月球著陸器無損檢測方法研究

鄭闊海，楊生勝，苗育君，李存惠，王鹢，文軒

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

月球著陸器無損檢測方法研究

鄭闊海，楊生勝，苗育君，李存惠，王鹢，文軒

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

分析了著陸器受著陸沖擊可能的損傷模式，提出了采用脈沖渦流無損檢測的方法對著陸器著陸前后的狀態變化進行在線檢測，研制了無損檢測探頭，并通過試驗測試驗證了方法的可行性；針對空間應用時較大的溫度變化導致損傷信號因溫漂難以識別問題，提出了溫度傳感器配合無損檢測探頭同時工作，對檢測數據進行溫度補償，利用補償后的檢測數據隨溫度線性變化的關系，檢測數據對應曲線等截距的特點，通過檢測曲線的截距描述溫度變化時的損傷狀態，使得該測試方法具備了工程應用價值。

無損檢測；脈沖渦流；TMR；著陸器

0　引言

伴隨著我國“嫦娥”計劃三步走戰略的實施，探月二期嫦娥三號已實現月表軟著陸，但對于探月三期的著陸返回，軟著陸緩沖機構的設計依然面臨著挑戰。為適應“嫦娥”工程技術需求，對著陸器用鋁蜂窩等緩沖材料進行了高低溫沖擊實驗研究[1]；以動力學方程為基礎，通過建模，分析了影響著陸性能的因素[2]。上述研究工作著眼于著陸器的結構設計，如果能夠設計一種傳感器，布置在著陸腿與著陸器連接的易受沖擊的部位，對著陸器著陸過程中所受沖擊引起的結構狀態變化進行在線檢測，所檢測的數據對于著陸緩沖機構設計將具有重要的參考價值。采用脈沖渦流無損檢測的方法，對著陸過程中可能引起的鋁蜂窩板的形變量以及鋁蜂窩板內金屬埋件的位移量的可檢測性進行了研究，并對使用過程中，因空間溫度大幅度變化情況下的數據判讀方法進行了探討。

1　無損檢測傳感器構成

得益于磁性傳感器TMR（Tunneling magneto-re?sistance）的發展，使得電渦流無損檢測技術可以實現甚低頻條件下的高分辨率檢測[3-6]。圖1為基于TMR磁傳感器的脈沖渦流無損檢測原理框圖，以高磁導率的坡莫合金為磁芯，提高線圈的勵磁能力，采用矩形線圈進行勵磁，可獲得較大范圍的均勻磁場，方便TMR磁傳感器的陣列化布局。針對著陸器測試應用，以著陸器被檢測部位著陸前狀態測試數據為參考數據，通過將著陸后獲得的測試數據與參考數據進行差分，利用差分數據的峰值描述著陸器受著陸沖擊的損傷程度。

圖1　TMR磁傳感器脈沖渦流無損檢測框圖

2　檢測方法

2.1損傷模式

著陸腿與著陸器連接部位的鋁蜂窩被用來作為月表著陸的緩沖材料，依靠其結構變形來吸收著陸沖擊能量，從而達到軟著陸目的[7-8]；同時還是著陸器的重要支撐結構，其內部埋有不同用途的金屬埋件。在著陸過程中，著陸沖擊會造成鋁蜂窩板蒙皮的形變，大的沖擊還可能造成內部金屬埋件的相對位移，如圖2所示，為內部有埋件的鋁蜂窩板示意圖。將鋁蜂窩板受著陸沖擊可能的損傷模式定義為：（1）鋁蜂窩板的形變，指鋁蒙皮受著陸沖擊產生的形變，在A點測試，A點無內埋件；（2）鋁蜂窩板內部埋件的位移，指內部金屬埋件受著陸沖擊導致的相對位置變化，在B點測試，B點位于內埋件正上方。

圖2　帶有埋件的鋁蜂窩板試樣圖

2.2傳感器布局

由2.1可知，著陸器結構受著陸沖擊可能的損傷模式有蜂窩板的形變和內嵌金屬件的相對位移。為了實現兩種損傷模式的同時檢測，采用3× 3TMR布局模式。如圖2所示，假定鋁蜂窩板內嵌金屬件為長條形，截面為邊長10 mm的正方形，長度是TMR探頭尺度的5倍，三排TMR相對內埋件的位置如圖3所示。

圖3　TMR布局

第一排TMR定義為TMR1～3，遠離金屬內埋件，也即位于A點，用來檢測鋁蜂窩板的形變損傷；第二排和第三排分別定義為TMR4～6和TMR7～9，分別位于內嵌金屬件的兩個邊緣，即B點，用來檢測金屬件受著陸沖擊引起的相對位移。通過綜合分析9路TMR的檢測結果，區分損傷模式。

3　試驗

3.1試驗儀器和設備

該傳感器采用日本NF公司生產的BP4610脈沖電源為線圈供電，電流700 mA，頻率50 Hz，占空比1∶1；陣列化TMR采用3×3設計，采用Agilent E3631A直流電源供電，考慮到空間應用的可行性，減少線纜數量，利用多路復用器進行通道控制；通過NI PXIe-6368數據采集卡和Labview進行數據采集、存儲、處理和顯示，采樣率200 kS/s；樣品臺采用非導電材料制作，以避免感生出雜散渦流對測量產生影響，樣品臺可控制TMR探頭在三個方向進行移動，移動精度50 μm。

3.2試驗方法

考慮到加工鋁蜂窩板形變樣本工藝的復雜性，為了操作方便，同時保證數據的有效性，進行形變量測試時方法：（1）利用樣品臺控制TMR探頭至A點，保持相對位置不變，獲取參考數據；（2）利用樣品臺控制TMR探頭沿Z向（垂直蜂窩板方向）運動一定距離，如0.15 mm，獲取檢測數據；（3）將檢測數據與參考數據求差分，獲得該條件下的差分數據，以差分數據的峰值作為該條件下的檢測值；（4）如此反復，獲得不同檢測值隨距離的關系曲線。

將獲得的曲線作為TMR探頭檢測能力的標準數據，在進行未知形變量測試時，將各路TMR檢測值與曲線進行對標，這樣通過陣列化的TMR數據就可了解蜂窩板的形變情況。

在進行內埋件位移量測試時，利用樣品臺控制TMR探頭至B點，并控制TMR探頭沿垂直內埋件長度方向移動，獲得不同位移量下的檢測值隨位移量的曲線（沿內埋件長度方向移動時渦流變化不明顯，在這里不做討論）。通過各路TMR檢測幅值的變化，可獲得內埋件受著陸沖擊前后狀態的變化情況。

在對著陸器進行在軌測試時，著陸前需要開機工作一次，獲得參考數據，著陸后擇機開機一次，獲得檢測數據，兩次數據的差分值的峰值用于描述著陸器受著陸沖擊影響引起的狀態變化。通過將各路TMR實測數據與曲線數據進行比對，獲得著陸器狀態變化的定性描述。

3.3試驗結果

圖4和圖5分別是形變測試和位移測試結果。從圖中可以看出，對于形變測試，9路TMR檢測值均為負；對于位移測試，9路TMR檢測值均為正，所以利用檢測值的符號可有效區分損傷模式。同時無論是形變測試，還是位移測試，各排TMR檢測結果近似一致，三排TMR檢測結果趨勢一致，且近似呈線性變化，各路TMR的檢測分辨率優于0.2mm。所以，該檢測方法用于嫦娥著陸器受著陸沖擊損傷檢測是可行的。三排TMR檢測結果曲線呈輻射狀分布，這與探頭的結構有關：探頭采用矩形線圈，TMR1～3和TMR7～9分別位于線圈兩端，TMR4～6位于線圈中間，且垂直磁場方向分布；根據螺線管的磁場分布，中間區域磁力線較為集中，感生渦流能力較強，兩端磁力線分布相對發散，感生渦流能力相對較弱，從而導致三排TMR檢測結果呈輻射狀分布。在測試過程中發現，采用“?”形狀的磁芯繞制線圈，且通過對磁芯兩端“彎曲”的設計優化，可起到磁透鏡的作用，將磁力線約束在待檢測區域，有利于提高探頭的檢測能力。

圖4　形變測試曲線圖

從圖6可以看出，盡管TMR1～3和TMR7～9呈對稱分布，但檢測結果卻存在較大差異，這是因為目前繞制線圈尺寸較小，磁均勻區域有限，尤其線圈兩端磁場分布存在差異的結果。將TMR數據歸一化，則利用9路TMR的陣列化檢測數據可較直觀的獲得損傷的分布情況；如果能夠增大線圈的磁均勻區域，同時增大TMR的分布密度，則可實現磁成像無損檢測。下一步的工作，將著力提高線圈的磁均勻區域面積，同時保證探頭的輕便化進行研究，開發可用于磁成像無損檢測的探頭。

圖5　位移測試曲線圖

圖6　陣列化TMR與線圈位置關系圖

3.4空間應用研究

嫦娥著陸器在軌應用相對于地面最大的區別是：溫度變化范圍寬，可達數10℃。根據3.2節試驗方法，著陸前工作一次，獲得參考數據，著陸后工作一次，獲得檢測數據，著陸前后TMR探頭開機工作溫度變化較大，兩次測試數據直接差分會引入因溫度變化的影響，溫度變化主要引起線圈磁芯材料磁導率的劇烈變化，從而導致線圈磁場隨溫度的較大變化，屬于磁性材料研究范疇；如何選取磁導率相對恒定的低頻磁性材料，將是下一步的工作，其影響可能導致有效的損傷信號無法識別。為保證TMR探頭檢測數據的有效性，針對著陸器艙內工作溫度范圍（-20～50℃），對TMR探頭進行了溫度試驗，并獲得了新的數據判讀方法。

試驗用SETH-Z-020型恒溫箱，變溫速率3℃/ min，溫度范圍-20～55℃，試驗中以氮氣作為保護氣。試驗方法為：（1）將TMR探頭、鋁蜂窩樣本和樣品臺同時置入恒溫箱內；（2）以TMR探頭位于內埋件正上方作為初始位置并進行固定，通過樣品臺控制TMR探頭相對鋁蜂窩樣本位移1 mm；（3）關閉艙門升溫，每個測試點保溫30 min后測試并保存數據；（4）重復1～3獲得不同位移量隨溫度變化的數據。

為了消除溫度的影響，引入了新的數據處理方法：沿線圈磁場方向（圖7）將TMR分為三排，取中間TMR作為參考TMR，兩側TMR作為測量TMR。數據差分運算方法為：各測量TMR分別與相應的參考TMR求差分，取其幅值，再對獲得的6個幅值求平均，所得結果作為該溫度、該位移下的測試值。圖7為TMR探頭溫度試驗結果。

圖7檢測結果隨溫度變化曲線圖

圖7引入新的數據處理方法后，TMR探頭與內埋件發生相對位移時，檢測幅值隨溫度呈線性變化，且各曲線斜率一致；同一溫度下，不同位移量檢測幅值呈等差變化。根據這一特性，設曲線斜率為k，截距為D，檢測幅值為V，溫度為T，則有：

式（2）-（1）可得：

式中：ΔT為著陸前后的溫度變化量；VΔT為著陸前后TMR探頭檢測幅值的差值；k為常數（由地面標定試驗獲得），所以ΔD是可測量的。根據截距的等差特點，由ΔD即可獲得受著陸沖擊影響鋁蜂窩板內金屬埋件的相對位移量。

分析可知，在進行著陸器受著陸沖擊無損檢測時，TMR探頭需配合溫度傳感器一起使用，根據當前測試數據，當著陸前后溫度變化＜5℃（實驗室溫度變化范圍）時，可直接對著陸前后數據進行差分，獲得著陸沖擊的影響數據；當著陸前后溫度變化＞5℃時，通過引入上述新的數據判讀方法，亦可獲得著陸沖擊的影響數據。

所以利用TMR探頭對著陸器鋁蜂窩結構內部埋件受著陸沖擊發生的狀態變化進行在軌測試，用于描述著陸沖擊的影響的檢測方法是可行的。

4　結論

首先分析了嫦娥著陸器鋁蜂窩板受著陸沖擊可能產生的損傷模式，研制了TMR脈沖渦流無損檢測探頭，完成了對鋁蜂窩板形變及內部埋件的測試，探頭測試精度優于0.2 mm。針對到空間應用時較寬的溫度變化范圍，通過對TMR探頭進行溫度試驗，獲得了新的數據判讀方法；可以預計，TMR探頭結合溫度傳感器一起使用，對著陸器進行無損檢測，將獲得最佳效果。

在TMR探頭的測試過程中，發現了許多有待解決的問題，如未充分考慮到激勵線圈磁芯磁導率隨溫度變化對測試結果的影響；如何優化線圈的繞制工藝，提高線圈磁均勻區域，方便陣列化TMR的布局，同時保持探頭的輕量化和便攜性；基于TMR的磁成像無損檢測技術信號處理方法等。這將是接下來的工作重點，以滿足我國航天發展的需求。

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INVESTIGATION ON THE METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING FOR LUNAR LANDER

ZHENG Kuo-hai，YANG Sheng-sheng，MIAO Yu-jun，LI Cun-hui，WANG Yi，WEN Xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The paper analyzed the defect patterns of the lunar lander impacted by landing，and advised that developing on-line nondestructive testing to diagnose the lander before and after landing by using pulsed eddy current method，the method was conformed feasibly through experiments.For the damages mis-recognition caused by temperature drifting in the space wide temperature scope，it is suggested that the data could be compensated by the cooperation of the probe and the temperature transducer，and the compensated data vary linearly，the intersect varied regularly.The state changes could be recognized by the variation of the intersection curve Vs temperature，thus the method exhibited potential engineer values.

nondestructive test；pulsed eddy current；TMR；lunar lander

V19

A

1006-7086（2016）05-0208-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.007

2016-04-05

鄭闊海，（1979-），男，河南保定人，博士，高級工程師，從事空間環境效應及防護技術研究。E-mail：zkh_79@163.com。