很難提供足夠的數(shù)據(jù)支持，仍不能避免過早銷毀的浪費和意外失敗的風(fēng)險。

目前，固體火箭發(fā)動機壽命預(yù)估方法主要有解剖實驗法、無損探傷法和模型分析法。解剖實驗法一般解剖幾臺發(fā)動機，通過實驗分析裝藥的力學(xué)、化學(xué)性能，評判發(fā)動機健康狀況，或是對幾臺發(fā)動機進行靜止點火試驗或飛行試驗，然后對整批次發(fā)動機進行失效判定和壽命預(yù)估。受材料性能、制造工藝的不確定性影響，美國同臺發(fā)動機內(nèi)部和不同批次發(fā)動機之間都存在5% ～10%的力學(xué)性能差異［2］。與美國相比，我國材料性能和制造工藝存在一定差距，從實驗數(shù)據(jù)來看力學(xué)性能差異更大。加之每臺發(fā)動機制造、運輸、貯存和戰(zhàn)斗值班等勤務(wù)過程中歷經(jīng)的載荷不確定，每臺發(fā)動機老化程度和累積損傷必然有一定差異。因此，依靠幾臺發(fā)動機的解剖或試車實驗結(jié)果來判定整批發(fā)動機過壽或者可用都是不準(zhǔn)確的，可能造成極大的浪費或安全事故。無損探傷法主要是采用工業(yè)CT，檢測前需要從發(fā)射裝置取出整個導(dǎo)彈并運回基地軍械庫，將發(fā)動機卸掉送入 CT實驗室，檢測后再安裝好導(dǎo)彈送回發(fā)射裝置。CT掃描過程需要較長時間，檢測受射線源能量水平、CT設(shè)備尺寸及場地空間諸多因素限制，且設(shè)備昂貴復(fù)雜，須布置在專門CT實驗室，通常導(dǎo)彈發(fā)動機需要長途運輸，增加勤務(wù)的困難和勤務(wù)過程不確定性。因此，工業(yè)CT實際應(yīng)用起來比較困難，檢測過程過于繁瑣、費時，實現(xiàn)整個批次所有發(fā)動機檢測困難更大。其他無損檢測設(shè)備，如超聲(UT)、渦流等設(shè)備能量水平較低，檢測精度有限。模型分析法以固體火箭發(fā)動機使用壽命的指標(biāo)參數(shù)為對象，采用加速老化等方法研究這些指標(biāo)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律來預(yù)估發(fā)動機的壽命，該方法經(jīng)濟、快捷，但是難以模擬發(fā)動機的實際情況。分析法獲取模型的實驗和發(fā)動機實際老化損傷過程之間存在諸多差異，如方坯試件與實際藥柱應(yīng)力分布存在差異;單向拉伸和藥柱實際多向受力狀態(tài)的差異;加速老化和自然老化試驗的差異;試件自然老化和發(fā)動機藥柱在相對封閉環(huán)境老化的差異。這些差異再加上材料本身的非均質(zhì)性、載荷的不確定性，導(dǎo)致本構(gòu)模型存在較大不確定性［2－3］。根據(jù)平均環(huán)境對裝藥性能的預(yù)測需要較大安全系數(shù)，壽命預(yù)估的精度有待進一步提高。

綜上所述，受材料性能、制造工藝的不確定性和發(fā)動機貯存環(huán)境、歷經(jīng)載荷不確定性的影響，不清楚裝藥的歷史、發(fā)動機內(nèi)部狀態(tài)及單個裝藥的缺陷是當(dāng)前壽命預(yù)估方法的主要不足。固體火箭發(fā)動機壽命預(yù)估領(lǐng)域強烈呼喚一種直接原位監(jiān)測每臺發(fā)動機健康狀況，并能夠預(yù)測每臺發(fā)動機具體壽命的監(jiān)測技術(shù)，固體儀器發(fā)動機應(yīng)運而生。

1 固體儀器發(fā)動機

固體儀器發(fā)動機是指內(nèi)置或嵌入了力學(xué)、化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測傳感器，能夠監(jiān)測與固體推進劑裝藥力學(xué)、化學(xué)性能變化和缺陷有關(guān)的參數(shù)，并實時提供發(fā)動機健康狀態(tài)的新概念固體火箭發(fā)動機。

固體儀器發(fā)動機的特征是傳感器作為其有機組成部分，在發(fā)動機生命歷程中“終生”不可替換。傳感器既是監(jiān)測儀器，又是發(fā)動機的有壽部件，其中力學(xué)化學(xué)傳感器嵌入到發(fā)動機裝藥內(nèi)部對裝藥、粘接界面有一定影響，傳感器本身壽命對整個發(fā)動機性能，甚至壽命可能會有一定的影響。

國外研究顯示，固體儀器發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展成熟需要數(shù)十年時間，因此當(dāng)前固體儀器發(fā)動機作為監(jiān)測儀器使用，其應(yīng)用策略是同一批次的發(fā)動機配備一定數(shù)量的固體儀器發(fā)動機，如果固體儀器發(fā)動機出現(xiàn)缺陷，則對整批發(fā)動機進行CT探傷。待到固體儀器發(fā)動機技術(shù)成熟，則可考慮全面部署，輔以外部監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機儀器化和健康監(jiān)測。固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)具有重大意義，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟效益、科技貢獻和軍事意義3個方面。

(1)經(jīng)濟效益。目前由于無法分辨哪些導(dǎo)彈發(fā)動機可用，哪些失效，所以處理辦法是整個批次的導(dǎo)彈發(fā)動機全部退役，而不是更換失效導(dǎo)彈發(fā)動機，保留可用導(dǎo)彈發(fā)動機。如果確切知道哪些發(fā)動機可用，哪些發(fā)動機失效，逐年更換失效發(fā)動機，保留可用發(fā)動機，顯然是十分經(jīng)濟的。例如，某型導(dǎo)彈發(fā)動機服役壽命17 a，屆時有2．5%由于過壽無法完成任務(wù)，假設(shè)一批次導(dǎo)彈發(fā)動機數(shù)目為X，導(dǎo)彈發(fā)動機過壽服從正態(tài)分布，那么50 a的壽命周期意味著只需要建造2X個導(dǎo)彈發(fā)動機，但以現(xiàn)有報廢方式，要構(gòu)建一個批次，并更換3個批次，總計4X，可見固體儀器發(fā)動機帶來的巨大經(jīng)濟效益，據(jù)國外文獻報道，在50 a壽命周期中節(jié)省維護費用超過 50%［2］。

(2)科技貢獻。目前，固體火箭發(fā)動機監(jiān)測手段十分有限，構(gòu)建固體儀器發(fā)動機可使發(fā)動機健康狀況處于實時監(jiān)測之下，實現(xiàn)原位健康監(jiān)測、缺陷診斷和壽命預(yù)估，這無疑是固體火箭發(fā)動機技術(shù)的巨大進步。

一是固體儀器發(fā)動機的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示了每臺發(fā)動機的健康狀況，可以監(jiān)測載荷變化、內(nèi)部狀態(tài)和裝藥缺陷，為深入研究老化過程和損傷機理與規(guī)律提供大量詳實的數(shù)據(jù)，可作為缺陷診斷和壽命預(yù)估的直接依據(jù)，突破了當(dāng)前壽命預(yù)估方法的不足;二是在發(fā)動機內(nèi)部埋入傳感器，要求傳感器與發(fā)動機的一體化設(shè)計，還可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)發(fā)動機設(shè)計，從而全面促進發(fā)動機設(shè)計制造;三是發(fā)動機生產(chǎn)之初傳感器就已經(jīng)埋入發(fā)動機內(nèi)部，可以實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機制造過程中的質(zhì)量控制和過程控制;四是促進傳感器技術(shù)，通信技術(shù)等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步。

(3)軍事意義。指揮員可完全掌握每一枚導(dǎo)彈發(fā)動機的健康狀況，大幅提升了導(dǎo)彈的可靠性和安全性，提高了發(fā)射成功的概率，有利于實現(xiàn)作戰(zhàn)意圖和提高導(dǎo)彈使用效率。在導(dǎo)彈換裝期間，可依據(jù)固體儀器發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)估每臺發(fā)動機壽命，按照壽命逐年更換到壽導(dǎo)彈發(fā)動機，而不是更換整批導(dǎo)彈，有利于保持換裝期間的戰(zhàn)斗力。由于導(dǎo)彈的健康狀況在實時監(jiān)測之下，很多參數(shù)可以直接獲得，有利于簡化技術(shù)準(zhǔn)備流程，提高導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備水平。

2 固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

鑒于固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)研究的重要意義，很多國家都開展了相關(guān)的研究［2－23］。美國“壽命預(yù)估技術(shù)計劃”(1988—1995)子項目關(guān)鍵技術(shù)KTA 4-23 開展了相關(guān)研究［4］。

1998年，在美國空軍研究室和海軍航空武器中心提出的“高性能火箭技術(shù)整體規(guī)劃(IHPRPT)”中，發(fā)動機壽命預(yù)估研究的目標(biāo)之一是實現(xiàn)發(fā)動機老化過程中的裝藥化學(xué)性能及力學(xué)性能的原位監(jiān)測，并制造沿粘接面埋設(shè)若干應(yīng)力傳感器的模擬發(fā)動機，對其加速老化過程的粘接應(yīng)力進行監(jiān)測［3－4］。美國空軍研究實驗室的“戰(zhàn)略導(dǎo)彈技術(shù)計劃”［2］中很多研究項目旨在攻克這一技術(shù)，其中“壽命預(yù)估技術(shù)計劃”驗證了環(huán)境、力學(xué)和化學(xué)傳感器，并嘗試從化學(xué)特性和力學(xué)特性的相關(guān)性、微觀斷裂力學(xué)的角度減少發(fā)動機壽命預(yù)估的不確定度?！盁o損評估及數(shù)據(jù)處理計劃”旨在發(fā)展高效的戰(zhàn)略導(dǎo)彈CT和第二代自動無損數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)(ANDES2)。“敏感缺陷評估計劃”旨在開發(fā)基于流體-結(jié)構(gòu)-燃燒耦合的固體火箭發(fā)動機仿真軟件?！皞鞲衅鲬?yīng)用和建模計劃”提出采用商用或者準(zhǔn)商用的傳感器，發(fā)展其在固體火箭發(fā)動機制造和使用方法。在此基礎(chǔ)上開發(fā)“固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測集成系統(tǒng)(IVHM)”，全面提高火箭發(fā)動機可靠性，降低全壽命周期維護費用。

2002年9月，美國召開了先進發(fā)動機壽命會議，討論了傳感器在監(jiān)測中的使用問題，建議固體發(fā)動機工業(yè)與傳感器生產(chǎn)商聯(lián)合推進此項工作［5］。

2003年，北大西洋公約組織(NATO)成員國——加拿大、德國、法國、荷蘭、波蘭、英國、美國等成立了彈藥監(jiān)測合作研究小組，旨在推動監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用。2005年春，他們舉行了合作演示技術(shù)會議，演示了在彈藥監(jiān)測領(lǐng)域的成果［6］。在這次會議上，展示了監(jiān)測微機電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及壽命安全評價方法等，預(yù)計這些成果10年后會在彈藥監(jiān)測系統(tǒng)中實際應(yīng)用。

2005年5月，北約彈藥安全信息分析中心(MSIAC)成立了“鈍感彈藥老化對生命周期的影響”工作組［7］，工作組分成5個小組討論。第一和第二組為化學(xué)老化小組，認(rèn)為各實驗室/國加速老化缺少一致性，需回顧加速老化方法，使各實驗室/國的加速老化方法標(biāo)準(zhǔn)化;原材料參數(shù)的可變性對老化性能也有影響，原材料需標(biāo)準(zhǔn)化。第三小組為小尺寸測試與模擬小組，認(rèn)為對于模擬和加速老化來說，壽命預(yù)估需要精確的貯存壽命條件。第四小組為鈍感彈藥監(jiān)視評價方法小組，認(rèn)為進行國際技術(shù)演示的可行性和必要性分析，以回顧鈍感彈藥老化作用，為真正的老化研究提供技術(shù)支持。第五小組為全壽命周期評價的新方法，認(rèn)為埋入傳感器是全壽命周期評價的主要新方法。

2006年第37屆ICT會議，主題是“含能材料的鈍感、老化、監(jiān)測”，關(guān)于老化與監(jiān)測、老化分析方法及老化監(jiān)測方法，反映了近年來固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究成果［8－10］。

2010年，北大西洋公約組織航空研究與發(fā)展顧問組(NATO-OTAN)在“導(dǎo)彈健康監(jiān)測和壽命預(yù)估項目進展”會議上，美、英、法、德等9個國家的專家探討了導(dǎo)彈發(fā)動機健康監(jiān)測方面的問題［11］。

從上述研究計劃、會議及國外學(xué)術(shù)論文的情況來看，采用微機電傳感器監(jiān)測火箭發(fā)動機健康狀況的研究已成為國外研究的熱點。

早在1996年，MICRON Instruments研發(fā)了粘接應(yīng)力變送器(NBSTs)［12］，該變送器能夠直接測量粘接應(yīng)力，但由于設(shè)計原因?qū)е聜鞲衅饕€需穿透發(fā)動機殼體引出，因而帶來了安全隱患和應(yīng)用困難。此外，該類變送器體積較大，長期穩(wěn)定性和精度不高，故應(yīng)用價值不高。20世紀(jì)90年代中后期，美國軍方委托MICRON Instruments公司，英國國防部委托LH Transducer Development Ltd開發(fā)新一代粘接應(yīng)力傳感器［12］。新一代粘接應(yīng)力傳感器的設(shè)計基本目標(biāo)是微型化，可以埋入粘接界面，并對發(fā)動機裝藥低(無)損，還要求傳感器適應(yīng)較寬工作溫度、精確、敏感、低能耗、易校準(zhǔn)、易安裝。此外，長期穩(wěn)定性、材料相容性、低交叉敏感性等也是新一代粘接應(yīng)力傳感器的設(shè)計目標(biāo)。

Micron Instruments公司采用4個半導(dǎo)體應(yīng)變計作為敏感元件，粘接在金屬彈性膜盒內(nèi)部，構(gòu)成惠斯通電橋，接線方式采用柔性扁平電纜，有利于在發(fā)動機內(nèi)部布置。英國LH Transducer Development Ltd采用陶瓷厚膜應(yīng)變式應(yīng)力變送器，具有高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的特點，且具有測量的高精度、電氣絕緣性能好、長期穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬等特點。但是傳感器加工制造工藝難度大，該公司開發(fā)進度較慢，該公司完成原型開發(fā)測試時，Micron Instruments公司的粘接應(yīng)力溫度(DBST)傳感器已在多個國家和實驗室得到應(yīng)用，且陶瓷厚膜應(yīng)變式應(yīng)力變送器性能指標(biāo)不及DBST傳感器。Micron Instruments公司對DBST傳感器結(jié)構(gòu)和引線方式進行了改進，技術(shù)成熟度不斷提高。目前，DBST傳感器技術(shù)成熟度已達六級以上。美國空軍已完成在亞尺寸模擬發(fā)動機驗證了相關(guān)技術(shù)并開展了加速老化，溫度循環(huán)試驗。2010年，北大西洋公約組織航空研究與發(fā)展顧問組報告，該技術(shù)已應(yīng)用于全尺寸戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機的健康監(jiān)測，長達4年的監(jiān)測，達到預(yù)期目標(biāo)［14］。2011年 AIAA報告顯示，歐洲防務(wù)局MINERVE計劃(2008年—)已將埋入式傳感器應(yīng)用于全尺寸固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測方面，進行長期貯存，以驗證系統(tǒng)的長期可靠性和穩(wěn)定性［15］。德國、荷蘭［16］采用布置較多的DBST傳感器，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測裂紋和界面脫粘，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行壽命評估。英國 Jim Buswell［12，14］報道了在固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究進展。經(jīng)過近20年的研究，光纖應(yīng)變傳感器、微電子應(yīng)力傳感器和化學(xué)傳感器日益成熟，但在固體火箭發(fā)動機中傳感器的應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、安全和相關(guān)規(guī)則仍在完善中。同時，報道了如何在固體火箭發(fā)動機中選擇、安裝、校準(zhǔn)應(yīng)力傳感器、處理獲得的數(shù)據(jù)。認(rèn)為溫度監(jiān)測是監(jiān)測化學(xué)老化的前提，粘接應(yīng)力測量是推進劑裝藥物理健康的指示劑。測量得到的粘接應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入累積損傷失效模型，能夠即時監(jiān)測推進劑藥柱裂紋和脫粘。

為了不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)，方便供電和數(shù)據(jù)傳輸，2010年，Edwards AFB的研究人員開發(fā)了無線DBST傳感器［16］。但是由于靜電屏蔽的問題，該改進型DBST傳感器應(yīng)用受限。

目前，美國正在計劃開發(fā)下一代粘接界面監(jiān)測傳感器，美國下一代傳感器是超微型多功能數(shù)字粘接應(yīng)力傳感器［17］，可監(jiān)測溫度、濕度、加速度、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和化學(xué)量等多種參數(shù)，具有更高的靈敏度，抗干擾能力強，支持?jǐn)?shù)據(jù)總線，監(jiān)測多種狀態(tài)參數(shù)。在信號調(diào)理方面，采用多路復(fù)用、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波及自動補償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計制造智能傳感器。在通信方面，采用無線通訊方式，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測粘接應(yīng)力，布置更加靈活，數(shù)據(jù)采集傳輸更方便。

監(jiān)測系統(tǒng)方面，美國DBST傳感器測試系統(tǒng)由DASOR公司負(fù)責(zé)開發(fā)［17］。以德州儀器(TI)的 PGA309芯片為核心構(gòu)成信號調(diào)理電路，傳感器和信號調(diào)理模塊用寬4 mm、厚0．15 mm的柔性扁平電纜連接，該電纜沿粘接界面粘貼。上位機采用PGA309 PC開發(fā)板進行數(shù)據(jù)采集、通訊控制和信號處理，補償數(shù)據(jù)存貯在非易失性只讀存儲器EEPROM，傳感器端采用相應(yīng)的傳感器接口板進行配套。上位機軟件具有補償、通信、控制、存貯和顯示功能。

診斷方法方面，目前多采用人工判讀為主，文獻［18］提及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析多傳感器信號智能診斷裂紋缺陷，文獻［19］粘接應(yīng)力輸入到累積損傷模型診斷裂紋和脫粘，但均未見詳細(xì)報道。另外，文獻［20］提到應(yīng)用多軸光纖光柵傳感器測量襯層應(yīng)變，文獻［21－23］中圖示了實驗測試中使用光纖光柵應(yīng)力傳感器測量粘接界面應(yīng)力。在復(fù)合材料殼體損壞監(jiān)測方面，Blue Road Research采用在復(fù)合材料殼體纏入多軸光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測殼體沖擊損壞［24］，Acellent Technologies［25］采用壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 Smart Layers，監(jiān)測沖擊損壞。

化學(xué)傳感器方面，荷蘭TNO實驗室利用光纖熒光技術(shù)，開發(fā)了聚合物光纖氧傳感器［23］。通過在推進劑里埋入不同長度的此氧傳感器可定量測量化學(xué)成分的變化，經(jīng)解剖驗證該方法有效。但由于傳感器和周圍推進劑熱脹冷縮系數(shù)不同，這種傳感器易造成裂紋。

環(huán)境監(jiān)測方面，美國采用的傳感器數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)終端讀取，可連續(xù)記錄溫度、濕度和沖擊載荷等超過13年的數(shù)據(jù)。荷蘭從2001年開始利用商業(yè)衛(wèi)星傳輸溫度、濕度等監(jiān)測數(shù)據(jù)。法國研制了運輸載荷監(jiān)測系統(tǒng)。加拿大研制了沖擊、溫度、濕度、化學(xué)傳感器等［26］。

國內(nèi)利用固體儀器發(fā)動機進行健康監(jiān)測和缺陷診斷研究剛剛起步。2006年，第二炮兵工程學(xué)院常新龍等利用光纖光柵傳感器進行復(fù)合材料殼體損壞監(jiān)測的探索［27］。2007年，海軍航空工程學(xué)院李洪偉、任海峰對健康監(jiān)測技術(shù)總體方案進行了初步研究［28］。2008年，海軍航空工程學(xué)院邢耀國等對美國健康監(jiān)測技術(shù)進行了綜述［29］。2010年，航天科工六院李瑛對國外健康監(jiān)測技術(shù)進行了綜述［30］;海軍航空工程學(xué)院黃衛(wèi)東對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈環(huán)境監(jiān)測進行了研究［31］。2011年，國內(nèi)多家單位開展了相關(guān)研究，從掌握的情況來看，傳感器尺寸相對偏大、性能指標(biāo)相對偏低、輸出信號為模擬信號。2012年，海軍航空工程學(xué)院高鳴、任海峰研制了粘接應(yīng)力傳感器，傳感器為低阻硅應(yīng)變片式粘接應(yīng)力傳感器，其直徑中8 mm、厚度1．8 mm，性能指標(biāo)與美國DBST傳感器相當(dāng)，一些主要指標(biāo)優(yōu)于美國DBST傳感器。

3 固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展途徑和趨勢

綜合分析上述國外文獻資料［2－19］，目前國外埋入式傳感器得到成功應(yīng)用，戰(zhàn)術(shù)彈貯運箱內(nèi)布置溫度、濕度、振動/加速度傳感器監(jiān)測環(huán)境參數(shù)可獲得高度可信的環(huán)境信息，以用來改進壽命預(yù)估的模型，提高壽命預(yù)估的水平。戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動機健康監(jiān)測方面，第一步是在內(nèi)孔布置集成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。長期發(fā)展應(yīng)考慮在設(shè)計中使用埋入式傳感器，構(gòu)成固體儀器發(fā)動機，配合外部監(jiān)測如殼體損壞監(jiān)測系統(tǒng)的，便攜式CT以及下一代ANDES，繼續(xù)發(fā)展基于物理化學(xué)機理的固體火箭發(fā)動機質(zhì)量評估模型。最終目標(biāo)是實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測，提供紅線報警，甚至與汽車、飛機一樣，提醒用戶故障類型和位置等信息，給出替換或返修等處理意見。

總結(jié)國外固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展步驟及趨勢如下:

第一步:環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。主要監(jiān)測溫度、濕度、加速度和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。通常布置在發(fā)射箱內(nèi)，但由于封閉空間的氧含量相對有限，老化過程與開放空間的老化有所不同，因此化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物傳感器最好布置在發(fā)動機中心孔內(nèi)，將實際環(huán)境監(jiān)測參數(shù)和發(fā)動機初始性能參數(shù)輸入到老化模型，判定發(fā)動機是否失效。

第二步:外部傳感器檢測系統(tǒng)。主要目的是以無損的方式獲取發(fā)動機內(nèi)部數(shù)據(jù)，目前主要是工業(yè)CT。工業(yè)CT檢測的缺點是系統(tǒng)復(fù)雜、測試時間長、成本高、使用和維護困難。應(yīng)該發(fā)展可直接在貯存?zhèn)}庫或者發(fā)射井使用的便攜式X線機，或者便攜式工業(yè)CT，手持式UT等檢測設(shè)備，以實現(xiàn)裂紋、空泡和脫粘的原位檢測?，F(xiàn)有的外部傳感器或檢測系統(tǒng)如CT、UT、X線機只能粗略地測量結(jié)構(gòu)方面的缺陷，但不能測量局部應(yīng)力、應(yīng)變和化學(xué)集中，所以研制非接觸式測量推進劑局部應(yīng)力、應(yīng)變和化學(xué)集中的傳感器十分必要的。

第三步:內(nèi)部傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器的優(yōu)勢在于可直接測量與推進劑力學(xué)化學(xué)性能變化及缺陷相關(guān)的參數(shù)。美軍實驗室已經(jīng)驗證了粘接應(yīng)力溫度傳感器的制造、埋入、標(biāo)定和校正技術(shù)，已成功進行了裂紋、脫粘等典型缺陷的診斷，正在進行長期穩(wěn)定性和可靠性驗證。這些監(jiān)測參數(shù)可準(zhǔn)確判廢和預(yù)估火箭發(fā)動機壽命提供可靠依據(jù)，對于火箭發(fā)動機質(zhì)量評判和壽命預(yù)估十分重要。目前的傳感器幾乎都不能直接測量與壽命相關(guān)的現(xiàn)象，埋入式粘接應(yīng)力溫度傳感器測量的是應(yīng)力和應(yīng)變，而期望獲得的是材料模量。模量本身的屬性又隨時間和環(huán)境變化，所以研發(fā)模量傳感器十分必要。在化學(xué)量的測量上期望測量一些原始變量，因此強烈期待直接測量聚合物交聯(lián)密度、中定劑的消耗、氧的擴散和老化產(chǎn)物的傳感器。

第四步:全面部署。全面部署環(huán)境、外部和內(nèi)部傳感器系統(tǒng)，并建立固體儀器發(fā)動機在線質(zhì)量評判壽命預(yù)估模型，實現(xiàn)紅線預(yù)警。

4 固體儀器發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)

國外在固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)方面，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用，外部傳感器檢測系統(tǒng)和在線質(zhì)量評判壽命預(yù)估模型研究穩(wěn)步推進，化學(xué)傳感器尚不成熟，國外研究主要集中在利用DBST傳感器監(jiān)測界面粘接應(yīng)力，進行裂紋和脫粘等裝藥缺陷診斷的研究和探討。對比固體儀器發(fā)動機概念，該部分研究就是固體儀器發(fā)動機力學(xué)參數(shù)監(jiān)測與診斷技術(shù)，不難看出固體儀器發(fā)動機是固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)的核心內(nèi)容。

梳理總結(jié)國外研究，固體儀器發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)主要有傳感器技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、固體儀器發(fā)動機一體化設(shè)計和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)。以下分別述之:

(1)固體儀器發(fā)動機傳感器是指內(nèi)部監(jiān)測傳感器，包括力學(xué)傳感器和化學(xué)傳感器兩部分。傳感器微型化、多功能化，以及提高傳感器靈敏度、安全性、穩(wěn)定性、兼容性是研究的重點。粘接應(yīng)力溫度傳感器的開發(fā)和微型模量傳感器、化學(xué)傳感器的研制是研究的難點和突破點。傳感器技術(shù)主要研究監(jiān)測參數(shù)的選擇、發(fā)動機對傳感器的要求、傳感器選型、性能指標(biāo)、設(shè)計方法、校準(zhǔn)標(biāo)定方法和安裝工藝等方面的技術(shù)問題。

(2)監(jiān)測技術(shù)主要研究發(fā)動機對監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求、監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)、設(shè)計方法和布置方法及策略等方面的技術(shù)問題，以達到安全可靠、方便靈活、經(jīng)濟簡潔的目的。

(3)固體儀器發(fā)動機一體化設(shè)計方法研究傳感器系統(tǒng)對固體火箭發(fā)動機的影響，對界面粘接性能的影響，對發(fā)動機安全性的影響，研究縮比固體儀器發(fā)動機與全尺寸固體火箭發(fā)動機的相似關(guān)系，研究固體儀器發(fā)動機的設(shè)計方法，實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與裝藥系統(tǒng)的一體化設(shè)計。

(4)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)主要研究監(jiān)測信號的處理，特征提取，數(shù)據(jù)在發(fā)動機缺陷診斷、失效判定和壽命預(yù)估方面的應(yīng)用，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存管理等方面的問題。

5 討論與建議

(1)發(fā)展固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)的目標(biāo)是發(fā)動機健康狀態(tài)的監(jiān)測，重點是固體儀器發(fā)動機的構(gòu)建，著力點是內(nèi)部傳感器系統(tǒng)的開發(fā)。應(yīng)該明確發(fā)動機的健康狀態(tài)主要依靠埋入發(fā)動機內(nèi)部傳感器直接監(jiān)測的力學(xué)和化學(xué)參數(shù)來表征。環(huán)境監(jiān)測、外部檢測是依靠內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)進行缺陷診斷和壽命預(yù)估的輔助依據(jù)和佐證，外部檢測系統(tǒng)的應(yīng)用仍然受到場地、費用和精度的限制，作用也是相對有限的。因此，構(gòu)建固體儀器發(fā)動機是固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)重點和難點。如果偏離固體儀器發(fā)動機這一重點技術(shù)，研究其他監(jiān)測技術(shù)則收效將是甚微的，這也是本文特別強調(diào)固體儀器發(fā)動機的原因所在。

(2)構(gòu)建固體儀器發(fā)動機應(yīng)聚焦在直接與缺陷相關(guān)性能參數(shù)監(jiān)測研究上，應(yīng)當(dāng)注意研究粘接應(yīng)力和粘接界面化學(xué)量與裝藥缺陷、力學(xué)化學(xué)性能變化的規(guī)律及其相關(guān)性。注重新型傳感器和新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，特別是粘接應(yīng)力溫度傳感器系統(tǒng)的開發(fā)和模量傳感器、化學(xué)傳感器的研制。

(3)固體儀器發(fā)動機健康檢測技術(shù)初期研究應(yīng)重點關(guān)注利用粘接應(yīng)力進行典型缺陷診斷的研究，如裂紋、脫粘和零粘接強度等典型缺陷的診斷，驗證固體儀器發(fā)動機的先進性、有效性和可靠性。因為缺陷診斷包括缺陷監(jiān)測和缺陷評估，是失效判定和壽命預(yù)估的基礎(chǔ)。只有固體儀器發(fā)動機能夠有效進行敏感缺陷的診斷，才能有效進行失效判定和壽命預(yù)估，該技術(shù)才有現(xiàn)實意義。所以，研究初期應(yīng)避免貪大求全，造成的人力、財力分散和技術(shù)風(fēng)險。在固體儀器發(fā)動機構(gòu)建成功后，進行環(huán)境監(jiān)測和外部檢測等輔助系統(tǒng)的開發(fā)和基于固體儀器發(fā)動機的壽命預(yù)估方法研究，同時盡快將固體儀器發(fā)動機推向裝備工程實用。

(4)基于固體儀器發(fā)動機壽命預(yù)估方法研究工作應(yīng)遵循綜合分析的路線。利用模型指導(dǎo)監(jiān)測實驗，再利用監(jiān)測數(shù)據(jù)修正模型，以期提高壽命預(yù)估精度，節(jié)約研究經(jīng)費的目的。在發(fā)展健康監(jiān)測的同時，不斷利用監(jiān)測數(shù)據(jù)研究老化機理和老化規(guī)律，優(yōu)化構(gòu)建壽命預(yù)估精確模型。

(5)要積極利用固體儀器發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)及研究結(jié)果指導(dǎo)固體火箭發(fā)動機的設(shè)計、制造和使用，減少材料、工藝和載荷不確定性，進一步提高固體火箭發(fā)動機制造水平和可靠性。

6 結(jié)語

研究固體儀器發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)，具有巨大經(jīng)濟效益、科技貢獻和軍事意義，已成為近期國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機缺陷診斷和壽命預(yù)估的研究熱點和重要方向。我國在這一領(lǐng)域與國外存在較大差距，應(yīng)當(dāng)加快研究，爭取早日實現(xiàn)固體儀器發(fā)動機。同時，應(yīng)該明確將該技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動機，較戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機更有意義。

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