剛性隔熱瓦熱防護結(jié)構(gòu)無損檢測方法概述

宋俊柏 吳振強 侯傳濤 任方 王龍

（北京強度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100076）

0 引言

隨著全世界航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，可重復(fù)使用飛行器逐漸引起廣泛關(guān)注，成為主流發(fā)展方向。飛行器表面熱防護系統(tǒng)的研究設(shè)計和檢測維護成為可重復(fù)使用飛行器發(fā)展的核心技術(shù)。由于整個飛行過程中環(huán)境條件非?？量蹋w行器在服役期間需多次、長時間在大氣層中作返回飛行，在此過程中飛行器表面會承受嚴(yán)酷的溫度載荷。為保護飛行器的主體構(gòu)造和內(nèi)部飛行人員的安全，通常會將防熱材料粘合到航天器的表面，以降低傳遞到飛行器機身的熱量，從而達到隔熱的效果。

在防熱材料粘接過程中，由于粘接工藝不足及粘接劑涂抹不均等原因，極易在粘接層中留有微小孔洞、局部粘接不良等無法規(guī)避的缺陷；此外，飛行器在高速飛行過程中，可能受到空氣中的雜質(zhì)或空間中的碎片撞擊，破壞飛行器表面熱防護結(jié)構(gòu)。在飛行器服役過程中若熱防護結(jié)構(gòu)受損，會嚴(yán)重降低熱防護結(jié)構(gòu)的防熱性以及結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，造成安全隱患，降低飛行器的安全性、可靠性。因此，研究針對熱防護結(jié)構(gòu)的無損檢測方法是十分重要的。

針對飛行器上使用最廣泛的隔熱瓦（圖1）、應(yīng)變隔離墊通過粘接層連接的結(jié)構(gòu)，本文綜述了適用于此類防熱結(jié)構(gòu)的無損檢測方法，對比分析了這些無損檢測方法的優(yōu)劣。對國內(nèi)發(fā)展可重復(fù)使用飛行器，研究可重復(fù)使用防熱技術(shù)及飛行器維護具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 隔熱瓦結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the thermal protection system

1 隔熱瓦材料內(nèi)部缺陷的無損檢測

隔熱瓦材料具有疏松、多孔的特點，在可重復(fù)使用飛行器服役期間，若受到空氣中的冰塊、雨滴，甚至是從飛行器自身脫落的部件等的撞擊，會使隔熱瓦材料表面及內(nèi)部留下?lián)p傷，嚴(yán)重影響飛行器飛行安全。為了減小此類損傷的影響，在可重復(fù)使用飛行器服役間隔期間，需要對隔熱瓦材料內(nèi)部損傷進行檢測，檢測手段有太赫茲、熱成像、渦流檢測、CT成像等。

1.1 太赫茲

太赫茲（terahertz，THz）波，是頻率在0.1 THz ～10THz（1THz=1012Hz，對應(yīng)波長范圍為30μm ～3000μm，也有學(xué)者表述為0.3THz～3THz頻率段）范圍內(nèi)的電磁波，在電磁波譜中位于微波與紅外線之間，一般也被稱為遠紅外線或亞毫米波。太赫茲波對大部分非金屬、非極性材料（如陶瓷、泡沫、涂料、樹脂、玻璃、橡膠和復(fù)合物等）有較好的穿透能力。利用太赫茲波的這種特性，將太赫茲波穿過或經(jīng)材料反射，并將這些太赫茲波接收并處理，就可以通過太赫茲波對材料中的缺陷進行檢測。太赫茲檢測原理是將太赫茲輻射照射被測物體，經(jīng)物體反射或穿過物體后再由接收探頭接收；利用物體中的空隙或者物體的介電分布特性對太赫茲信號的影響，分析太赫茲信號的前后差異從而獲得物體的缺陷信息。根據(jù)檢測發(fā)出的太赫茲波性質(zhì)可以分為連續(xù)波太赫茲技術(shù)和脈沖太赫茲技術(shù)。圖2是典型脈沖太赫茲成像檢測系統(tǒng)的示意圖。

圖2 太赫茲檢測成像系統(tǒng)示意圖Fig.2 Terahertz detection imaging system diagram

相比于其他無損檢測技術(shù)，太赫茲技術(shù)在檢測非金屬材料內(nèi)部缺陷方面具有優(yōu)勢。太赫茲波可以穿過材料，針對陶瓷材料的檢測深度可達80mm～100mm。和X射線相比，太赫茲對人體沒有輻射危害。與超聲波相比，太赫茲檢測無需接觸物體，而且太赫茲檢測無需擔(dān)心因聲波衰減導(dǎo)致穿透性降低。對于絕熱材料等熱成像難以檢測的材料而言，太赫茲的檢測效果良好。

太赫茲檢測和微波檢測都使用電磁波為介質(zhì)，有許多共同之處，比如能夠穿透非金屬材料、會被金屬材料反射等。但二者之間也有區(qū)別，首先，太赫茲波頻率更高，因此其理論分辨率更高(分辨率高10～50倍)，能夠檢測到的最小缺陷也比微波技術(shù)?。鎯?nèi)采樣精度可達1mm，一般可探測4mm直徑的孔缺陷或2mm寬的裂紋缺陷）；第二，脈沖太赫茲的頻帶更寬，可以有效減少微波連續(xù)波存在的駐波圖和距離模糊，為后續(xù)的信號處理留有更大的應(yīng)用空間。

由于太赫茲技術(shù)在檢驗多孔疏松材料時非常有用，NASA將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于航天飛機外掛箱絕熱泡沫的發(fā)射前檢查；2005年7月“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機出現(xiàn)的泡沫脫落問題，引起了人們對裂紋檢測的關(guān)注。Picometrix[1]公司研發(fā)了用于泡沫的無損檢測高速太赫茲成像系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)處理方面Chiou等[2]提出了一種新的獲取缺陷響應(yīng)的方法，用來檢測UHMWPE材料的裂紋等缺陷；Nair等[3]運用基于小波的信號處理技術(shù)來增強太赫茲檢測的圖像；Roth等[4]給出了多種信號處理方法來改進太赫茲檢測結(jié)果的分辨率。為了比較頻率導(dǎo)數(shù)、時域信號處理、功率譜密度、快速傅立葉變換和主峰值之前的缺陷反射信號測量等處理方法的優(yōu)劣，Aldrin等[5]提出了一個太赫茲檢測信號處理方法的定量評估協(xié)議，用以評估針對SOFI的檢測。張存林教授團隊針對太赫茲檢測硬件與圖像處理算法開展研究，成功調(diào)試出國內(nèi)第一臺0.2THz頻率的連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了脈沖太赫茲成像。在檢測NASA外掛燃料箱絕熱泡沫面板中的缺陷、探測火箭尾焰噴口玻璃鋼燒蝕樣品的燒蝕程度、評價碳纖維復(fù)合材料的損傷等方面，取得了較好的實驗結(jié)果。

1.2 熱成像

熱成像檢測是根據(jù)物體表面的溫度差異來判斷復(fù)合材料內(nèi)部是否在缺陷。當(dāng)被檢測對象內(nèi)部存在缺陷時，缺陷部分與無缺陷部位熱物理性質(zhì)不同而形成不均勻熱流，從而使物體表面的溫度也不均勻。測量儀器所接收到的能量會發(fā)生相當(dāng)大的變化，隨之紅外熱波成像儀也會發(fā)生明顯的變化。我們可以通過觀察變化來判斷材料結(jié)構(gòu)內(nèi)存在缺陷。熱成像檢測（圖3）分為主動激勵式熱成像檢測是給物體一個激勵，檢測物體在激勵下的熱輻射信號。目前最常見的脈沖光/閃光燈激勵[6]，存在對材料表面發(fā)射率和表面質(zhì)量敏感性較高的缺陷，同時瞬時高能脈沖可能對材料表面形成熱損傷；鹵素?zé)粽丈涔β矢?，常用于較深缺陷的探測，且鹵素?zé)艄庾V區(qū)域較廣，適用于大多數(shù)材料的檢測；激光具有功率高、頻率范圍廣的特點。對激光進行調(diào)制，可以實現(xiàn)對不同深度缺陷的單次測量。但由于不同材料對光波吸收頻率不一致，單一頻率的激光器檢測材料的種類會因此受限。

圖3 熱成像原理圖Fig.3 Thermal imagery principle

熱成像檢測能夠很好的展現(xiàn)防熱材料內(nèi)部的缺陷情況[7]。以增強C-C（RCC）材料為例，圖4對比了熱成像檢測和超聲檢測的實際效果。從照片里只能看出RCC材料的SiC覆膜出現(xiàn)了裂痕，而超聲檢測和熱成像檢測都能發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部有較大區(qū)域的損傷，尤其是裂痕末端部位。

圖4 RCC材料的無損檢測（NDE）圖像Fig.4 Nondestructive examination result of RCC

圖5 是帶有T型連接結(jié)構(gòu)的RCC板的熱成像圖。這個材料板受到過較小撞擊且在板的邊緣有一可見的裂痕。通過熱成像檢測可以明顯的發(fā)現(xiàn)這一裂痕。在經(jīng)過主成分分析（PCA）處理后，熱成像檢測結(jié)果可以更清晰地看到這個裂痕。

圖5 帶有T型連接結(jié)構(gòu)的RCC材料熱成像圖Fig.5 Thermal image of RCC material with T-shaped connecting structure

圖6是肯尼迪空間中心的驗收測試的熱成像儀系統(tǒng)。此系統(tǒng)的探頭能夠高效的將脈沖閃光燈的能量傳遞到測試材料表面。探頭的檢測區(qū)域可達0.9平方米，拍攝一張熱成像畫面需要14秒。整個系統(tǒng)能夠安全快速地部署在待檢測結(jié)構(gòu)上以便完成檢測。

圖6 正在檢測RCC防熱結(jié)構(gòu)熱成像檢測系統(tǒng)Fig.6 Thermal imagery system on service of detection on RCC thermal protection

1.3 渦流檢測

當(dāng)把導(dǎo)體材料置于交變磁場中，并將線圈通上交流電，在導(dǎo)體內(nèi)就會感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，渦流的存在會產(chǎn)生一個與原磁場方向相反且頻率相同的磁場（圖7）。渦流檢測技術(shù)就是利用這一特性，當(dāng)被測樣品表面存在缺陷時，渦流激發(fā)的磁場也會隨之變化，通過對磁場變化進行測量并分析，可以獲得材料構(gòu)件的缺陷信息。

圖7 渦流檢測原理示意圖Fig.7 Principle of eddy current detection

渦流檢測可以滿足非接觸檢測，而且不需要添加任何耦合劑。但是在一定的條件下，如具有磁性的復(fù)合材料，渦流檢測并不適用。

圖8顯示了渦流對隱性損傷的敏感程度。圖中的RCC樣本背面有一系列孔洞，右側(cè)的圖示標(biāo)識出了孔洞的位置和直徑大小，以及孔洞頂端到材料表面的距離。檢測結(jié)果顯示，可以在3.175mm深的地方被檢測到直徑小至3.175mm的洞。隨著檢測深度的增加，檢測效果也會越來越差。即便有這樣的限制，渦流檢測依然是檢測平板材料深處缺陷的有效方法。

圖8 渦流損傷檢測結(jié)果云圖和實際材料損傷位置圖Fig.8 Eddy current detection result and the actual damage distribution

圖9是正在快速檢測RCC材料的渦流檢測裝置。這種裝置每分鐘能檢測0.09平方米的材料。能夠檢測出材料RCC材料的SiC保護膜的厚度和C-C材料的導(dǎo)電性，進而推測出SiC保護膜的侵蝕情況和C-C材料的裂紋或破壞情況。

圖9 用于快速檢測RCC的渦流檢測裝置Fig.9 Eddy current detection system for quick detection on RCC

1.4 CT成像

CT成像系統(tǒng)中X射線是通過燈絲加熱產(chǎn)生的電子束在高壓電場作用下加速并與陽極靶碰撞。當(dāng)X射線穿透物體時，X射線的能量會發(fā)生衰減。通過分析X射線的衰減結(jié)果可以得出被穿透物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。CT成像具有以下優(yōu)點：(1)分辨率截稿(通常＜0.5%)；(2)可檢測材料種類豐富(從空氣到復(fù)合材料再到金屬材料)；(3)不受試件幾何結(jié)構(gòu)限制。但CT成像也有不足之處：檢測成本高、效率低、需要雙側(cè)布置檢測設(shè)備，難以在進行現(xiàn)場檢測。在文獻[7]中同樣也對CT成像技術(shù)針對RCC材料的檢測效果進行了研究。圖10是RCC材料樣本的CT掃描結(jié)果。圖中圈出了幾處SiC覆膜邊緣模糊的地方。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這類模糊的出現(xiàn)是因為SiC材料與C-C材料密度相差較大造成，尤其是當(dāng)材料中有氣泡缺陷時更為明顯。CT成像技術(shù)相比較其他成像技術(shù)，能更好的檢測材料內(nèi)部幾何形狀較為復(fù)雜的缺陷，尤其是材料中存在細長裂紋的情況。

圖10 RCC材料的CT成像圖Fig.10 CT image of RCC material

2 隔熱瓦面涂層的無損檢測

在可重復(fù)使用飛行器服役期間，若受到外界細小顆粒撞擊，則極易損傷隔熱瓦表面的防熱涂層。在極端熱載荷下可能導(dǎo)致防熱結(jié)構(gòu)的失效，造成嚴(yán)重后果。此外在飛行器重復(fù)服役過程中防熱涂層也可能出現(xiàn)剝落、銷蝕等損傷，使得防熱涂層受損，不能滿足飛行器的防熱需求。因此在飛行器維護期間，對防熱涂層進行無損檢測也是十分必要的。隔熱瓦表面的防熱涂層檢測手段有激光剪切散斑干涉技術(shù)、太赫茲、熱成像、渦流檢測等

2.1 激光剪切散斑干涉技術(shù)

激光剪切散斑技術(shù)主要對待測物體表面進行檢測，是一種無損、高精度、大范圍測量物體表面形變的檢測技術(shù)。其基本原理為，將激光照射至被測物體表面，反射光線進入剪切元件后被分成兩束光線。一束直接形成物體原像，一束經(jīng)剪切鏡反射后，形成與原像有錯位的剪切像。兩束光線成像互相干涉，從而形成剪切散斑干涉條紋圖像（圖11）。

圖11 激光剪切散斑干涉剪切機理示意圖Fig.11 Mechanism of laser shearography image

當(dāng)隔熱瓦表面涂層經(jīng)激光照射后，獲得包含材料表面信息的干涉圖像。若隔熱瓦涂層本身或涂層與隔熱瓦之間存在缺陷，在材料受到外加載時，存在缺陷處的材料表面形變會存在很大不同。材料表面的形變信息則會通過激光剪切散斑干涉條紋圖像的相位信息體現(xiàn)出來，通過對這種相位信息進行處理，就可以獲得涂層缺陷情況。

激光剪切散斑干涉技術(shù)字1982年發(fā)展至今，經(jīng)歷了三次較大的演變，分別是照相激光剪切散斑干涉技術(shù)、電子激光剪切散斑干涉技術(shù)、數(shù)字激光剪切散斑干涉技術(shù)。三種技術(shù)中，最先進的是數(shù)字激光剪切散斑技術(shù)，同時也是目前剪切散斑技術(shù)發(fā)展的主流。數(shù)字剪切成像的靈敏度存在方向取向性，即靈敏度與剪切方向有關(guān)。這會導(dǎo)致僅使用單一的剪切方向系統(tǒng)會存在缺陷漏檢的情況。為此，早在1999年P(guān)arker等[8]提出了TPS雙剪切成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個干涉儀在垂直面上疊加組成，兩個系統(tǒng)產(chǎn)生不同的剪切方向。2019年，Hoomshmand等[9]提出SPS雙剪切成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的兩個干涉儀分布在水平面上，系統(tǒng)使用了載頻技術(shù)，僅需要一個攝像機，就可以將相圖通過不同載頻從一個強度圖中分離出來。

2.2 太赫茲

Ospald等[10]利用太赫茲時域光譜反射技術(shù)來檢測碳纖維增強復(fù)合材料的表面涂層，驗證了太赫茲檢測對圖層的檢測能力。Fukuchi等[11]利用反射峰提取陶瓷層的折射率，并利用陶瓷層前后表面的兩個脈沖回波之間的時間延遲確定其厚度。進一步，F(xiàn)ukuchi等[12]考慮表面粗糙度的影響，補償反射系數(shù)，提高厚度檢測的準(zhǔn)確性。但是該方法只能提取頂層折射率，且隨著氧化物的增長，導(dǎo)致熱障涂層內(nèi)部多個反射峰混疊，難以分離各層的反射信號，影響折射率提取精度。Su等[13-14]考慮了標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)、材料的吸收和色散特性，建立太赫茲波與物質(zhì)相互作用的一維電磁模型，結(jié)合數(shù)值擬合方法確定各層涂層的厚度，但是該方法需要制備待測試件對應(yīng)的單層標(biāo)準(zhǔn)試件。Van Mechelen等[15]建立太赫茲波與物質(zhì)相互作用的反射模型，利用合適的分層色散模型提取材料光學(xué)參數(shù)。Krimi等[16-17]利用廣義Rouard模型模擬太赫茲波與任意多層薄膜的相互作用，利用分層德拜色散模型提取材料光學(xué)參數(shù)，與VanMechelen等方法類似，該方法可顯著減少所需變量的數(shù)量，然而該方法需要了解涂層材料的微觀結(jié)構(gòu)或需要制備單層標(biāo)準(zhǔn)試件。但是受噴涂條件和使用環(huán)境等的影響，相同材料的光學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，使得涂層的反射系數(shù)也隨之發(fā)生變化[18]，此時提取的標(biāo)準(zhǔn)件光學(xué)參數(shù)和待測件會存在差異，影響測厚結(jié)果。

2.3 熱成像

熱成像法在熱障涂層的檢測方面十分成熟，在國外已經(jīng)達到了工程應(yīng)用的水平：美國TWI公司在紅外成像領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化[19-20]；德國西門子公司利用熱成像技術(shù)實現(xiàn)了燃氣輪機渦輪葉片的在線實時檢測，建立相應(yīng)的評估模型[21]。在涂層厚度及脫粘檢測方面，Shrestha等[22]通過調(diào)制熱成像和脈沖熱成像技術(shù)檢測了非均勻熱障涂層的厚度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖熱成像技術(shù)無論是檢測速度還是檢測精度都優(yōu)于調(diào)制熱成像技術(shù)；Tang等[23-24]在脈沖熱成像技術(shù)基礎(chǔ)上引入主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的處理方法，將熱障涂層脫粘檢測誤差顯著減小，對于直徑深度比為1.2～4.0的脫粘缺陷，檢測誤差為4%～10%，證明了熱成像技術(shù)能定量檢測熱障涂層的脫粘缺陷。在壽命預(yù)測方面，Bison等[25]通過紅外熱成像系統(tǒng)確立了涂層熱擴散系數(shù)與剩余循環(huán)壽命之間的聯(lián)系；Newz等[26]則通過確立熱循環(huán)過程中涂層分層與熱信號幅值關(guān)系，驗證了紅外熱成像技術(shù)可以評估熱障涂層的損傷程度并監(jiān)測健康狀態(tài)；首都師范大學(xué)、中國農(nóng)機院[27-28]采用紅外熱成像技術(shù)對熱障涂層在熱循環(huán)及模擬服役環(huán)境下進行了監(jiān)測并分析了損傷機理，實現(xiàn)了多種失效模式下的涂層損傷評估與預(yù)測。

2.4 渦流檢測

渦流檢測是RCC板工業(yè)生產(chǎn)中用于驗收檢測的重要手段，可以用來檢測防熱材料表面SiC覆膜的厚度。圖12展示了哥倫比亞號上發(fā)現(xiàn)的RCC樣本掃描結(jié)果。左側(cè)是C-C材料的導(dǎo)電性云圖，其右上方的深色標(biāo)記代表這個部位有一裂痕。右側(cè)是對同一區(qū)域的SiC覆膜厚度的掃描圖。

圖12 RCC材料的渦流無損檢測Fig.12 Eddy current nondestructive detection on RCC material

周俊華等[29]研究了熱障涂層的各組分的電磁特性，分析了其對渦流檢測時的影響。尹武良[30]研究發(fā)現(xiàn)，渦流電感虛部的峰值對應(yīng)頻率會隨著電導(dǎo)率變化，可通過此峰值頻率減小電導(dǎo)率變化對測量的影響。李勇[31]基于解析的L-M反演算法，提高了熱障涂層中陶瓷層和粘接層厚度的測量精度。日本學(xué)者Cheng W eiying[32]提出用掃頻渦流測量熱障涂層厚度，由于歸一化的掃頻信號最大相位角與厚度和提離有關(guān)，與電導(dǎo)率無關(guān)，因此可以可以消除電導(dǎo)率變化對厚度測量的影響。王亞清[33]提出了使用圓柱形線圈的渦流測量方法，將仿真信號與實驗相結(jié)合，分析了模型誤差與阻抗的關(guān)系，校準(zhǔn)了渦流解析模型，完成了對熱障涂層的厚度檢測。為了提高渦流檢測厚度的靈敏度，渦流的趨膚深度必須減小，因此需要將渦流工作頻率提高到MHz以上[34]。Bruchwald[35]因此提出了高頻渦流法測量熱障涂層厚度的方法，提高了檢測信號的靈敏度。中國礦業(yè)大學(xué)李肖寒[36]在高頻渦流基礎(chǔ)上建立了平面螺旋線圈的渦流解析模型，用以測量熱障涂層陶瓷層厚度未知情況下的粘接層厚度，并基于解析模型反演測量了熱障涂層厚度。

3 隔熱瓦-應(yīng)變隔離墊結(jié)構(gòu)脫粘無損檢測

在可重復(fù)使用飛行器飛行期間，由于有氣動載荷和基體振動載荷的影響，隔熱瓦結(jié)構(gòu)會承受高量級、長時間的振動載荷。這種振動載荷對防熱結(jié)構(gòu)中基體與應(yīng)變隔離墊及隔熱瓦與應(yīng)變隔離墊之間的粘接層強度有較大影響，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致隔熱瓦粘接脫落。因此需要對防熱結(jié)構(gòu)的粘接層損傷進行檢測，檢測手段有太赫茲、熱成像、平面陣列電容層析成像（ECT）等。

3.1 太赫茲

Dong等[37]利用太赫茲時域光譜反射成像技術(shù)檢測玻璃纖維增強復(fù)合材料中的分層缺陷，由于使用小波去噪方法去除了水蒸氣的影響，太赫茲成像具有更高的對比度。李薇等[38]采用太赫茲時域光譜技術(shù)對含有缺陷的碳纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料進行了無損檢測研究，發(fā)現(xiàn)太赫茲時域光譜技術(shù)能夠檢測玻璃纖維增強復(fù)合材料的層間缺陷。郭小弟等[39]采用透射式太赫茲時域光譜成像系統(tǒng)和反波振蕩器連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對玻璃纖維增強復(fù)合材料進行了無損檢測研究，其中缺陷包括分層、夾雜金屬和熱損傷等。廖曉玲等[40]采用反波振蕩器連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對玻璃纖維增強復(fù)合材料進行了無損檢測研究，缺陷包括空氣分層和熱損傷等。研究表明，太赫茲波從樣本背面入射時能有效檢測樣本中的兩種缺陷。劉陵玉等[41]基于太赫茲時域光譜技術(shù)，提出應(yīng)用太赫茲脈沖成像技術(shù)檢測膠接結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷，研究泡沫材料PMI與鋼板膠接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的檢測。鄭莉等[42]通過結(jié)合支持向量機算法，對多層膠接結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷識別方法進行研究，大大提升了太赫茲光譜技術(shù)對多層膠接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的識別能力。

3.2 熱成像

澳大利亞的G.Zauner[43]使用鎖相紅外熱成像方法對復(fù)合材料層合板粘接質(zhì)量進行了檢測，并對采集的信號用小波變換方法處理，研究表明分辨率為80mk的紅外熱像儀能達到的缺陷檢測精度為90nm。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)[44]對研究了電磁熱多物理場耦合的渦流脈沖熱成像檢測技術(shù)，他們開發(fā)的渦流脈沖熱成像系統(tǒng)已成功應(yīng)用于檢測碳纖維復(fù)合材料中裂紋、撞擊和分層等缺陷。梅林等[45]發(fā)現(xiàn)一種方法，通過試驗和仿真結(jié)合的方式研究了含脫粘缺陷的復(fù)合材料的表面溫度場的演變，證明了紅外熱成像技術(shù)具有檢測復(fù)合材料脫粘缺陷的能力。梁濤[46]通過紅外熱成像檢測技術(shù)對炭纖維增強塑料層壓板的脫粘缺陷進行了檢測，分析了基于渦流脈沖熱成像方法和基于光激勵熱成像方法的檢測效果，并分析了兩種檢測方法的優(yōu)缺點。

3.3 平面陣列電容層析成像（ECT）

平面ECT技術(shù)的原理是材料缺陷使局部介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變了電容間電場線的分布，最終反映在電容的大小上。平面陣列電容層析成像系統(tǒng)通常包括驅(qū)動電極和傳感電極，放置方式為并聯(lián)或相對。圖13所示的平面電容傳感器，就是驅(qū)動電極和傳感電極在同一平面上的一種排布方式。

圖13 平面陣列電容分布Fig.13 Planar array capacitance layout

平面ECT技術(shù)對于膠接層的缺陷/損傷檢測與粘接質(zhì)量的性能評估具有很大作用。但是該技術(shù)可檢測的缺陷尺寸較小，對厘米以下級缺陷的尺寸、形狀、位置檢測能力沒有。

4 應(yīng)變隔離墊的動力學(xué)響應(yīng)特征的檢測

隔熱瓦和應(yīng)變隔離墊在再入大氣層階段，會受到來自外表面的聲壓激勵和來自蒙皮振動的集體基礎(chǔ)激勵，這些外部激勵過大會導(dǎo)致應(yīng)變隔離墊發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重后果。研究隔熱結(jié)構(gòu)及應(yīng)變隔離墊的動態(tài)響應(yīng)，得到隔熱瓦完整狀態(tài)及帶有損傷缺席狀態(tài)的力學(xué)性能和狀況，可以為隔熱結(jié)構(gòu)的檢測提供參考依據(jù)。Miserentino[47]及Cooper[48]等人研究了正弦激勵和隨機激勵作用下隔熱瓦和應(yīng)變隔離墊的動態(tài)響應(yīng)。Housner[49]及Edighoffer[50]等人研究了應(yīng)變隔離墊的非線性剛度特性以及粘性效應(yīng)對隔熱結(jié)構(gòu)整體及應(yīng)變隔離墊的影響。以上研究均為試驗性研究，除此之外還有學(xué)者通過理論方法研究了隔熱瓦/應(yīng)變隔離墊的動態(tài)特性。George等[51]提出將隔熱瓦視為剛形體的一個質(zhì)量點，將應(yīng)變隔離墊視為線性剛度的彈簧和阻尼單元，研究其在聲壓激勵和機體激勵下的單自由度振動特性。并將聲壓激勵和機體加速度激勵功率譜密度函數(shù)假設(shè)為限帶白噪聲，通過此方法預(yù)測了隔熱瓦的動態(tài)響應(yīng)。為了研究隔熱瓦不確定性動特性及應(yīng)變隔離墊不確定性動強度問題，黃杰等人[52]同樣將隔熱瓦視為質(zhì)量點，將應(yīng)變隔離墊簡化為線性剛度的彈簧和阻尼單元，并且將以上質(zhì)量、剛度、阻尼參數(shù)均考慮為隨機參數(shù)，研究了隔熱瓦及應(yīng)變隔離墊的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)分布。北京強度環(huán)境研究所的謝學(xué)多[53]提出了一種基于特征級掃描響應(yīng)譜分析的損傷定位方法，可以實現(xiàn)隔熱構(gòu)件的脫粘損傷定位。通過研究隔熱瓦在激勵下的動力學(xué)響應(yīng)對隔熱瓦進行損傷檢測的方法，雖然成本低廉，但是其檢測效果尚不能滿足工程應(yīng)用，還需要進一步研究。

5 結(jié)論與展望

可重復(fù)使用飛行器防熱結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不同種類的缺陷，針對每一種缺陷，需要選擇合適的檢測手段。本文所述的檢測手段針對不同缺陷的檢測能力如表1所示。

表1 不同無損檢測方法對隔熱瓦不同缺陷的檢測能力Table 1 Detection ability of different NDT on different types of TPS defects

各種檢測手段都有自身的缺點和不足，需要根據(jù)隔熱瓦具體的損傷情況選擇合適的無損檢測手段進行檢測。