固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術研究綜述?

（海軍航空大學岸防兵學院 煙臺 264001）

1 引言

近年來伴隨新式艦艇不斷服役，以往采用的傾斜式發(fā)射系統(tǒng)由于發(fā)射效率低與通用性差等缺點逐步被垂直發(fā)射系統(tǒng)取代。在全壽命周期中，立貯式固體發(fā)動機受不同環(huán)境載荷影響會發(fā)生老化現(xiàn)象引起性能下降，影響其作戰(zhàn)使用［1～4］。如何及時可靠地掌握立貯式固體發(fā)動機壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)，有著相當重要的軍事與經(jīng)濟意義，也是當前固體發(fā)動機領域國內(nèi)外研究的熱點課題。

2 固體發(fā)動機健康監(jiān)檢測主要方法

2.1 傳統(tǒng)健康監(jiān)檢測方法

針對固體發(fā)動機健康狀態(tài)的監(jiān)檢測，目前典型的做法是采用傳統(tǒng)的無損檢測技術如工業(yè)CT探傷、超聲波檢測法、射線照相、紅外法等對發(fā)動機進行定期抽樣檢測，基于脫粘、藥柱變形、孔洞等缺陷對發(fā)動機的健康狀態(tài)做出定性判斷［5～7］。

這種監(jiān)檢測方法的缺點在于：

1）無法實現(xiàn)發(fā)動機健康狀態(tài)的定量判斷，檢測可靠性較差。通過工業(yè)CT等無損檢測技術可定性判斷發(fā)動機界面是否脫粘，但對于未脫粘界面無法確定其損傷狀況及剩余壽命。當前無損檢測技術通常是根據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的脫粘等缺陷，由檢測者依據(jù)歷史經(jīng)驗定性判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，可靠性和可信度值得商榷。

2）不具備全彈全周期監(jiān)檢測能力。傳統(tǒng)無損檢測技術采用抽樣檢測方式，無法實現(xiàn)發(fā)動機的全覆蓋檢測。大量研究工作表明，由于每臺發(fā)動機載荷歷程不同，即使是同一批次發(fā)動機，健康狀況也有較大差異。同時，為了更加準確地判斷發(fā)動機健康狀態(tài)和對發(fā)動機壽命做出預估，有必要掌握單臺發(fā)動機整個服役周期的特性變化史，而目前的無損檢測技術采用階段性定期監(jiān)檢測模式，不具備這種能力。

3）不具備現(xiàn)場實時監(jiān)檢測能力?；诂F(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，越來越要求固體發(fā)動機具備長期戰(zhàn)備值班能力，在長期值班特別是艦載巡航過程中，必須能夠?qū)崟r掌握固體發(fā)動機健康狀態(tài)，而常用的工業(yè)CT探傷方式需要將發(fā)動機從導彈上拆卸下來，運入工業(yè)CT實驗室進行檢測，顯然不具備現(xiàn)場實時監(jiān)檢測能力。

2.2 結構健康實時監(jiān)檢測技術

結構健康實時監(jiān)檢測技術是近年發(fā)展起來的新興技術，可以實現(xiàn)結構健康狀態(tài)的在線實時監(jiān)檢測。它采用內(nèi)嵌式或表貼式傳感器作為探測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測結構內(nèi)部的損傷與狀態(tài)變化，并利用探測到的響應，同時結合被測主體結構以及探測系統(tǒng)的特性來判定結構損傷的嚴重程度以及結構主體安全性與剩余壽命，有效避免了結構主體的突然失效引起的重大傷害［8］。

相比傳統(tǒng)健康監(jiān)檢測方法，結構健康實時監(jiān)檢測技術的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)被測結構現(xiàn)場監(jiān)檢測及安全性評估，技術應用過程簡單；可以實現(xiàn)健康狀態(tài)的實時定量分析與判斷，監(jiān)檢測可靠性與實時性高；監(jiān)檢測系統(tǒng)維護方便，且避免了被測結構在應用地點與檢測室之間的往返運輸及拆裝，有效降低了監(jiān)檢測成本，提高了監(jiān)檢測效率［9］。作為該技術在固體發(fā)動機上的具體應用，立貯式固體發(fā)動機界面應力監(jiān)檢測技術主要是通過定期采集多種監(jiān)檢測傳感器的測量數(shù)據(jù)來分析發(fā)動機不同壽命歷程下界面的特性數(shù)據(jù)變化情況，確定固體發(fā)動機的界面健康狀態(tài)。

結構健康實時監(jiān)檢測技術研究內(nèi)容主要包括傳感技術、集成技術以及信號的采集與處理技術［10］。傳感技術是結構健康實時監(jiān)檢測技術研究的基礎，其監(jiān)測參數(shù)類型、監(jiān)檢測精度和穩(wěn)定性等直接關系到結構實時健康監(jiān)檢測技術應用有效性。將多種監(jiān)檢測傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和處理模塊等集成入主體結構會影響主體結構以及傳感器自身性能，必須最大限度實現(xiàn)傳感器和采集設備等硬件的集成化和小型化。對特征信號的采集與處理決定了結構實時監(jiān)檢測技術的可靠性，要想該技術在固體發(fā)動機上得到實際應用，信號的采集與處理技術必須實現(xiàn)突破。

3 固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

結構健康實時監(jiān)檢測技術最早主要應用于橋梁等大型結構上，20世紀后期，許多大型橋梁結構開始采用健康實時監(jiān)檢測系統(tǒng)監(jiān)測橋梁的健康狀況［11］。鑒于傳統(tǒng)固體發(fā)動機健康監(jiān)檢測技術的缺點與新型結構健康實時監(jiān)檢測技術的獨特優(yōu)勢，20世紀末開始很多國家都開始了固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的研究［12～14］。美國“壽命預估技術計劃（1988-1995）”首次提出了開展固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術研究［15］。美國國防部下屬的實驗室同步啟動了多項新研究計劃，以研究應用內(nèi)嵌式傳感器監(jiān)測發(fā)動機老化參數(shù)的可行性［16～18］。2003年，在美國倡議下，多國共同成立了“彈藥實時監(jiān)檢測技術聯(lián)合研究所”，研究新的監(jiān)檢測技術，該機構目前已在實驗室范圍內(nèi)先后針對傳感監(jiān)檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸技術、壽命評估技術等領域進行了比較成熟的研究，預計今后10年左右將可應用于實裝發(fā)動機的監(jiān)檢測［19］。2004年以后，由于大型固體發(fā)動機傳統(tǒng)監(jiān)檢測方法成本昂貴及現(xiàn)場評估發(fā)動機完整性的迫切需要，發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術越來越受到重視，國際固體發(fā)動機行業(yè)近年來不斷增加健康實時監(jiān)檢測技術方面的投資，澳大利亞、英國和荷蘭等國家相繼開展了類似研究［20～24］。2010年，在“導彈健康監(jiān)測和壽命預估項目進展”大會上，美國、法國等近十個國家共同梳理了固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的成果和未來發(fā)展［25］。

在監(jiān)檢測傳感器研制方面，針對壽命預估技術要求，主要對固體發(fā)動機的應力、應變、溫度、濕度、沖擊和氣氛變化等特性監(jiān)檢測傳感器進行了研究，其中力學特性監(jiān)檢測傳感器技術最為成熟。美國在該領域研究主要圍繞DBST雙模傳感器進行，其穩(wěn)定性和測試精度均達到了可接受的范圍［26～27］。最近美國又針對DBST傳感器做了進一步的改進，研制成功了如圖1～4所示內(nèi)嵌式無線傳感器［28～29］。其無線功能的實現(xiàn)消除了布線對發(fā)動機結構完整性的影響，但同樣帶來了靜電屏蔽問題，導致其應用限制性較大。美國最新研究計劃是開發(fā)多特性無線監(jiān)檢測傳感器，著力解決傳感器抗靜電屏蔽性差的問題，同時實現(xiàn)溫度、濕度、應力、應變和氣氛等多種物理和化學特性的集成監(jiān)檢測，且準確性更好，靈敏度更高，使用壽命更長［30］。西方其他國家方面，英國研制了陶瓷厚膜應力傳感器，該傳感器測量精度和使用壽命甚至好于DBST傳感器，但由于加工工藝問題，嚴重增加了傳感器制造成本，影響了應用普及性［31］。荷蘭研制了界面粘接應力傳感器，可實現(xiàn)正應力測量［32］。加拿大先后研制了溫度傳感器和加速度傳感器等多種特性傳感器［33］。德國和荷蘭開展了“發(fā)動機界面多應力傳感器網(wǎng)絡監(jiān)視”研究，通過提取分析傳感器網(wǎng)絡的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行了發(fā)動機的壽命預估［34］?；瘜W傳感器方面，荷蘭研制了聚合物光纖氧傳感器，可以通過發(fā)動機推進劑化學成分的變化判斷其化學老化情況［35］。

在監(jiān)檢測技術應用的有效性研究方面，Jim Buswell［36］等用粘接應力傳感器監(jiān)檢測系統(tǒng)監(jiān)測了多臺導彈助推器的應力特性數(shù)據(jù)，對該型傳感器的監(jiān)檢測準確性進行了研究，結果較為理想。Ger?hard Reeling Brouwer［37］設計生產(chǎn)了裝有監(jiān)檢測系統(tǒng)的固體發(fā)動機，通過地面熱試車試驗研究了發(fā)動機工作過程中內(nèi)嵌式傳感器的應用可行性。Chelner H［38］等對應用內(nèi)嵌式傳感器進行藥柱特性監(jiān)測開展了研究工作，得到了發(fā)動機不同壽命歷程中的特性數(shù)據(jù)。Ihn J［39］和 Anhduong Q［40］等開展了裂紋的監(jiān)檢測研究，將應力傳感器沿圓周均勻布置在發(fā)動機殼體內(nèi)表面，研究固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測系統(tǒng)對裂紋的監(jiān)檢測能力，得到了裂紋深度和傳感器數(shù)據(jù)之間的定量關系。Gunter Mubbach［41］等在多個小型固體火箭發(fā)動機中埋入應力傳感器測試發(fā)動機老化和熱循環(huán)載荷下的應力值，并對測量結果進行了討論。

綜上可知，在傳感器研制技術方面，國外主要圍繞小型化、無線化和測量參數(shù)多樣化開展了相關研究，并且對傳感器長期工作的穩(wěn)定性方面也較為重視，在監(jiān)檢測系統(tǒng)設計及監(jiān)檢測技術應用方面，相關工作則主要針對傳感器的布置方式、監(jiān)檢測數(shù)據(jù)傳輸與處理方法及不同載荷環(huán)境下的監(jiān)檢測可靠性等關鍵領域。目前為止，美國等國家也只是在模擬發(fā)動機上搭建了健康實時監(jiān)檢測系統(tǒng)開展相關研究，尚未應用于實裝發(fā)動機。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國外早在20世紀就已經(jīng)開展相關研究相比，國內(nèi)起步較晚，2008年，邢耀國［42］等對結構健康實時監(jiān)檢測技術在固體火箭發(fā)動機上的應用進行了綜述和展望，標志著我國固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的研究正式開始。2010年，李瑛［［43］對應用傳感器進行的固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術進行了說明，并列舉了國外的幾種傳感器類型，進一步探討了健康實時監(jiān)檢測技術在固體發(fā)動機中的應用。

在監(jiān)檢測傳感器研制方面，早期的研究主要集中在理論層面，對于嵌入式微型應力傳感器高精度的要求，李立杰［44］、余兆國［45］等研究得出相比圓形膜片，采用矩形膜片的微型傳感器測量精度更高。對于嵌入式微型傳感器低能耗的要求，褚金奎［46］、張曉惠［47］等對壓電微能源進行了深入研究，該能源具有長壽命、高能量密度、與MEMS工藝兼容性好等優(yōu)點。對于嵌入式微型剪切模量傳感器的要求，雷強［48］對MEMS壁面剪切應力傳感器的測量原理、優(yōu)缺點進行了分析，并預估了MEMS剪切應力傳感器未來的發(fā)展方向。

直到2015年，國內(nèi)才研制出了可內(nèi)嵌于固體發(fā)動機的界面應力-溫度傳感器，但其存在著結構尺寸過大（Φ15mm×3mm）、數(shù)據(jù)可靠性差、引線脆弱易斷、使用壽命短（設計指標為6個月）等缺點，很難應用于實際發(fā)動機監(jiān)檢測技術［49～50］。幾乎相同時期任海峰［51］、高鳴［52］等研制了粘接應力傳感器，同樣存在使用壽命短、抗過載能力差的缺點，并且零點漂移較嚴重。在健康實時監(jiān)檢測系統(tǒng)及監(jiān)檢測技術應用的有效性研究方面，徐廷學［53］等提出通過有限元模型的模態(tài)分析和應變分析完成傳感器的位置初選，然后根據(jù)遺傳算法進行布局優(yōu)化，仿真結果表明該方法可以有效地解決傳感器優(yōu)化布置問題。趙汝巖［54］等建立了基于證據(jù)推理算法的評估模型，在評價過程中引入時間校正，使用ER算法通過三角形模糊數(shù)計算隸屬度，實現(xiàn)固體發(fā)動機監(jiān)檢測數(shù)據(jù)的實時處理，結果表明該模型可以正確處理監(jiān)測數(shù)據(jù)中的模糊信息，從而實現(xiàn)對發(fā)動機健康狀態(tài)的實時準確診斷。

3.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀評述

對固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的研究，我國與國外差距明顯。通過對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行梳理可以看出，國外已經(jīng)具備了溫度、濕度、氣氛、應力、應變等多種類型監(jiān)檢測傳感器的研制技術，且監(jiān)檢測傳感器在發(fā)動機中的有效埋置壽命長達四年以上，美國更是實現(xiàn)了無線傳感器的研制技術。由于我國的傳感器技術和生產(chǎn)工藝技術的不足，使得傳感器研究和生產(chǎn)遠遠落后于美國，進而影響了我國對固體火箭發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的研究。目前國內(nèi)只研制出可用于界面正應力和溫度測量的相關傳感器，且其應用效果并不理想，而剪切應力監(jiān)檢測傳感器、化學特性監(jiān)檢測傳感器等研究在我國還處于空白階段，這些都影響了固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的發(fā)展。對于監(jiān)檢測系統(tǒng)的研究，國內(nèi)雖然開展過相關工作，但由于發(fā)動機埋置空間限制，均選擇了只把監(jiān)檢測傳感器內(nèi)置，其余能量供應裝置與數(shù)據(jù)傳輸模塊通過布線外接的布置方式，不僅破壞發(fā)動機結構完整性，過多的外接布線對開展監(jiān)檢測工作也造成巨大安全隱患，監(jiān)檢測技術走向?qū)嶋H應用的可操作性不強。同時，由于現(xiàn)有健康實時監(jiān)檢測技術只能實現(xiàn)發(fā)動機界面正應力和溫度數(shù)據(jù)的測量，健康監(jiān)檢測結果可靠性較差。

4 結語

通過以上分析認為有必要進一步研究固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術，提高不同載荷環(huán)境下的監(jiān)檢測能力和有效性，實現(xiàn)對不同壽命歷程下發(fā)動機健康狀態(tài)的準確評估。

本文認為該領域未來的發(fā)展趨勢有以下幾點：

1）多特性監(jiān)檢測傳感器研制技術。為得到發(fā)動機更準確全面的特性數(shù)據(jù)，必須具備能夠監(jiān)測正應力、剪切應力、應變等多種特性的監(jiān)檢測傳感器研制技術；同時需要體積更小、壽命更長、穩(wěn)定性更好的微型內(nèi)嵌式傳感器，并提高內(nèi)嵌式傳感器的埋置成活率及測試精度。

2）數(shù)據(jù)無線傳輸技術。隨著固體發(fā)動機健康實時監(jiān)檢測技術的發(fā)展，其能夠監(jiān)測的特性數(shù)據(jù)將越來越多，復雜的線路布置嚴重影響其實際應用效果，數(shù)據(jù)無線傳輸技術應該是今后的重點研究方向。

3）監(jiān)檢測傳感器的布局設計。應對監(jiān)檢測傳感器的埋置方法與布置方案進行研究，確保監(jiān)檢測數(shù)據(jù)能夠準確表征發(fā)動機的健康狀態(tài)。

4）監(jiān)檢測型固體發(fā)動機的研制技術。應針對監(jiān)檢測系統(tǒng)與固體發(fā)動機的相容性及裝有健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)檢測型固體發(fā)動機的設計與生產(chǎn)方法進行研究，實現(xiàn)監(jiān)檢測型固體發(fā)動機的研制。

5）不同載荷環(huán)境的監(jiān)檢測技術應用有效性研究。我國現(xiàn)有技術只實現(xiàn)了溫度和正應力變化的實時監(jiān)檢測，且可靠性較差，未來的監(jiān)檢測技術應具備發(fā)動機全載荷環(huán)境下健康狀態(tài)的現(xiàn)場實時監(jiān)檢測能力。