C/C熱防護(hù)結(jié)構(gòu)高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方法

鄭輝，邱雷，袁慎芳，楊曉飛，盧緒龍，薛兆鵬

南京航空航天大學(xué)，機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)測研究中心，南京 210016

高超聲速飛行器具有快速響應(yīng)、超強(qiáng)突防、靈活機(jī)動等特點(diǎn)是一種兼?zhèn)鋺?zhàn)略威懾和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用能力的先進(jìn)飛行器。當(dāng)前世界強(qiáng)國都在競相發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)，投入經(jīng)費(fèi)多達(dá)幾百億美元。中國也計(jì)劃將高超聲速飛行器科技工程列入到“十四五”國家發(fā)展規(guī)劃中。

高超聲速飛行器再入大氣過程最大飛行馬赫數(shù)可達(dá)20，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(Thermal Protection Structures，TPS)作為高超聲速飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因高速飛行引起的激波壓縮、黏性摩擦等作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面溫度急劇升高，機(jī)頭錐體、機(jī)翼前緣表面溫度達(dá)1 800～2 000 ℃，機(jī)身迎風(fēng)面的溫度也在1 200 ℃左右，最高持續(xù)時間約為25 min左右。長時間的高溫作用再加之飛行過程中面臨的沖擊、振動、強(qiáng)噪聲、強(qiáng)輻射等復(fù)雜服役條件，TPS容易出現(xiàn)燒蝕、裂紋、分層、凹陷等損傷，為其安全服役留下嚴(yán)重隱患。為保障高超聲速飛行器的安全服役，每次飛行完成后需對其進(jìn)行維修和檢測。這種方式所耗人力物力巨大，且不能實(shí)時監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，故亟需研究能夠在線實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法。

近年來，高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用與結(jié)構(gòu)集成的傳感器，在線獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信號，通過特定的信號處理和力學(xué)建模分析方法，提取與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)相關(guān)的信號特征，再利用損傷診斷方法實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)能夠在結(jié)構(gòu)服役過程中對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制，該技術(shù)對保障高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)的安全服役和高效運(yùn)維至關(guān)重要。在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法中，基于壓電傳感器(Piezoelectric Transducer，PZT)的導(dǎo)波損傷監(jiān)測方法具有監(jiān)測靈敏度高、監(jiān)測范圍大、既能在線應(yīng)用也可離線應(yīng)用等特點(diǎn)，是能夠直接監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷的一種重要方法。一些學(xué)者也基于該方法開展了高超聲速飛行器TPS健康監(jiān)測的研究：Chang和Yang基于導(dǎo)波方法對碳/碳(Carbon/Carbon，C/C)復(fù)合材料壁板在外部沖擊下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接松動和壁板損傷進(jìn)行監(jiān)測，探索了方法潛在應(yīng)用前景。Kundu等基于導(dǎo)波對一種耐火泡沫陶瓷材料多孔隔熱瓦的外部沖擊及其與基體鋁板結(jié)構(gòu)之間的脫粘進(jìn)行監(jiān)測；袁慎芳等通過多物理耦合建模仿真分析對C/C復(fù)合材料板中的導(dǎo)波傳播特性和損傷影響進(jìn)行了研究。劉科海等基于導(dǎo)波監(jiān)測方法，采用機(jī)械切削的方式對鋁/E51復(fù)合板模擬燒蝕過程進(jìn)行了研究。

目前高超聲速飛行器TPS健康監(jiān)測的研究尚處于探索階段，針對TPS損傷的直接監(jiān)測的相關(guān)研究較少。上述基于導(dǎo)波的研究中主要采用仿真和模擬損傷，缺乏對TPS模擬飛行環(huán)境受到高溫氣流產(chǎn)生真實(shí)損傷情況下的導(dǎo)波傳播特性和損傷對導(dǎo)波影響規(guī)律的系統(tǒng)性研究。

C/C復(fù)合材料因其強(qiáng)度高、密度低、耐受溫度高是目前高超聲速飛行器TPS中的一種重要材料。本文以C/C TPS為研究對象，提出采用壓電-導(dǎo)波監(jiān)測方法，基于氧-乙炔燒蝕方法模擬飛行環(huán)境高溫氣流，從而制造真實(shí)損傷進(jìn)行研究，主要工作包括：

1) 提出了氧-乙炔高溫氣流對TPS進(jìn)行燒蝕制造真實(shí)損傷的導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方法，建立了TPS氧-乙炔燒蝕損傷監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初步解決了結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面和內(nèi)表面的溫度測量、結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面損傷測量、導(dǎo)波信號獲取等基礎(chǔ)問題。

2) 開展了不同厚度TPS的氧-乙炔高溫氣流燒蝕損傷監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，獲取了結(jié)構(gòu)在燒蝕前、高溫氣流燒蝕過程中、燒蝕后的導(dǎo)波監(jiān)測信號，以及結(jié)構(gòu)溫度分布情況和損傷形貌等。

3) 從燒蝕前后導(dǎo)波信號和特征參數(shù)的對比以及損傷程度的表征等方面分析了TPS高溫氣流損傷下的導(dǎo)波傳播特性及損傷影響規(guī)律，驗(yàn)證了導(dǎo)波監(jiān)測方法對TPS損傷及其擴(kuò)展的監(jiān)測可行性。

1 TPS導(dǎo)波監(jiān)測方法

1.1 導(dǎo)波監(jiān)測原理

針對高超聲速飛行器的TPS迎風(fēng)面高溫氣流損傷，其導(dǎo)波監(jiān)測原理如圖1所示，將PZT與飛行器TPS的內(nèi)表面一體化集成，在TPS的內(nèi)表面利用PZT主動激發(fā)導(dǎo)波信號傳遞到迎風(fēng)面高溫區(qū)，通過布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成區(qū)域接收響應(yīng)信號。TPS迎風(fēng)面健康狀態(tài)下的響應(yīng)信號為基準(zhǔn)信號，導(dǎo)波信號在傳播過程中遇到TPS的迎風(fēng)面高溫氣流損傷后傳播特性會產(chǎn)生變化，這種損傷狀態(tài)下的響應(yīng)信號為監(jiān)測信號，通過對比分析基準(zhǔn)信號與監(jiān)測信號時域、頻域、時-頻域特征的變化，如信號的幅值、相位、能量等，來對TPS迎風(fēng)面高溫氣流損傷進(jìn)行評估。

圖1 TPS導(dǎo)波監(jiān)測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of guided wave monitoring principle of TPS

1.2 損傷因子

損傷因子(Damage Index，DI)是將損傷大小與導(dǎo)波監(jiān)測信號的某種特征關(guān)聯(lián)起來，定量地分析導(dǎo)波對損傷的響應(yīng)和監(jiān)測規(guī)律。受損傷影響的導(dǎo)波監(jiān)測信號會發(fā)生變化，主要為幅值、相位和頻譜等時、頻域特征的變化。因此本文從表征幅值變化和相位變化以及它們綜合變化3個方面考慮，選取以下3種損傷因子進(jìn)行研究，考察其對損傷的表征能力。

1) 頻譜幅度差損傷因子：

(1)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測的頻域信號;和分別為所截取信號頻譜的起始和終止頻率;該損傷因子主要反映信號幅值隨損傷大小的變化。

2) 互相關(guān)損傷因子：

(2)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測的時域信號;和分別為信號截取區(qū)間的左、右端點(diǎn)，該損傷因子主要反映信號相位隨損傷大小的變化。

3) 差分曲線能量損傷因子：

DI=

(3)

式中:()和()分別為基準(zhǔn)和監(jiān)測的時域信號;-1和為信號相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣時間。該損傷因子綜合反映信號整體隨損傷大小的變化。

2 C/C TPS損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)

TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)如圖2所示，包括實(shí)驗(yàn)對象、實(shí)驗(yàn)平臺集成、實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)及實(shí)施、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。設(shè)計(jì)了TPS高溫氣流施加方法和導(dǎo)波信號獲取方法，并將對應(yīng)的2套系統(tǒng)進(jìn)行集成，搭建了TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，采用接觸式和非接觸式的測量方法測量溫度和損傷。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過氧-乙炔高溫氣流燒蝕TPS并測量TPS迎風(fēng)面和內(nèi)表面溫度，燒蝕前后獲取導(dǎo)波信號及燒蝕損傷程度，最后通過導(dǎo)波信號進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)TPS狀態(tài)評估。

圖2 TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方法整體架構(gòu)Fig.2 Framework of guided wave monitoring experimental method for high temperature airflow damage of TPS

2.2 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象為2種不同厚度的典型C/C TPS，尺寸分別為250 mm× 250 mm× 8 mm、250 mm× 300 mm× 14 mm，如圖3所示，材料參數(shù)見表1。

圖3 C/C TPS實(shí)物圖及尺寸Fig.3 Diagram of C/C TPS

表1 C/C TPS典型參數(shù)Table 1 Typical parameters of C/C TPS

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺集成

實(shí)驗(yàn)平臺集成包括高溫氣流施加方法及系統(tǒng)，導(dǎo)波信號獲取方法及系統(tǒng)，溫度及損傷測量方法。

1)高溫氣流施加方法及系統(tǒng)：TPS的高溫氣流施加方法采用GJB 323B—2018《燒蝕材料燒蝕試驗(yàn)方法》規(guī)定的氧-乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)方法。氧-乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)平臺如圖4所示，整個實(shí)驗(yàn)平臺包括試件夾具、燒蝕槍、燒蝕控制臺組成，其中TPS由夾具進(jìn)行裝夾，燒蝕槍負(fù)責(zé)噴射高溫火焰燒蝕TPS，燒蝕控制臺主要控制燒蝕槍的燒蝕時間、燃料配比及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。為使TPS充分燃燒，選擇其迎風(fēng)面中心點(diǎn)處為燒蝕位置，如圖5(a)所示。

2) 導(dǎo)波信號獲取方法及系統(tǒng)：在傳感器方面，由于高溫氣流燒蝕過程中，TPS處于高溫狀態(tài)，所以壓電傳感器采用高溫傳感器，傳感器與結(jié)構(gòu)的耦合采用高溫粘結(jié)劑，其引線采用高溫引線及高溫焊接方法與傳感器連通，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波激勵、響應(yīng)和信號傳輸。研究中，TPS監(jiān)測區(qū)域面積設(shè)計(jì)為200 mm×200 mm，在監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)布置了8個壓電傳感器，如圖5(b)所示。傳感器編號分別為1～8號，共設(shè)計(jì)了28個導(dǎo)波激勵-傳感通道，如圖6(a)所示。在監(jiān)測系統(tǒng)方面，采用南京航空航天大學(xué)自主研制的集成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱：導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng))，如圖4所示。該系統(tǒng)在同一個時刻，控制8個傳感器中的其中2個傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵信號施加和響應(yīng)信號獲取，通過對8個傳感器組成的28個導(dǎo)波激勵-傳感網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行掃查，獲取覆蓋整個結(jié)構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的導(dǎo)波信號。

圖4 TPS高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺Fig.4 Guided wave monitoring experimental platform for high temperature airflow damage of TPS

3) 溫度及損傷測量方法：在溫度測量方面，為了研究TPS上典型位置溫度情況，選擇在壓電傳感器位置、TPS內(nèi)表面中心點(diǎn)位置、迎風(fēng)面邊緣處共布置了12個熱電偶傳感器，并依次編號為1～12，如圖5(b)和圖6(b)所示。TPS迎風(fēng)面中心位置在燒蝕過程中處于超高溫狀態(tài)，因此采用非接觸的紅外測溫儀(CIT-1MD，量程600～3 000 ℃)進(jìn)行溫度測量。在損傷測量方面，采用顯微放大系統(tǒng)(WSUSB401，放大倍數(shù)5～200倍)觀察燒蝕后產(chǎn)生的損傷形貌，并通過千分尺(AH37，精度±0.007 mm)測量TPS迎風(fēng)面燒蝕位置中心點(diǎn)的損傷深度。

圖5 TPS及傳感器布置實(shí)物Fig.5 Diagram of TPS and sensor layout

圖6 TPS傳感器布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of PZT and temperature sensor layout on TPS

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

在對TPS施加高溫氣流燒蝕前，導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)獲取TPS處于健康狀態(tài)下的基準(zhǔn)信號，用表示，并測量TPS表面初始溫度和燒蝕位置的初始深度。然后對TPS施加高溫氣流燒蝕。一次完整的燒蝕過程包括點(diǎn)火、燒蝕、關(guān)火3部分，如圖7所示，燒蝕持續(xù)時間設(shè)置為20 s。

圖7 TPS氧-乙炔高溫氣流燒蝕過程Fig.7 Ablation process of TPS by high-temperature airflow of oxygen-acetylene

針對每次燒蝕，實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如下：燒蝕槍點(diǎn)火，調(diào)整控制臺燒蝕熱流密度為3 700 kW/m；轉(zhuǎn)動燒蝕槍對TPS施加高溫氣流，在TPS燒蝕過程中測量溫度；燒蝕槍關(guān)火后，待TPS整體溫度降低到初始溫度點(diǎn)附近時，進(jìn)行導(dǎo)波信號獲取，并測量燒蝕位置中心點(diǎn)處損傷深度。研究中共計(jì)對TPS施加了11次燒蝕，每次燒蝕后獲取的導(dǎo)波信號用表示，其中=1,2,…,11。

上述實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置為：激勵信號波形為正弦調(diào)制5波峰，激勵信號中心頻率從50 kHz到300 kHz掃頻，頻率間隔10 kHz，激勵信號幅值為±70 V；導(dǎo)波響應(yīng)信號采樣率為10 MSamples/s，采樣長度為5 000個數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用預(yù)觸發(fā)采集模式，觸發(fā)長度500個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

燒蝕過程中，觀測到TPS迎風(fēng)面燒蝕區(qū)域的溫度平均值約為1 800 ℃。對8 mm和14 mm2種 TPS統(tǒng)計(jì)了燒蝕過程中內(nèi)表面溫度變化，其中14 mm TPS的典型結(jié)果如圖8所示，其內(nèi)表面中心點(diǎn)處最高溫度超過500 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近90 ℃。8 mm TPS的內(nèi)表面中心點(diǎn)處最高溫度超過1 000 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近110 ℃。TPS燒蝕位置隨著燒蝕程度的增加，損傷形貌由點(diǎn)狀小坑逐漸轉(zhuǎn)變成凹坑，類似蜂窩形狀，如圖9所示。TPS燒蝕損傷深度測量結(jié)果如圖10所示，隨著燒蝕次數(shù)的增加，損傷深度呈現(xiàn)線性增加的趨勢，損傷擴(kuò)展速率約為0.007 mm/s。

圖8 14 mm TPS燒蝕過程中內(nèi)表面?zhèn)鞲衅鳒囟茸兓疐ig.8 Temperature variation during ablation process of 14 mm TPS

圖9 14 mm TPS典型燒蝕損傷及深度Fig.9 Typical ablation damage and its depth of 14 mm TPS

圖10 14 mm TPS燒蝕深度與燒蝕次數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between ablation depth and ablation times of 14 mm TPS

3 C/C TPS導(dǎo)波傳播特性及損傷影響分析

3.1 C/C TPS的導(dǎo)波傳播特性

實(shí)驗(yàn)過程中，對8 mm及14 mm TPS的導(dǎo)波監(jiān)測信號均進(jìn)行了分析，2種TPS的導(dǎo)波傳播特性規(guī)律基本一致，所以以下均以14 mm TPS的導(dǎo)波信號為例給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖11給出了TPS未燒蝕時，激勵-傳感通道4-5獲取的50～300 kHz全頻率信號瀑布圖。從圖中可以看出，在TPS上導(dǎo)波能夠被正常的激勵和響應(yīng)，但由于結(jié)構(gòu)尺寸有限，信號中存在大量邊界反射，導(dǎo)致信號混疊嚴(yán)重，所以在下面的分析中，主要考慮信號的直達(dá)波段，如圖12所示。

圖11 14 mm TPS 4-5通道50～300 kHz 導(dǎo)波信號瀑布圖Fig.11 Waterfall plot of guided wave signals at 50-300 kHz of channel 4-5 of 14 mm TPS

圖12 14 mm TPS 激勵-傳感通道4-5中心頻率80 kHz的典型導(dǎo)波信號Fig.12 A typical guided wave signal with a center frequency of 80 kHz obtained by channel 4-5 of 14 mm TPS

以下采用直接經(jīng)過燒蝕損傷的激勵-傳感通道4-5、2-7、1-8、3-6獲取的信號進(jìn)行分析，主要包括信號幅值和群速度受燒蝕損傷的影響情況。信號的中心頻率為80 kHz。圖13(a)、圖13(c)、圖13(e)和圖13(g)給出了上述通道獲取的基準(zhǔn)信號，以及第4次、第8次和第11次燒蝕后獲取的監(jiān)測信號，可以看出TPS燒蝕后導(dǎo)波信號發(fā)生了明顯變化。從圖13(b)、圖13(d)、圖13(f)和圖13(h)給出的基準(zhǔn)信號和監(jiān)測信號之間的差信號可以觀察到，隨著燒蝕損傷程度的增加，差信號幅值增大，表明信號的變化程度增大。

為了定量化觀察燒蝕損傷的影響，統(tǒng)計(jì)了信號直達(dá)波幅值和波速的變化規(guī)律，結(jié)果如表2和表3所示。從表2可以看出，隨著燒蝕損傷程度的增加，直達(dá)波幅值逐漸增大，傳播速度呈現(xiàn)逐漸變快的趨勢。從表3可以得到，隨著燒蝕損傷程度的增加，相對于基準(zhǔn)信號的幅值，差信號幅值的變化程度增加。同時表3還計(jì)算了差信號相對基準(zhǔn)信號的變化情況，可以看出TPS燒蝕后差信號直達(dá)波幅值平均達(dá)到基準(zhǔn)信號直達(dá)波幅值的16%以上，在累計(jì)燒蝕11次后，燒蝕損傷深度1.645 mm 時達(dá)到了54%。上述結(jié)果表明導(dǎo)波對TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行損傷監(jiān)測，并且通過在TPS內(nèi)表面集成傳感器監(jiān)測TPS迎風(fēng)面損傷是可行的。

表2 TPS燒蝕前后的導(dǎo)波信號直達(dá)波幅值、波速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of direct wave amplitude and wave velocity of guided wave signals before and after ablation of TPS

表3 TPS燒蝕前后的導(dǎo)波差信號幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of amplitude of guided wave difference signals before and after ablation of TPS

3.2 C/C TPS的導(dǎo)波損傷表征

基于式(1)～式(3)給出的損傷因子計(jì)算方法得到了11次燒蝕狀態(tài)下中心頻率為80 kHz的導(dǎo)波監(jiān)測信號損傷因子，如圖14和圖15所示。監(jiān)測通道考慮直過損傷的激勵-傳感通道1-8、2-7、3-6、4-5和非直接過損傷激勵-傳感通道1-2、1-3、1-4、1-6這2種情況。可以看出隨著TPS燒蝕程度的增加，直過損傷通道3種損傷因子均增大，非直過損傷通道的損傷因子也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但其損傷因子變化程度小于直過損傷通道的損傷因子變化程度。

圖14 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.14 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖15 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.15 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

為了對比不同頻率信號的監(jiān)測結(jié)果，計(jì)算了上述通道的中心頻率為130 kHz的導(dǎo)波監(jiān)測信號損傷因子，如圖16和圖17所示。通過對比可以看出，隨燒蝕損傷程度的增加，高頻信號損傷因子的變化相比于低頻信號損傷因子的變化更明顯，表明高頻導(dǎo)波信號可能對TPS燒蝕損傷的敏感程度更高。

圖16 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.16 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖17 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計(jì)算結(jié)果Fig.17 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

上述結(jié)果表明了采用導(dǎo)波損傷因子對TPS的高溫氣流損傷及其擴(kuò)展程度進(jìn)行表征是可行的。

4 結(jié) 論

針對高超聲速飛行器C/C TPS，提出了一種C/C TPS損傷導(dǎo)波監(jiān)測的氧-乙炔高溫氣流燒蝕實(shí)驗(yàn)方法，初步形成了高溫氣流真實(shí)損傷施加、導(dǎo)波獲取、溫度和損傷測量等問題的解決方案。通過導(dǎo)波監(jiān)測氧-乙炔燒蝕的C/C TPS真實(shí)損傷，獲得典型導(dǎo)波監(jiān)測信號并進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

1) 高溫氣流燒蝕過程中，8 mm和14 mm TPS 正面溫度均達(dá)到1 800 ℃，傳感器附近的最高溫度分別達(dá)到了約90 ℃和110 ℃。燒蝕過程中損傷隨燒蝕時間的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，損傷擴(kuò)展速率均為0.007 mm/s。TPS損傷形貌隨著燒蝕程度的增加由一個點(diǎn)狀小坑逐漸轉(zhuǎn)變成一個凹坑。

2) 隨著TPS燒蝕損傷程度的增加，直達(dá)波幅值逐漸增大，波速呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，差信號幅值相對于基準(zhǔn)信號的幅值的相對變化程度增加，平均達(dá)到16%以上。表明導(dǎo)波對TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠?qū)ζ溆L(fēng)面損傷進(jìn)行監(jiān)測。

3) 隨損傷程度增加，導(dǎo)波多種損傷因子均具有增大的趨勢，且高頻下變化更明顯，表明損傷因子方法能夠表征TPS的損傷嚴(yán)重程度和擴(kuò)展趨勢。

未來將基于上述實(shí)驗(yàn)方法及平臺，深入研究基于導(dǎo)波的TPS損傷監(jiān)測方法，包括損傷定位方法和損傷程度的定量化方法等。此外，也將考慮通過燃?xì)獍l(fā)動機(jī)尾流燒蝕實(shí)驗(yàn)來更加逼近TPS實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及損傷發(fā)生條件，建立發(fā)動機(jī)尾流燒蝕導(dǎo)波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺及方法，為高超聲速飛行器TPS的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究提供支持。