天地往返运输系统可重复使用贮箱健康监测技术

马云龙,黄 兵,郗 琦,李皓伟

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

新一代火箭首飞成功地拉开了我国运载火箭更新换代的序幕[1]。为了大幅度降低发射成本，研制可重复使用运载器得到各国的高度重视。天地往返运输系统中贮箱的核心问题是其可重复使用性，贮箱的可重复使用性关键是如何减少飞行间隔中的安全检查次数，以充分降低发射系统的寿命周期成本。

可重复使用贮箱是天地往返系统的最大部件之一，能否成功研制轻质、高强、可靠性高的可重复使用贮箱成为制约天地往返系统设计的关键因素之一。实现可重复使用贮箱高强度和高可靠性，有两种技术手段：(1)提供足够的坚固性、损伤容限及结构完整性，以避免其破坏。同时由于避免了贮箱预期使用寿命内的破坏，所以也就没有必要进行附加的安全检查；(2)选择应用适当的健康监测与诊断系统来监测在飞行过程中缺陷与损伤的发生。从另一个角度而言，贮箱重复使用性必须通过提高结构耐久性来获得，而耐久性提高必须基于对贮箱结构的健康状况有足够的认识，因此需要采用先进传感器技术和无损检测评价来确认贮箱结构/功能完整性和健康状况。显然上述两方面是相辅相成的，失效模式与健康监测策略两者缺一不可。

本文针对天地往返运输系统可重复使用贮箱在飞行过程中的温度分布、应力分布、损伤演化及外部撞击等，论述了可重复使用贮箱失效模式与健康监测策略，并讨论了集成化健康监测和诊断技术及其相应系统，实现贮箱的状态监测、损伤监测和外部撞击监视，从而为贮箱的安全、正常工作提供保障，为多次往返飞行器结构健康监测系统研制提供技术积累。

1 可重复使用贮箱失效模式分析与健康监测策略

可重复使用贮箱健康监测与诊断系统的建立，首先要明确其可能发生的失效模式及其可能导致的结构缺陷和损伤，然后采取有针对性的健康监测策略和技术，最后通过系统集成技术实现金属低温贮箱集成化健康管理。

1.1 可重复使用贮箱结构损伤与失效模式

建立有效可行的可重复使用贮箱健康监测系统需要通过以下的步骤来完成：(1)确定需要监测的关键部位以及其载荷环境、失效模式；(2)选择合适的待测量；(3)针对应用成熟的传感器进行分析权衡，选择合适的传感器；(4)确定传感信号的传输方案、控制方法、识别途径；(5)研究失效模式的诊断方法，开发出合理的失效模式识别系统。建立可重复使用金属贮箱健康监测的逻辑流程图，如图1所示。

首先要在贮箱设计规范的基础上，确定出贮箱的关键部件、载荷环境条件以及可能出现的缺陷。例如欧空局针对未来欧洲空间运输系统项目，提出了基于金属和复合材料的低温贮箱设计方案[2]。对于贮箱壁-绝热-防热结构一体化设计的贮箱，关键部件有贮箱壁、绝热防热系统；环境条件包括温度和载荷，它们会造成金属低温贮箱的贮箱壁/低温隔热层/热防护性能的退化。

可重复使用贮箱主要失效模式包括：(1)金属贮箱焊缝(环焊)缺陷；(2)裂缝、腐蚀和应力腐蚀裂纹(对于金属贮箱)；(3)分层、孔隙和杂质(对于复合材料贮箱)；(4)贮箱不同部件(如低温隔热层[3]/贮箱壁/蒙皮)的连接失效；(5)热防护系统撞击；(6)低温燃料泄漏。一般采用诸如失效模式影响与危害分析法(Failure modes effects and criticality analysis，FMECA)定义和确定潜在结构缺陷和失效模式，进而检查所有可能的失效及其对贮箱结构的影响[4-5]。

其次，在仔细权衡候选传感器的灵敏度和应用范围的基础上，选择检测参数。分布式传感器网络只有在其检测范围内才能够传递正确的信号、监测贮箱状态和载荷环境参数。针对某种失效模式，在一定的检测范围内，可供选择的监测参数很多，选择测量参数的基本原则有：(1)所选的参数能够反映贮箱某种状态，且参数变化和贮箱状态变化之间有定量关系； (2)所选的参数应易于被测量，且在贮箱的整个寿命周期中，参数的变化在所选择的传感器测量范围以内；(3)参数的测量抗干扰能力强。研究传感器的特性是研制健康监测系统的重要方面，如评价传感器的性能、测量范围；确定传感器在贮箱中的最佳位置，传感器的集成适应性和界面特性等。

图1 可重复使用贮箱健康监测的逻辑流程图

第三，将传感器集成到贮箱中还需要研制传感数据解调、结构损伤信号特征提取和失效模式识别，健康状态评价方案、主控制系统、信号传输存储等关键子系统。这些逻辑系统通过获得并分析传感数据、控制光路的选择以及光信号参数的变化，根据传感数据分析贮箱的缺陷、损伤程度等完成对贮箱的健康监测、寿命预测与维修建议。

1.2 重复使用贮箱结构健康监测策略

根据可重复使用贮箱结构损伤和失效模式分析可知，贮箱结构的不同关键部件具有不同的损伤形式和失效模式。因此，有必要针对贮箱在不同阶段采取不同健康监测策略，实现贮箱关键区域对不同物理参数目标的综合健康监测，主要包括三部分：(1)在地面实验验证与维修阶段，能检测出贮箱结构损伤(裂纹和焊缝缺陷)；(2)在飞行阶段能实时地监测贮箱结构关键部位的状态(如温度、应变/应力变化)和外部撞击；(3)根据损伤检测结果和状态变化能评价结构安全状态，并预测贮箱结构的剩余寿命。

针对贮箱结构健康监测策略，可以在贮箱结构上安装应变、温度、超声波等传感器以获得贮箱结构在环境、工作条件改变下的参数变化，采用主动或被动方式检测和发现结构存在的危险(应力集中、疲劳、紧固件松动、裂纹扩展、燃料泄漏等)，基于对结构的分析，确定监测策略，选取合适的先进传感器进行优化布置，使用数据融合和人工智能等先进的数据分析方法从大量的传感器数据中提取有关结构健康状态的信息，采用基于物理/数据和基于经验的诊断分析方法评价当前损伤并预测将来结构健康状况变化趋势，进而采取合适措施缓解结构的损伤或对结构缺陷进行修补，从而满足金属低温贮箱可重复使用要求。

2 可重复使用贮箱结构健康监测技术方案

根据重复使用贮箱结构健康监测的策略，贮箱结构健康监测系统可采用以下技术：(1)基于超声导波相控阵的贮箱缺陷与损伤检测技术，主要是在地面阶段采用主动方式检测贮箱损伤；(2)基于分布式光纤光栅传感器的贮箱状态监测技术，分析由健康状态变化引起的监测参量变化，主要是监测在飞行阶段中贮箱温度、应力/应变等状态参数；(3)贮箱外部撞击识别技术主要在飞行阶段采取压电传感器技术被动地监视贮箱可能遇到外部撞击，识别出撞击位置和重构撞击载荷。

2.1 基于超声导波相控阵的贮箱结构缺陷与损伤检测

重复使用贮箱实际使用寿命必须满足1 000次左右的反复加压和50次的轴、弯、剪、内、冲击等联合载荷的循环。这种复杂工作环境和载荷，对贮箱结构质量具有重要的影响。同时对贮箱材料在疲劳载荷下的损伤容限问题必须进行测试和评价(如无损检测技术和结构健康监测技术)，为下一步工程应用打下理论研究基础。

无损检测技术一般包括超声、X 射线、电涡流射线及电位测量等，但这些检测方法所需设备复杂，而且需要对损伤的位置有初步的了解，如外部腐蚀、内部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等情况。基于压电传感器和主动Lamb波的结构健康监测方法对结构中的裂纹、脱层等小损伤敏感，是目前被认为比较有效的结构损伤监测方法，已成为目前国际研究的热点[6]。其基本原理是利用附着在结构上的驱动器发生超声波信号，由其相邻传感器接收信号。传感器接收到的信号包含了结构上从驱动器到传感器之间的路径及其周围区域所发生的物理变化。采用比较损伤发生前后传感器信号的变化，通过一系列分析手段就可以获得损伤的位置、大小甚至类型等信息[7-8]。

2.2 基于光纤光栅传感器的贮箱状态监测

可重复使用贮箱状态监测一般包括载荷监测和温度监测两个部分。载荷监测一般无法直接进行，而是通过对结构产生的应变进行监测的方法来实现，光纤光栅传感器已经被证明是一种良好的应变监测技术，但是目前研究者们广泛采用的高反射率光纤光栅有其不可克服的弱点。首先，由于高反射率光纤光栅的制备过程需要先将光纤光栅的涂覆层剥除，然后进行刻栅。这一过程不可避免地会弱化光纤光栅的强度，使其在操作与安装过程中极易发生破坏，降低了其可用性。其次由于光源带宽的原因，一个通道内无法集成大量的测量点，而使用更多的传感器通道则由于重量与成本等因素无法实现。因此，本文提出采用弱反射率光纤光栅进行大面积、高密度、准分布式的结构应变监测技术。在美国航空航天局(NASA)的多次往返航天飞机项目中，这种光纤传感器被认为是进行集成化健康监测的最佳选择[9]。在美国的F-18战机上，也采用了这一技术进行应变监测。利用这一技术，可以实现最多高达1 200个测点/通道，测点间距为5毫米。美国的可重复使用验证机X-33中低温贮箱的健康监测系统方案最为成熟，它将Bragg光纤光栅传感器粘贴到低温贮箱壁上，采用了准分布式传感系统对贮箱壁应变状态进行监测。针对可重复使用贮箱健康监测系统，可以采取分布式Bragg光纤光栅传感器监测贮箱壁应力/应变和温度状态[10]。

2.3 基于压电传感器和系统辨识的贮箱撞击监视

天地往返运输系统在服役和维修维护过程中不可避免地会受到一些意外的撞击，如飞鸟以及维修维护过程中不小心落下的工具等，极易造成损伤，因而对飞行器贮箱结构所遭受的撞击进行监测，进而评估其对结构的损伤程度就显得极为重要。撞击的监测也可以采用应力波方法进行监测。在结构遭受撞击后，会在结构内产生应力波，通过在结构易遭受撞击部位布设传感器网络，监测由撞击产生的应力波，就可以通过问题的求解获得结构所遭受撞击的位置与撞击能量的大小。在地面阶段进行贮箱结构缺陷与损伤检测方法使用不方便，局限性大，不易做到服役环境下的实时在线监测，不适合未来大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断。一种可行的方法是及时识别飞行器等结构表面受到的撞击荷载的位置和大小，并根据荷载大小采用经验的方法或按设计规范来预估损伤的程度，其关键技术是对复杂瞬态撞击信号的处理。因此，可以采用基于系统辨识的撞击监视与识别技术，即采用基于系统辨识技术的求逆方法进行复杂结构的撞击识别(撞击定位和撞击载荷重构)，无需构造结构的全尺度模型或获取结构的训练数据[11]。训练数据包括：(1)具体撞击事件的检测；(2)撞击位置的确定；(3)撞击载荷时间历程的重构；(4)撞击损伤的评估。在线自动监测与获取结构的状态信息，及时准确识别出作用其上的撞击载荷。

3 可重复使用贮箱健康监测与诊断关键技术

从健康监测和管理系统的设计需求角度而言，可重复使用贮箱健康监测与诊断系统开发过程基本元素包括：传感器选择、数据验证、故障检测、故障分离、信息融合、系统性能和寿命预测。从技术角度而言，健康管理为一系列活动的有机构成，其技术包括传感器和数据检测技术，数据传输与接口技术，数据预处理与分析技术，健康评估和故障预测技术，信息融合技术和决策支持技术。其中，传感器是实现各项功能的基础。综上可知，构建高效的金属低温贮箱健康监测与诊断系统的关键技术包括：(1)关键组件、条件和失效模式的确定；(2)运行参数的选择；(3)传感器选择与权衡；(4)诊断测量与传感数据分析；(5)系统诊断与失效模式识别；(6)数据系统体系架构等。本文重点介绍传感器选择与权衡，系统体系架构设计两个方面。

3.1 传感器选择与权衡

传感器选择是结构健康监测的关键问题之一。选择准则包括可检测性、传感能力、自动化、远程传感、极端环境(温度和载荷)下的存活性、健壮性和技术成熟度。综合现有国外关于贮箱结构健康监测研究成果，目前使用的传感器如图2所示。其中最重要的设计需求是提高机载传感器(包括传感设备、测试设备、电缆和连接器等)的可靠性。目前，已有传感器用于航空航天结构中，包括热电偶、应变片、加速度计用于测量温度、应变、速度和加速度、湿度、液氢流量和电磁信号等。目前已经研发出新型传感器以更加准确地识别失效模式和全面地分析系统和响应。发展趋势是开发出非接触、非嵌入的便于实施的传感器，使其体积小、质量轻，用于飞行中的低温贮箱结构健康监测传感器是声发射传感器和光纤光栅传感器。

3.2 可重复使用贮箱健康监测与诊断系统体系架构

飞行器结构健康管理数据系统是为决策者提供数据、信息和知识以便对结构健康管理数据系统进行控制和操作。贮箱结构健康监测系统架构要具有良好的可扩展性和移植性，能较好地与可重复使用飞行器健康管理系统相集成。飞行器结构健康管理系统需要完成的功能包括从底层的传感器原始信息获取到设定结构安全临界阈值以及健康状况报警系统等一系列的功能[12-14]。从数据管理角度看，飞行器结构健康管理数据系统需要完成海量并/串联传感器的信息查询与解调处理，子系统互联及数据融合、发布与压缩存档；从功能角度考虑，飞行器结构健康管理数据需要完成航行工作状态记录与识别，结构服役历史信息贮存，载荷水平辨识认证，维修维护记录，同时还包括能够实现结构损伤/性能退化的诊断与预后诊断模块。从可维护性角度看，飞行器结构健康管理数据系统需要能够支持飞行器结构健康管理系统在安全与经济的前提下，实现辅助甚至取代特定的维修维护流程。

图2 结构健康监测常用传感器

研究分析数据管理系统体系结构，在智能子系统、智能处理过程和智能传感器3个层次上采用智能集成方法构建层次化分布式网络。采用多Agent建模方法和技术，开发快速可视化工具，管理监测节点分配、各子系统工作状态实时显示、传感器网络拓扑实时显示、传感数据信息流动态显示、破坏位置和强度的实时显示。采用传感数据融合和智能推理方法实现传感数据的自动分析、破坏检测、原因诊断、趋势预测。在上述研究基础上，建立一个飞行器综合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)系统集成的标准，包括对系统各部分功能的完整定义，新型高效的协作机制，高效的任务调度机制，高效、稳定的数据通讯标准，功能强大、安全可靠的数据库等。图3为贮箱结构健康监测与诊断系统设计与开发流程图。

图3 贮箱结构健康监测与诊断系统设计与开发流程图

研究分析数据管理系统体系结构，在智能系统、智能处理过程和智能传感器3个层次上采用智能集成方法构建层次化分布式网络系统。采用多Agent建模方法和技术，开发快速可视化工具，管理监测节点分配、各子系统工作状态实时显示、传感器网络拓扑实时显示、传感数据信息流动态显示、破坏位置和强度的实时显示；采用传感数据融合和智能推理方法实现传感数据的自动分析、破坏检测、原因诊断、趋势预测；采用面向对象建模方法构建结构健康管理系统的体系结构，对系统元素及其相关的知识库、通用方法和过程、通信进行封装。系统体系结构描述数据、信息和知识的3个模型和流动，整个系统体系结构如图4所示。

图4 基于G2平台的结构健康管理系统架构流程图

结构健康管理系统由知识库、推理机、人机界面、外部接口等部分组成[15]。知识库中知识的数量和质量是影响健康诊断的关键因素；推理机的性能决定了系统的实时性和健康性；外部接口使健康管理系统与其它系统能集成一体。要构建这样的智能诊断系统，传统的编程语言和开发手段是难以胜任的。G2是美国Gensym公司开发的经20多年改进和推广的实时专家系统开发平台，已经成为各类任务关键(Mission-Critical)领域首选的智能集成系统的开发和运行平台[16]。NASA、美国空军等都采用G2建立了大型复杂系统的智能故障诊断系统。因此，采用G2作为平台二次开发天地往返运输贮箱结构健康管理系统，以提高开发效率，提高系统可用性、一致性以及响应能力。充分利用G2自身提供的包括面向对象设计、结构化自然语言编程、交互式图形技术、动态模拟和仿真等开发手段，快速建立和维护知识库。例如使用面向对象设计和交互式图形技术建立系统软件模型，结构化自然语言和知识描述、技术描述各种标准故障模式(故障知识)，专家经验(启发性知识)，信号处理算法(过程性知识)等；利用动态模拟和仿真技术验证和修改增量开发过程中的各种知识；利用G2内建知识库的一致性和安全性机制管理对象、规则、过程、模型和其它类型知识体，使其相互正确关联，避免冲突。G2的实时推理引擎是智能故障诊断系统运行时的核心，推理引擎在毫秒级实时地响应大量的外部数据和事件，运用知识库中相关知识进行推理分析。

4 结论

根据以上论述，得到以下几点结论：

(1)在可重复使用贮箱中引入以先进光纤传感器、压电传感器网络、智能逻辑判断系统为基础的健康监测系统，可以实现对贮箱从生产、制造、安装、调试、存储、发射、飞行以及返航等全寿命周期的状态进行监测。

(2)贮箱需要进行监测的关键部件包括贮箱壁、热保护系统等；需要监测的物理量包括应变和温度；对于复合材料液氢贮箱，由于液氢渗漏问题，应对贮箱外壁的氢浓度进行监测。在贮箱中引入健康监测系统，不但可以判断贮箱的健康状态、能否继续服役等，而且可以记录分析过程中的载荷数据，为改进设计提供有效的数据。

(3)Bragg光纤传感器不但具备传统光纤传感器的体积小、灵敏度高，不受电磁辐射影响的优点，而且具备波长绝对编码，易于复用和网络化，不受光源波动和光纤损耗的影响等优点，应作为重点的光纤传感器研究。

(4)可重复使用贮箱健康监测与诊断系统体系架构的建立可充分借鉴国外成熟的平台体系，以此作为平台二次开发天地往返运输贮箱结构健康管理系统，以提高开发效率，提高系统可用性、一致性、响应能力。