典型載人航天器密封艙結構空間碎片高速撞擊聲發(fā)射定位技術研究

賈東永，劉治東，龐寶君，劉 剛，趙 鑠，谷 巍

（1中國空間技術研究院，北京100094；2哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150006）

1 引言

隨著人類航天活動的增多，空間碎片環(huán)境日益惡化[1]，嚴重威脅航天器在軌運行安全。空間實驗室及空間站等載人航天器具有體積大、設計使用壽命長等特點，空間碎片碰撞概率更高。為應對空間碎片的威脅，提出使用基于聲發(fā)射技術的在軌感知系統(tǒng)實時監(jiān)測航天器，感知空間碎片撞擊事件[2]，并定位撞擊點，為便于事后損傷修補，定位誤差應小于500mm。

歐洲航天局在20世紀90年代初委托挪威船級社利用聲發(fā)射（AE）技術，在國際空間站“哥倫布”艙上進行了斷鉛定位試驗，定位誤差小于0.5m，說明聲發(fā)射源定位技術可用于大型載人航天器密封艙結構[3]。Schafer和Rolf對鋁合金平板和蜂窩鋁板進行了高速撞擊源定位研究，試驗采用了厚度2mm的鋁合金平板和厚度為49mm的蜂窩鋁板作為研究對象，分別進行了高速撞擊源定位試驗并給出了每次撞擊試驗的實際位置與預測位置，結果表明該技術具有可行性[4]。他以撞擊位置和撞擊時刻為變量，將定位問題轉換為三元函數(shù)求取最小值的數(shù)學問題，該定位方法需要至少使用4枚傳感器。

國內，哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心率先開展了基于聲發(fā)射技術的空間碎片高速撞擊在軌感知技術研究工作。其中，劉武剛和唐頎研究了鋁合金平板聲發(fā)射源定位技術[5，6]，劉武剛提出了一種自適應閾值算法，提高了到達時刻求取精度；唐頎提出了時標最小方差法用于鋁合金平板高速撞擊聲發(fā)射定位，將撞擊點坐標作為變量，利用各通道信號到達時差列出一個二元函數(shù)，將定位問題轉換為求解二元函數(shù)最小值的優(yōu)化問題。劉治東研究了各向異性材料的聲發(fā)射源定位技術，提出了虛擬波陣面法，以初始撞擊時刻為變量，利用各通道信號到達時刻，列出一元函數(shù)，將定位問題轉換為一元函數(shù)求最小值的優(yōu)化問題，該方法可用于各向異性復合材料層合板的聲發(fā)射源定位問題且計算速度快、可靠性高，該方法還被推廣用于定位碎片云撞擊源[7，8]。

典型載人航天器的密封艙具有加筋、曲殼、焊縫及隔框等多種復雜結構，聲發(fā)射信號在其內傳播速度不僅具有各向異性，還具有不連續(xù)性，因此，聲發(fā)射源定位難度大。由于虛擬波陣面法適用于各向異性材料且計算速度快、可靠性高，擬將其推廣應用于典型密封艙結構，實現(xiàn)對空間碎片高速撞擊事件的穩(wěn)定、精確定位。本文在鋁合金加筋板靶件及載人航天器密封艙體上分別進行了高速撞擊及仿真槍槍擊試驗，用于研究、檢驗典型密封艙結構的聲發(fā)射源定位技術。

2 定位方法

2.1 波速測量

空間碎片高速撞擊密封艙可激發(fā)s0，s2，a0三種模態(tài)的平面波，其中s0波速最大，用于進行聲發(fā)射源定位計算[5，6]。典型密封艙結構由加筋板及隔框焊接而成，聲發(fā)射信號在艙壁內傳播過程中受筋體、隔框等特殊結構影響，傳播速度呈現(xiàn)各向異性及不規(guī)則性，因此需要事先標定其波速。

測速試驗中利用仿真槍發(fā)射球形塑料彈丸撞擊加筋板激發(fā)聲發(fā)射信號，彈丸速度約為90m/s，該信號包含s0，a0模態(tài)平面波，因此利用該方法可測量加筋板內s0波波速。

通過試驗，分別測量了典型載人密封艙結構及高速撞擊試驗加筋板靶件內s0波速。典型載人密封艙結構所用加筋板規(guī)格見表1，高速撞擊試驗用鋁合金加筋板見圖1，為邊長500mm的正方形。筋體寬度5mm，高度5mm，材料為5A06鋁合金。

圖1 高速撞擊定位試驗用鋁合金加筋板示意圖

表1 典型載人密封艙用加筋板規(guī)格參數(shù)

典型載人密封艙用加筋板波速測量試驗中，使用6枚泛美V182超聲傳感器測試了0～90°范圍內10個方向上的s0波速。試驗設置如圖2所示。試驗中，以0°為初始方向，每隔10°選擇一個方向測試波速，在各待測方向上，以撞擊點為原點，等間隔150mm放置6枚傳感器，使用真空硅脂作為耦合劑。試驗中，使用仿真槍發(fā)射球形塑料彈丸撞擊預設撞擊點模擬聲發(fā)射源，之后利用傳感器和NI5105高速數(shù)據(jù)采集卡采集遠場聲發(fā)射信號并利用人工判讀各通道聲發(fā)射信號到達時刻。使用最小二乘法對各通道聲發(fā)射信號到達時刻及對應傳播距離進行一階擬合即可獲得該方向上s0波速。各測試方向分別測試10次，取10次平均值作為最終結果，結果見表2。最終，利用三次樣條插值算法可獲得聲發(fā)射信號在0～90°范圍內連續(xù)方向上的傳播速度。

圖2 加筋板波速測量試驗設置圖

表2 加筋板中的實測波速

典型載人密封艙結構所用加筋板具有對稱性，根據(jù)其對稱性可獲得全方向上的聲發(fā)射信號傳播速度，見圖3。觀察發(fā)現(xiàn)，加筋板內聲發(fā)射信號傳播速度隨傳播方向變化，在平均波速水平上下0.1km/s范圍內浮動，鑒于波速隨傳播方向變化值極小，為降低定位計算難度，擬將加筋板內波速視為固定值，初步取所測各向波速平均值5.45km/s作為“名義波速”用于定位計算。

圖3 加筋板波速

與密封艙用加筋板相似，高速撞擊試驗用加筋板波速測量試驗使用4枚傳感器，間隔50mm測試0～90°范圍內10個方向上的s0波波速，其余設置與前述試驗一致，最終測得其上“名義波速”為5.3km/s。

2.2 到達時刻確定算法

與斷鉛或槍擊聲發(fā)射信號不同，高速撞擊試驗所得聲發(fā)射信號幅值極強，第一峰值極大，針對該特征，唐頎和劉治東設計了一種自適應閾值法來求取信號的到達時刻。首先對信號進行濾波以消除高頻部分，再以信號的平均噪聲水平為基準，乘以事先確定的增益倍數(shù)作為閾值；當波形中持續(xù)一段時間內信號強度絕對值超過閾值時，判定該時間段起始時刻為聲發(fā)射信號到達時刻。該方法簡單、可靠且運算效率高[6]。

載人航天器在軌運行期間，空間碎片將首先撞擊防護屏形成碎片云，隨后繼續(xù)撞擊密封艙，激發(fā)聲發(fā)射信號。該信號第一峰值強度略低于彈丸高速撞擊聲發(fā)射信號，但高于槍擊聲發(fā)射信號強度。因此，自適應閾值法仍適用于求取密封艙結構的高速撞擊聲發(fā)射信號到達時刻。試驗測得直徑1cm鋁合金彈丸以1km/s速度撞擊裝有典型單層防護屏結構的加筋板聲發(fā)射信號第一峰值強度約為相同傳播距離處槍擊聲發(fā)射信號第一峰值的100倍。由于仿真槍槍擊聲發(fā)射信號幅值較弱，無法直接使用該到達時刻求取方法，故槍擊定位試驗中使用人工判讀各通道信號到達時刻。

2.3 定位算法

在得到聲發(fā)射信號到達時刻后某利用虛擬波陣面法進行定位計算。虛擬波陣面法[7]，以時間零點為變量，根據(jù)各通道聲發(fā)射信號到達時刻、傳感器粘貼位置及各方向波速可以求取各通道信號對應的聲發(fā)射源可能存在的位置，這些位置被稱為虛擬波陣面，不考慮波速、到達時刻和傳感器安裝位置等參數(shù)的誤差，當時間零點取到真實值時各傳感器對應的虛擬波陣面將交與一點，如圖4所示，該點即為唯一的真實聲發(fā)射源。當時間零點取到其它時刻，則各虛擬波陣面相交于不同位置，即交點具有分散性，利用各交點x、y軸方向上方差之和衡量其分散性，方差的最小值對應著唯一的真實聲源，故定位問題轉化為求取方差函數(shù)的最小值問題。

圖4 虛擬波陣面定位法示意圖

3 定位試驗

3.1 試驗方案

為測試前文所述聲發(fā)射源定位方法，在鋁合金加筋板及某型號載人航天器艙段上分別進行了高速撞擊及槍擊定位試驗。

鋁合金加筋板如圖5所示。利用二級輕氣炮發(fā)射直徑3.2mm的2017鋁合金球形彈丸，高速撞擊鋁合金加筋板靶件，利用V182傳感器及TDS5054B數(shù)字示波器采集高速撞擊聲發(fā)射信號，試驗參數(shù)及結果見表3。

艙段定位試驗中傳感器粘貼點和撞擊測試點如圖6所示。以艙段底部第一條環(huán)形焊縫和垂直與它的高度方向上的焊縫為基準線，以兩條焊縫交點為原點，在底部基準線上左右距離原點1600mm處安裝傳感器1、2，在高度方向焊縫上距離原點2000mm處安裝傳感器3。然后以底部基準線為基準，在高度方向每隔200mm處畫底部基準線平行線，共計9條；以高度方向基準線為基準，在其左右側，每隔200mm各畫8條平行線。所有平行線之間以及平行線與高度方向基準線之間在三角形范圍內的交點共計73個，設置為撞擊點。

圖5 鋁合金加筋板高速撞擊試驗結果圖

表3 鋁合金加筋板高速撞擊定位試驗參數(shù)

圖6 艙段定位試驗設置圖

試驗過程中，使用仿真槍發(fā)射球形塑料彈，依次撞擊預設撞擊點激發(fā)聲發(fā)射信號，每點連續(xù)做5次，將預測位置與實際位置間的距離作為定位誤差。檢查試驗結果發(fā)現(xiàn)，第73組中的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)噪聲干擾太多，無法用于定位分析，因此本項試驗將分析前72組試驗數(shù)據(jù)。

3.2 定位結果及分析

采集撞擊信號后，利用前文所述方法，獲取各通道聲發(fā)射信號到達時刻，隨后分別以5.3km/s及5.45km/s作為名義波速進行定位計算。

3.2.1加筋板高速撞擊定位試驗結果

針對加筋板高速撞擊定位試驗，在求得全部試驗各通道信號到達時刻后，利用虛擬波陣面法定位撞擊點位置，定位結果見表4，定位誤差為預測坐標與實際坐標之間距離。由表4可知，定位誤差小于10mm，因此，在“名義波速”概念的基礎上，虛擬波陣面法可用于加筋板結構高速撞擊定位。

表4 鋁合金加筋板高速撞擊定位使用結果

3.2.2典型載人密封艙體槍擊定位試驗結果

針對典型載人密封艙槍擊定位試驗，通過人工判讀得到全部試驗各通道信號到達時刻，之后利用虛擬波陣面法定位撞擊點位置，試驗結果表明上述定位方案具有穩(wěn)定性高、誤差小的特點。定位誤差見圖7，觀察發(fā)現(xiàn)最大誤差為268.82mm，大部分誤差低于100mm，全部滿足工程部門對定位精度的要求。

圖7 虛擬波陣面法定位誤差

圖8 為各撞擊點平均定位誤差圖，考察各撞擊點平均定位誤差，發(fā)現(xiàn)最大平均定位誤差為111.00mm。72個撞擊點平均定位誤差中60次小于50mm，11次小于100mm，1次大于100mm，定位誤差明顯大于高速撞擊試驗結果。

圖8 虛擬波陣面法定位誤差平均值

3.3 定位結果分析

3.3.1定位方法適用性分析

由試驗結果可知，在名義波速基礎上，利用虛擬波陣面法可精確定位小型加筋板高速撞擊事件。密封艙艙體槍擊定位試驗結果證明該方法可用于大型密封艙結構聲發(fā)射源定位，但定位誤差明顯高于高速撞擊試驗結果。

聲發(fā)射源定位精度通常受傳感器安裝精度、到達時刻及波速誤差、定位算法等因素影響。上述兩種試驗使用了相同的定位算法，傳感器安裝位置也具有較高的精度，因此影響定位誤差的主要因素為到達時刻誤差及波速誤差。

本文使用了名義波速進行定位計算，該波速與實際波速具有一定偏差，隨著傳播時間的增加，波速誤差對定位結果的影響隨之增大，兩者成正比例關系。與小型加筋板試驗相比，艙體定位試驗中傳感器間距更大，聲發(fā)射信號傳播時間更長，因此波速誤差作用更加明顯，導致艙體定位試驗誤差增大。

此外，由于艙體試驗中傳感器間距遠大于小型加筋板試驗，且密封艙體具有加筋、隔框等特殊結構，測試過程中聲發(fā)射信號經(jīng)過經(jīng)過較長距離的傳播后，其s0波部分前端波形幅度衰減到平均噪聲水平以下，因此實測到達時刻在不同程度上高于真實值，這一因素也將導致艙體定位試驗誤差更大。

綜上所述，由于傳感器間距的增加導致了艙體定位試驗誤差增大。由于空間碎片高速撞擊聲發(fā)射信號中s0波強度遠大于槍擊聲發(fā)射信號，在相同傳播距離上到達時刻精度更高，在使用相同傳感器布局形式前提下，由信號衰減引起的定位誤差更小。因此該定位方案在實際應用中，定位精度將優(yōu)于槍擊定位試驗結果。

因此，認為該定位方法可用于載人密封艙結構，能夠實現(xiàn)對空間碎片高速撞擊在軌載人密封艙事件的精確定位。

3.3.2波速對定位結果的影響

為掌握波速對定位結果的影響，對典型載人密封艙槍擊定位試驗結果進行了深入分析。前文使用了加筋板實測波速的平均值作為名義波速進行定位計算，結果表明配合虛擬波陣面法使用名義波速可以穩(wěn)定、精確定位撞擊位置。但觀察圖3可知，加筋板內聲發(fā)射信號傳播速度隨傳播方向劇烈、無規(guī)則變化，因此波速平均值并非名義波速的最佳選擇。為優(yōu)化名義波速、進一步提高定位精度，研究了不同波速下的定位誤差狀態(tài)。以5.00km/s為起點，每次增加0.01km/s，到 6km/s結束，計算了 5km/s～6km/s 速度區(qū)間內100個波速下的定位結果。為評價不同波速下的定位結果優(yōu)劣，設定如下3個參數(shù)：

1）特定波速下定位誤差總平均值，即全部360次定位誤差的平均值。

2）特定波速下定位誤差的總方差，即全部360次定位誤差的方差。

3）特定波速下各測試點平均定位誤差的最大值，即各測試點五次定位誤差平均值中最大值。

圖9 定位誤差總平均值

圖9 ，圖10，圖11分別為不同波速下定位誤差的總平均值、平均定位誤差最大值、總方差。觀察發(fā)現(xiàn)，當波速為5.33km/s時定位誤差的平均值最小，當波速為5.30km/s時定位誤差的最大值和方差最小（見表5）。對比名義波速取5.33km/s及5.30km/s時定位誤差均值，僅相差0.43mm，因此綜合考慮定位誤差大小和穩(wěn)定性，認為應選取5.30km/s作為小柱段艙體的名義波速。由此可見，名義波速值的選取對定位誤差具有直接影響。為獲取最優(yōu)化的定位結果，可針對具體型號的航天器進行定位試驗，考察名義波速在實測波速波動范圍附近取值時的定位結果，尋找最優(yōu)名義波速。

圖10 平均定位誤差最大值

圖11 位誤差總方差

表5 定位誤差信息

圖12 波速為5.30km/s時定位誤差

將波速設定為5.30km/s后，利用虛擬波陣面法，對槍擊試驗數(shù)據(jù)進行了定位，結果見圖12。本項試驗針對72個測試點共計進行了360次撞擊試驗，其中14次撞擊試驗的定位誤差超過100 mm；全部定位誤差的平均值為32.17 mm；第58號撞擊點的平均定位誤差最大，為82.72mm，定位效果最差。對比各撞擊點平均誤差（見圖13）還發(fā)現(xiàn)，全部72個測試點中，有16個撞擊點的平均誤差超過50mm。

圖13 波速為5.30km/s時平均定位誤差

4 結論

為了實現(xiàn)典型密封艙結構聲發(fā)射源定位，本文提出了名義波速概念，將密封艙壁內聲發(fā)射信號傳播速度視為固定值，在此基礎上，嘗試將虛擬波陣面法推廣用于密封艙聲發(fā)射源定位，為驗證定位效果，分別進行了加筋板高速撞擊定位試驗及典型載人密封艙結構槍擊定位試驗，結果表明：

1）典型密封艙結構中聲發(fā)射信號波速可視為固定值，不隨傳播方向變化，選取合適的名義波速，可滿足聲發(fā)射源定位要求。

2）虛擬波陣面法可推廣用于典型密封艙結構的聲發(fā)射源定位。使用虛擬波陣面法對一航天器密封艙結構進行槍擊定位試驗，平均定位誤差小于100mm，且該方法穩(wěn)定可靠，可以滿足工程要求的定位精度和算法穩(wěn)定性。

3）針對具體航天器，可事先進行定位試驗，以選擇最優(yōu)名義波速。

［1］朱毅麟.空間碎片環(huán)境近況［J］.中國空間科學技術.1996，52（6）:19-28.

［2］Members I W.SENSOR SYSTEMS TO DETECT IMPACTS ON SPACECRAFT［R］.Prepared by the IADC WG3 Members，2009.

［3］Veritas N.In-Orbit Non-Destructive Testing-Extension，ESA/ESTEC Contract No.8433/89/NL/PP （SC），DNV Report 92-3207 Rev.2，［R］，1992.

［4］Schafer F，Janovsky R.Impact sensor network for detection of hypervelocity impacts on spacecraft［J］.2007，61（10）:901-911.

［5］劉武剛.基于聲發(fā)射的空間碎片撞擊在軌感知技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2008.

［6］唐頎.超高速撞擊板波特性與聲發(fā)射空間碎片在軌感知技術［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2008.

［7］劉治東，龐寶君，唐頎.基于虛擬波陣面的層合板聲發(fā)射源定位［J］.壓電與聲光.2010，32（3）:493-497.

［8］Liu Z，Pang B.A method based on acoustic emission for locating debris cloud impact［C］.2009.