基于聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜的密封艙壁穿孔損傷識(shí)別技術(shù)

劉治東，賈東永，龐寶君，劉 剛，劉 源

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京100094）

0 引言

日益惡化的空間碎片環(huán)境對(duì)航天器尤其是載人航天器的在軌安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。利用空間碎片超高速撞擊感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)探測(cè)撞擊位置并識(shí)別撞擊損傷模式，可幫助航天員采取合理的應(yīng)急措施。目前，基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片超高速撞擊定位技術(shù)已取得了一定進(jìn)展[2]，但對(duì)損傷模式仍不能有效識(shí)別。因此，本文針對(duì)載人密封艙壁損傷模式的識(shí)別技術(shù)開(kāi)展研究。

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電薄膜不僅具有壓電及熱電效應(yīng)，當(dāng)受到超高速撞擊時(shí)還會(huì)發(fā)生去極化效應(yīng)，產(chǎn)生快速電荷脈沖信號(hào)（亞μs量級(jí)）。因此，可通過(guò)采集該信號(hào)去感知物體被高速撞擊事件[3]。此外，PVDF壓電薄膜具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，可適用于如 DUCMA、DFMI、SPADUS等多種微小空間碎片的探測(cè)[4-6]。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心的曹光偉等人[7]利用PVDF的去極化效應(yīng)研制了微小空間碎片探測(cè)器。

本文利用 PVDF壓電薄膜的去極化效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)密封艙壁穿孔損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，開(kāi)展了如下試驗(yàn)研究工作：首先，利用PVDF探頭采集超高速撞擊的去極化信號(hào)并識(shí)別其頻率特征；其次，用扳手敲擊PVDF探頭及其支撐結(jié)構(gòu)，以模擬在軌運(yùn)行階段可能遇到的碰撞干擾信號(hào)，測(cè)試并分析干擾信號(hào)的頻率特征；最后，比較這兩種信號(hào)時(shí)頻特征的差異，從而判斷撞擊損傷模式。

1 PVDF壓電薄膜的去極化效應(yīng)及其制作

1.1 去極化效應(yīng)

碎片云以極高速度撞擊并擊穿PVDF探頭，如圖1所示。探頭在被撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生去極化效應(yīng)，形成的正負(fù)電荷分別聚集于其PVDF壓電薄膜正、反表面。利用信號(hào)采集設(shè)備采集正電荷信號(hào)。該信號(hào)是一個(gè)脈沖信號(hào)，其電荷量為

式中：D為PVDF薄膜的穿孔直徑；p為去極化強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，p值范圍 4～6 μC/cm2。一般取中間值，即p＝5 μC/cm2，代入式(1)得

由式(2)可知，碎片撞擊 PVDF探頭產(chǎn)生的電荷量取決于穿孔直徑，也可理解為被去極化物質(zhì)的量。

圖1 高速粒子撞擊PVDF的示意圖Fig. 1 PVDF impacted by hypervelocity particles

1.2 PVDF探頭的制作

本文使用厚度為30 μm的PVDF薄膜，其表面鍍有鋁箔。在封裝之前，選取兩片薄銅片作為PVDF薄膜的電極；用膠將環(huán)氧樹(shù)脂薄膜粘貼在PVDF薄膜的外側(cè)，即將PVDF薄膜封裝在內(nèi)，起到絕緣和保護(hù)PVDF薄膜的作用。PVDF探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PVDF探頭的結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Structure of PVDF detector

2 PVDF探頭的撞擊試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)原理及工況設(shè)計(jì)

當(dāng)載人密封艙壁被空間碎片擊穿后，碎片云飛入艙內(nèi)，再撞擊布置在艙壁內(nèi)側(cè)的PVDF探頭并使其發(fā)生去極化效應(yīng)。若利用信號(hào)采集設(shè)備獲取到PVDF探頭去極化效應(yīng)脈沖信號(hào)，就可由此判定艙壁發(fā)生穿孔損傷。圖3所示是空間碎片撞擊帶有防護(hù)屏的載人密封艙壁和PVDF探頭的示意圖。

圖3 空間碎片撞擊帶有防護(hù)屏的載人密封艙和PVDF探頭的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the manned capsule with shield and PVDF detector impacted by space debris

在工程應(yīng)用中，PVDF探頭去極化效應(yīng)信號(hào)中可能摻雜有航天員活動(dòng)干擾信號(hào)。因此，需要通過(guò)試驗(yàn)識(shí)別出兩種信號(hào)的特征，以免引起誤判。為此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種工況：?jiǎn)蝹€(gè)彈丸超高速撞擊PVDF探頭；碎片云超高速撞擊 PVDF探頭；快速敲擊PVDF探頭；快速敲擊探頭的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 超高速撞擊試驗(yàn)

空間碎片超高速撞擊艙壁穿孔，將形成不同形式的碎片云：1）碎片未破裂，穿孔后的產(chǎn)物由發(fā)生塑性變形的空間碎片、少量的防護(hù)屏和艙壁碎片組成；2）空間碎片未充分破裂，碎片云由少量較大尺寸彈丸碎片和防護(hù)屏、艙壁碎片組成；3）空間碎片充分破裂，碎片云由大量小碎片組成。本文利用二級(jí)輕氣炮分別進(jìn)行了單個(gè)彈丸超高速撞擊PVDF探頭試驗(yàn)和碎片云超高速撞擊PVDF探頭試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用的PVDF探頭尺寸為50 mm×50 mm，并將探頭置于兩塊中空鋁合金平板中間，由螺栓夾緊固定，如圖4所示。使用鋁合金平板的目的主要是在超高速撞擊過(guò)程中形成碎片云。利用NI-5105高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取去極化效應(yīng)脈沖信號(hào)。試驗(yàn)前，把PVDF探頭正電極直接接入NI-5105高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集卡輸入端，采集卡內(nèi)電阻設(shè)置為1 M?，采樣頻率為20 MHz。

圖4 撞擊試驗(yàn)時(shí)PVDF探頭的固定示意圖Fig. 4 Installation and fixing of the PVDF sensor in the impacting test

共進(jìn)行了4次單個(gè)彈丸撞擊試驗(yàn)及1次碎片云撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖5所示。碎片云撞擊試驗(yàn)中，在PVDF探頭的前方100 mm處放置了一塊厚度為3 mm的5A06鋁合金平板；為了獲取彈丸撞擊鋁合金平板的時(shí)刻，又在平板正面粘貼了一個(gè)PVDF探頭。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 PVDF探頭超高速撞擊試驗(yàn)的撞擊情況Fig. 5 Impacting of PVDF detector by hypervelocity projectile

表1 PVDF探頭超高速撞擊試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Parameters and results of PVDF sensor impacted by hypervelocity projectile and debris cloud

圖6 (a)為典型單個(gè)彈丸撞擊穿孔信號(hào)，其頭部具有陡峭的上升沿（上升時(shí)間μs級(jí)，如圖6 (b)所示），且該上升沿峰值為整個(gè)信號(hào)的最大強(qiáng)度值。對(duì)其頭部附近波形進(jìn)行小波變換得到如圖 6(c)所示的小波譜圖，其中上升沿附近波形的快速起伏在小波譜圖中也得到體現(xiàn)，如圖中300 μs附近小波系數(shù)強(qiáng)度所示。

撞擊后形成的碎片云飛行100 mm距離后再撞擊PVDF探頭，因此碎片云撞擊信號(hào)（圖7(a)）具有一定的持續(xù)時(shí)間，且持續(xù)時(shí)間與碎片云形狀及飛行速度有關(guān)。針對(duì)本次碎片云撞擊試驗(yàn)，兩個(gè)PVDF探頭所探測(cè)到的時(shí)間差為47.01 μs，碎片云持續(xù)撞擊時(shí)間為37.20 μs。進(jìn)一步分析碎片云撞擊信號(hào)，求取該信號(hào)小波譜，如圖7(b)所示，可知碎片云撞擊信號(hào)頻率范圍主要處于1 MHz以下；但也包含了少量高頻成分（3～10 MHz），對(duì)應(yīng)于碎片云擊穿第2個(gè)探頭所形成的階躍信號(hào)。

圖6 單個(gè)彈丸超高速擊穿PVDF穿孔信號(hào)Fig. 6 Typical signal of single projectile hypervelocity impact on PVDF sensor

圖7 碎片云撞擊PVDF信號(hào)及小波譜Fig. 7 Signal and wavelet spectrum of PVDF sensor impacted by debris cloud

2.3 干擾信號(hào)測(cè)試試驗(yàn)

利用扳手快速敲擊 PVDF探頭及其支撐結(jié)構(gòu)以模擬在軌運(yùn)行期間可能的干擾信號(hào)，如圖 8所示。

圖8 干擾信號(hào)測(cè)試試驗(yàn)Fig. 8 Testing of interference signal

圖9是敲擊PVDF探頭表面所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，可見(jiàn)該信號(hào)具有較高強(qiáng)度但衰減緩慢（ms級(jí)），與超高速撞擊信號(hào)具有不同的頻域特征，容易區(qū)分。圖10為敲擊PVDF探頭的支撐結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的干擾信號(hào)及其頻譜，與圖9相比，該信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱，但衰減較快，其頻率成分主要在20 kHz以下，也與超高速撞擊信號(hào)具有明顯不同的頻域特征。

圖9 扳手敲擊PVDF表面的干擾信號(hào)Fig. 9 Interference signal generated from knocking the PVDF detector with spanner

圖10 扳手敲擊支撐結(jié)構(gòu)的干擾信號(hào)及其頻譜Fig. 10 Interference signal and its frequency spectra generated from knocking the support structure with spanner

3 結(jié)論

本文針對(duì)空間碎片撞擊載人航天器密封艙造成的損傷，利用PVDF探頭開(kāi)展了在超高速撞擊和低速敲擊下信號(hào)頻率特性識(shí)別的模擬試驗(yàn)研究。當(dāng)采樣頻率為20 MHz時(shí)，得到如下結(jié)論：

1）單個(gè)彈丸撞擊并穿透PVDF探頭所產(chǎn)生的信號(hào)具有一個(gè)陡峭上升沿，上升沿時(shí)間為亞μs量級(jí)；

2）碎片云撞擊PVDF探頭所產(chǎn)生的信號(hào)主要由1 MHz以下頻率的信號(hào)成分組成，但也包含有少量的3～10 MHz高頻成分；

3）敲擊PVDF探頭表面及其支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾信號(hào)的頻率在20 kHz以下。

由此可知，超高速撞擊所獲得的去極化效應(yīng)信號(hào)與敲擊所產(chǎn)生的干擾信號(hào)在頻率上有明顯的差異，可根據(jù)此差異對(duì)撞擊損傷模式作出判斷。

（References）

[1]朱毅麟. 空間碎片環(huán)境近況[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),1996(6): 19-28 Zhu Yilin. Recent developments of space debris environment[J]. Chinese Space Science and Technology,1996(6): 19-28

[2]龐寶君, 劉治東, 張凱, 等. 空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究綜述[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(4): 412-419 Pang Baojun, Liu Zhidong, Zhang Kai, et al. Technology research review of on-orbit sensing technology for space debris impact[J]. Spacecraft Environment Engineering,2010, 27(4): 412-419

[3]Tuzzolino A J. Response and transmission characteristics of thin PVDF copolymer dust detectors[C]//Lunar and Planetary Science Conference. Houston, USA, 1992

[4]Tuzzolinoa A J, McKibbena R B, Simpsona J A. The SPACE DUST(SPADUS)instrument aboard the Earth -orbiting ARGOS spacecraft: instrument description[J].Planetary and Space Science, 2001, 49: 689-703

[5]Simpson J A, Tuzzolino A J, Perkins M A. Dust Counter and Mass Analyzer (DUCMA)measurements of comet Halley's coma from Vega spacecraft[J]. Nature, 1986,321: 278 -280

[6]Tuzzolino A J, Economou T E. Dust mass and flux measurements on Cassini and Stardust Missions with PVDF[C]//Workshop on Cometary Dust in Astrophysics.Crystal Mountain, USA, 2003

[7]曹光偉, 袁慶智, 梁金寶. 空間微小碎片探測(cè)器設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2007, 7(9): 1976-1980 Cao Guangwei, Yuan Qingzhi, Liang Jinbao. Design of micro-debris direct detector[J]. Science Technology and Engineering, 2007, 7(9): 1976-1980