基于聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜的密封艙壁穿孔損傷識別技術(shù)

劉治東，賈東永，龐寶君，劉 剛，劉 源

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京100094）

0 引言

日益惡化的空間碎片環(huán)境對航天器尤其是載人航天器的在軌安全構(gòu)成嚴重威脅[1]。利用空間碎片超高速撞擊感知系統(tǒng)，實時探測撞擊位置并識別撞擊損傷模式，可幫助航天員采取合理的應(yīng)急措施。目前，基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片超高速撞擊定位技術(shù)已取得了一定進展[2]，但對損傷模式仍不能有效識別。因此，本文針對載人密封艙壁損傷模式的識別技術(shù)開展研究。

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電薄膜不僅具有壓電及熱電效應(yīng)，當(dāng)受到超高速撞擊時還會發(fā)生去極化效應(yīng)，產(chǎn)生快速電荷脈沖信號（亞μs量級）。因此，可通過采集該信號去感知物體被高速撞擊事件[3]。此外，PVDF壓電薄膜具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，可適用于如 DUCMA、DFMI、SPADUS等多種微小空間碎片的探測[4-6]。中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心的曹光偉等人[7]利用PVDF的去極化效應(yīng)研制了微小空間碎片探測器。

本文利用 PVDF壓電薄膜的去極化效應(yīng)設(shè)計了一種針對密封艙壁穿孔損傷的實時監(jiān)測方案，開展了如下試驗研究工作：首先，利用PVDF探頭采集超高速撞擊的去極化信號并識別其頻率特征；其次，用扳手敲擊PVDF探頭及其支撐結(jié)構(gòu)，以模擬在軌運行階段可能遇到的碰撞干擾信號，測試并分析干擾信號的頻率特征；最后，比較這兩種信號時頻特征的差異，從而判斷撞擊損傷模式。

1 PVDF壓電薄膜的去極化效應(yīng)及其制作

1.1 去極化效應(yīng)

碎片云以極高速度撞擊并擊穿PVDF探頭，如圖1所示。探頭在被撞擊時會產(chǎn)生去極化效應(yīng)，形成的正負電荷分別聚集于其PVDF壓電薄膜正、反表面。利用信號采集設(shè)備采集正電荷信號。該信號是一個脈沖信號，其電荷量為

式中：D為PVDF薄膜的穿孔直徑；p為去極化強度。根據(jù)文獻[7]可知，p值范圍 4～6 μC/cm2。一般取中間值，即p＝5 μC/cm2，代入式(1)得

由式(2)可知，碎片撞擊 PVDF探頭產(chǎn)生的電荷量取決于穿孔直徑，也可理解為被去極化物質(zhì)的量。

圖1 高速粒子撞擊PVDF的示意圖Fig. 1 PVDF impacted by hypervelocity particles

1.2 PVDF探頭的制作

本文使用厚度為30 μm的PVDF薄膜，其表面鍍有鋁箔。在封裝之前，選取兩片薄銅片作為PVDF薄膜的電極；用膠將環(huán)氧樹脂薄膜粘貼在PVDF薄膜的外側(cè)，即將PVDF薄膜封裝在內(nèi)，起到絕緣和保護PVDF薄膜的作用。PVDF探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PVDF探頭的結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Structure of PVDF detector

2 PVDF探頭的撞擊試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗原理及工況設(shè)計

當(dāng)載人密封艙壁被空間碎片擊穿后，碎片云飛入艙內(nèi)，再撞擊布置在艙壁內(nèi)側(cè)的PVDF探頭并使其發(fā)生去極化效應(yīng)。若利用信號采集設(shè)備獲取到PVDF探頭去極化效應(yīng)脈沖信號，就可由此判定艙壁發(fā)生穿孔損傷。圖3所示是空間碎片撞擊帶有防護屏的載人密封艙壁和PVDF探頭的示意圖。

圖3 空間碎片撞擊帶有防護屏的載人密封艙和PVDF探頭的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the manned capsule with shield and PVDF detector impacted by space debris

在工程應(yīng)用中，PVDF探頭去極化效應(yīng)信號中可能摻雜有航天員活動干擾信號。因此，需要通過試驗識別出兩種信號的特征，以免引起誤判。為此，試驗設(shè)計了4種工況：單個彈丸超高速撞擊PVDF探頭；碎片云超高速撞擊 PVDF探頭；快速敲擊PVDF探頭；快速敲擊探頭的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 超高速撞擊試驗

空間碎片超高速撞擊艙壁穿孔，將形成不同形式的碎片云：1）碎片未破裂，穿孔后的產(chǎn)物由發(fā)生塑性變形的空間碎片、少量的防護屏和艙壁碎片組成；2）空間碎片未充分破裂，碎片云由少量較大尺寸彈丸碎片和防護屏、艙壁碎片組成；3）空間碎片充分破裂，碎片云由大量小碎片組成。本文利用二級輕氣炮分別進行了單個彈丸超高速撞擊PVDF探頭試驗和碎片云超高速撞擊PVDF探頭試驗。

試驗所用的PVDF探頭尺寸為50 mm×50 mm，并將探頭置于兩塊中空鋁合金平板中間，由螺栓夾緊固定，如圖4所示。使用鋁合金平板的目的主要是在超高速撞擊過程中形成碎片云。利用NI-5105高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取去極化效應(yīng)脈沖信號。試驗前，把PVDF探頭正電極直接接入NI-5105高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集卡輸入端，采集卡內(nèi)電阻設(shè)置為1 M?，采樣頻率為20 MHz。

圖4 撞擊試驗時PVDF探頭的固定示意圖Fig. 4 Installation and fixing of the PVDF sensor in the impacting test

共進行了4次單個彈丸撞擊試驗及1次碎片云撞擊試驗，試驗情況如圖5所示。碎片云撞擊試驗中，在PVDF探頭的前方100 mm處放置了一塊厚度為3 mm的5A06鋁合金平板；為了獲取彈丸撞擊鋁合金平板的時刻，又在平板正面粘貼了一個PVDF探頭。試驗參數(shù)及結(jié)果見表1。

圖5 PVDF探頭超高速撞擊試驗的撞擊情況Fig. 5 Impacting of PVDF detector by hypervelocity projectile

表1 PVDF探頭超高速撞擊試驗參數(shù)及結(jié)果Table 1 Parameters and results of PVDF sensor impacted by hypervelocity projectile and debris cloud

圖6 (a)為典型單個彈丸撞擊穿孔信號，其頭部具有陡峭的上升沿（上升時間μs級，如圖6 (b)所示），且該上升沿峰值為整個信號的最大強度值。對其頭部附近波形進行小波變換得到如圖 6(c)所示的小波譜圖，其中上升沿附近波形的快速起伏在小波譜圖中也得到體現(xiàn)，如圖中300 μs附近小波系數(shù)強度所示。

撞擊后形成的碎片云飛行100 mm距離后再撞擊PVDF探頭，因此碎片云撞擊信號（圖7(a)）具有一定的持續(xù)時間，且持續(xù)時間與碎片云形狀及飛行速度有關(guān)。針對本次碎片云撞擊試驗，兩個PVDF探頭所探測到的時間差為47.01 μs，碎片云持續(xù)撞擊時間為37.20 μs。進一步分析碎片云撞擊信號，求取該信號小波譜，如圖7(b)所示，可知碎片云撞擊信號頻率范圍主要處于1 MHz以下；但也包含了少量高頻成分（3～10 MHz），對應(yīng)于碎片云擊穿第2個探頭所形成的階躍信號。

圖6 單個彈丸超高速擊穿PVDF穿孔信號Fig. 6 Typical signal of single projectile hypervelocity impact on PVDF sensor

圖7 碎片云撞擊PVDF信號及小波譜Fig. 7 Signal and wavelet spectrum of PVDF sensor impacted by debris cloud

2.3 干擾信號測試試驗

利用扳手快速敲擊 PVDF探頭及其支撐結(jié)構(gòu)以模擬在軌運行期間可能的干擾信號，如圖 8所示。

圖8 干擾信號測試試驗Fig. 8 Testing of interference signal

圖9是敲擊PVDF探頭表面所產(chǎn)生的干擾信號，可見該信號具有較高強度但衰減緩慢（ms級），與超高速撞擊信號具有不同的頻域特征，容易區(qū)分。圖10為敲擊PVDF探頭的支撐結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的干擾信號及其頻譜，與圖9相比，該信號強度相對較弱，但衰減較快，其頻率成分主要在20 kHz以下，也與超高速撞擊信號具有明顯不同的頻域特征。

圖9 扳手敲擊PVDF表面的干擾信號Fig. 9 Interference signal generated from knocking the PVDF detector with spanner

圖10 扳手敲擊支撐結(jié)構(gòu)的干擾信號及其頻譜Fig. 10 Interference signal and its frequency spectra generated from knocking the support structure with spanner

3 結(jié)論

本文針對空間碎片撞擊載人航天器密封艙造成的損傷，利用PVDF探頭開展了在超高速撞擊和低速敲擊下信號頻率特性識別的模擬試驗研究。當(dāng)采樣頻率為20 MHz時，得到如下結(jié)論：

1）單個彈丸撞擊并穿透PVDF探頭所產(chǎn)生的信號具有一個陡峭上升沿，上升沿時間為亞μs量級；

2）碎片云撞擊PVDF探頭所產(chǎn)生的信號主要由1 MHz以下頻率的信號成分組成，但也包含有少量的3～10 MHz高頻成分；

3）敲擊PVDF探頭表面及其支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾信號的頻率在20 kHz以下。

由此可知，超高速撞擊所獲得的去極化效應(yīng)信號與敲擊所產(chǎn)生的干擾信號在頻率上有明顯的差異，可根據(jù)此差異對撞擊損傷模式作出判斷。

（References）

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