結構健康監測技術研究及其在航空航天領域中的應用

王國珍 黃克瑤 朱妍燾

摘要：當今時代，結構健康監測已經成為全球范圍內重點研究的內容，在結構健康監測技術中，航空航天中的飛行器結構是其中非常重要的應用對象。但在飛行器結構健康監測技術從實驗室研究，走向實際工程方面的應用，仍然需要非常大量的試驗驗證研究性工作。該文結合筆者自身相關學習經驗，就結構健康監測技術研究及其在航空航天領域中的應用進行相關探討。

關鍵詞：結構健康監測?航空航天?飛行器?科學技術

中圖分類號：V467???文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中明確指出，在我國航空科技領域未來發展過程中，將積極并重點實施大型飛機工程，此項戰略目標的發展對保證我國國民經濟發展以及我國國防安全都有著重要的戰略層次意義[1]。在大型飛機發展的過程中，必然需要集體結構的技術，要保證飛行器具備良好的結構先進性、機構新穎性、安全性，同時還需要滿足容易維護、高性能飛行等指標，必然需要飛行器結構健康監測技術[2]。

C-掃描、紅外熱像等一些傳統的無損檢測技術雖然在進行飛行器結構損傷檢測工作中可以起到一定的作用，但做不到對整體結構中產生的損傷實現實時性的監測效果，同時也具有較為明顯的現場檢測局限性，對于一些隱藏部位的損傷則無法檢測，同時需要較多的人工干預，從而產生較大的人為因素影響，也會耗費較多的時間。除此之外，在當今時代的飛行器之中，越來越多的復合材料應用其中，對于飛行器結構損傷檢測技術也提出了更高的要求，尤其是面對越來越大的復合材料結構尺寸，傳統的無損檢測技術需要較高的監測成本，在速度、效率等方面，都很難滿足客戶、維護部門等多方面的要求。

1大型飛機對結構健康監測技術的需求分析

第一，在民機方面，其結構大量采用先進的復合型材料，從而實現了有效的機體減重，較為明顯地降低了運營的成本，但同時也為保證飛機的安全性提出了較高的要求。

第二，在集體結構的外形、結構形式方面，也呈現出更為復雜的趨勢，不斷增加的幾何尺寸也非常明顯，針對這種復雜結構、大結構尺寸的集體結構，對于其可靠性、維護性方面也都有了更高的要求。

第三，在民用飛機方面的燃油費、維護費等方面，其經濟性也是重要的考慮因素。

第四，我國軍用運輸機當前已經可以達到800～900?km/h的速度，這是陸路運輸速度的15倍之多，是海陸運輸的25倍，總體航程也超過了5?000?km，可以有效覆蓋非常廣闊的疆土，并且如果應用空中加油，還可以在全球范圍內完成運輸。我國也在積極開展大型運輸機的研制工作，但仍面臨諸多問題有待解決。

首先，當前現代軍機制造過程中應用了鈦合金、復合材料等多種新型的材料和工藝，整體化構件制造、超塑成形等高新技術也被應用其中。通過這些材料、工藝的應用，對傳統化的結構損傷、結構安全性設計理論方面，提出了更高要求和標準。

其次，無論是戰略轟炸機還是大型運輸機，兩者都具有寬大的機身結構，同時具有超大尺寸的壁板、大開口等結構形式，同時這些集體結構可以達到60?000?h以上的使用壽命，壽命也超過40年之久，這是我國在飛行器研制工作中必須要面臨的新問題，這也對整體飛行結構在可維護性、可靠性方面提出了較高的要求。

以上問題都可以通過結構健康監測技術予以解決，可以實現實時的結構狀態監測工作，從而提升飛行器的可靠性、安全性，在延長壽命的同時，減少維護所花費的費用。此項技術的研究對于我國航空飛行器的自主知識產權發展，也具有歷史性的重要意義。

2在飛行器結構上結構健康監測技術的應用

結構健康監測技術在航空航天領域的實際應用中，可以分為離線和在線兩種結構健康監測系統[3]。其中離線結構健康監測系統只能對結構進行主動性的監測，一般來說，只有在被監測的飛機結構上永久性地安裝傳感器網絡，飛行器在離開地面的時候，通過位于地面的數據采集系統、信號驅動系統，從該傳感器獲取所需的數據，以此來判定飛行器結構當時的健康狀態，在主動監測的過程中，獲得飛行器結構內部所產生的有關損壞、損傷的相關信息。而針對在線結構健康監測系統實際應用中，整體系統的所有組成部分都是安裝在飛行器上，可以同時針對結構內部的損傷、撞擊等進行實時性的監測。雖然在飛行器結構上，在線結構健康監測屬于主要的應用目標，但該技術成熟度方面會有一定的限制，在當前飛行器結構方面應用結構健康監測技術，還是以離線結構健康監測系統為主要方向。

2.1飛行器結構上復合材料結構中損傷的健康監測

在當今世界航天航空發展過程中，已經越來越多地使用復合材料，究其原因，主要是因為復合材料具有較高的強度和剛度，在新一代的飛行器當中，先進的復合材料已經成為主要的結構材料。各向異性的復合材料具有多樣性的結構形式，而在微觀構造方面，則具有明顯的不均勻性，而在宏觀構造方面來說，具有明顯的呈層性，同時因為使用條件的復雜、所受載荷的多樣性，從而促使復合材料結構分析過程中，針對耐久性、完整性的分析具有較高的難度。因此，現有的復合材料結構設計之中，許用值多建立在較大隱藏損傷存在于復合材料的假設上，這種方法可以充分發揮出復合材料的優越性。因此，必須要充分發展更為先進的傳感技術，可以全面化監測復合材料結構的狀態，同時全面監測器損傷，從而可以全面、準確、快速地對復合材料結構在使用環境中的完整性進行評價、確定，為相關復合材料結構高效設計提供有效的技術支持。

在結構健康監測系統中，主要是以內置傳感器網絡智能層為基礎[4]，繼而才可以實現對纖維纏繞復合材料壓力容器空間飛行器貯箱的完整性進行監測。美國航空航天局成功在馬歇爾航天飛行中心研制出含有嵌入式智能層的纖維纏繞復合材料貯箱樣品。在其中，根據傳感器網絡中的所有驅動器——傳感器路徑中，對所產生的基線數據進行記錄，在復合材料貯箱中引入沖擊損傷，在此之后針對由于損傷而導致的傳感器信號的變化，進行仔細的觀察。再將驅動器——傳感器路徑信號的改變進行記錄，最終獲得損傷未知和損傷的大小所對應的圖像。

在以上所述內容中，結構健康監測系統被應用于纖維纏繞復合材料貯箱之中，但除此之外，還可以在碳纖維增強復合材料的飛機機身上，完成飛機結構的損傷監測工作。在2001年，波音公司曾經就制造出大型的復合材料機身樣品，從而也在當時的年代展現出新型飛機研發的主要概念，同時，這種復合材料結構的誕生，為在全尺寸飛行器結構部件級上應用結構健康監測系統方面提供了良好的平臺。在其中共有72個壓電傳感器的三塊智能層，以此為基礎，將其成功地安裝在復合材料機身的內表面之中，以內置傳感器網絡智能層為基礎的結構健康監測系統的實際應用中，將其損傷監測功能良好地展現出來。

2.2飛行器結構上的疲勞裂紋監測分析

在美國空間針對復合材料粘接修復監測技術評估項目中，曾經就使用以智能層的結構健康監測技術為基礎的實驗，主要是針對復合材料粘貼補片下，疲勞裂紋擴展監測方面的試驗，該項試驗主要是在賴特帕特森空軍基地完成。這項試驗項目中，應用的是主動結構健康監測系統，該系統是以智能層為基礎完成裂紋在疲勞載荷下擴展的監測活動，這種方法在應用中，主要是通過半經驗化的方法，完成測量損傷大小的目的，同時還可以定時、定量監測損傷的擴展情況。在這種方法中通過給出損傷指數曲線的幾個初始數據點，也就是說裂紋的長度，從而確定裂紋的實際長度、損傷指數兩者之間的關系。

2.3飛行器結構中的沖擊監測分析

在發生在飛行器結構的外部沖擊中，主要是應用以傳感器網絡智能層的被動監測系統進行監測，其中監測內容主要包括位置、實踐、沖能大小等方面。應用ATK全尺寸的GEM60復合材料火箭發動機中，針對被動監測系統的功能完成了較為完整的驗證。

基于以上分析可以得出，在航空航天領域中，如若可以良好地應用結構健康監測系統，則需要滿足三方面的條件：首先，要保證便于使用，其中包括自動數據分析、安裝、標準輸出等多方面的使用;其次，必須要將檢測結果進行明確的定義，其中包括損傷的位置、損傷的尺寸、檢測的概率等多種可以量化的內容;最后，需要保證具有較高的可靠性，其中主要包括如自我診斷、較好的可維護性、環境補償方面等。

3以多主體協作的結構健康監測系統為基礎的管理方法

近些年來，在實現分布式系統的過程中，智能協作技術被認為是其中非常關鍵性的技術之一，具有非常重要的作用和意義。究其原因，不僅因為智能協作技術可以促使分布式系統的所有資源，可以提升應用的充分性、高效性，而且因為通過這項技術的應用，還可以提供一個良好的管理和組織平臺，繼而才可以構建出具有復雜性、大型的分布式信息處理系統[5]。除此之外，在整體智能協作系統之中，其中包括杜仲不同的信息子系統，或者是信息源，將其轉變成為不同的智能主體，雖然每個不同的智能主體可以獲得相應的信息，但這些信息具有不完整性和不精確性，并且其只有有限的信息處理能力，但是基于不同的主體具有關于系統整體組織結構的只是，或者是關于其他主體的技能、資源、目標等多方面的只是，基于此，就可以形成具有自主性、社會性的智能主體，在不同的主體之間形成相互的作用，從而在使用系統的所有資源的過程中，更為高效且更為透明，通過相互的協同、互相作用，最終將單一主體無法解決的困難和問題解決掉。

在美國航空航天局方面的科技信息計劃匯總，曾經就提出應用主體理論，可以將航空航天飛行器的概念進行無年限的使用，在此項研究中，作為飛行器綜合狀態管理系統的一部分，究其主要目標在于促使飛行器可以進行自修復、自診斷，并且在美國的這個研究之中，提出將航空航天飛行旗結構設計成由單元tiles組成的多單元結構。其中不僅具有原有的承載、保護等功能，同時還具備了邏輯處理單元、通信等方面的能力，并同時成為一個主體單元。美國航空航天局系統通過多主體之間的協作，實現整體飛行器的自診斷、自修復結構的目標。

我國的南京航空航天大學曾經就提出在結構健康監測系統管理中，將智能協作技術應用其中，其主要是以多主體協作管理為基礎，構建的結構健康監測驗證系統，主要應用于解決大型鋁板結構上三種典型對象的監測方面的問題，分別為沖擊載荷定位監測、靜態載荷位置的監測以及螺釘松動方面的監測。在整體監測系統中，還集合了三種常見的傳感器，分別為段子應變片、光纖Bragg光柵以及壓電傳感器，同時在其中還集合了聲發射系統、光纖光柵解調儀和電子應變儀，同時集合了南京航空航天大學的實驗室自主研發的多通道壓電掃查系統等多種測試方面的設備。通過不同主體、子系統之間形成的有效協作，可以將以上不同的傳感器信息融合到系統之中，并可以根據需要，自主性選擇所需的傳感隊形，丟棄無用的數據，對上述較為明顯且典型的結構損傷狀態進行識別，同時在靜態載荷監測之中，通過重組傳感網絡，解決相鄰兩個區域的交界位置監測方面的問題[6]。

4結語

在當今全球范圍內，結構健康監測都是非常重要的研究對象，而飛行器結構是整體結構健康監測技術研究的主要應用對象。通過結構健康監測系統技術的有效應用，在我國飛行器結構設計、維護等多方面，都有著非常重要的促進和支撐作用。在整體結構健康監測技術研究中，會涉及到如材料、力學、信號處理、傳感器、信號等多方面的學科領域知識，因此，要想實現在飛行器上成功應用結構健康監測技術，就要解決上述多方面的問題。

參考文獻

[1]馮玉光，徐望，顧鈞元，等.導彈裝備健康管理及其關鍵技術研究[J].兵器裝備工程學報，2017，38（1）：7-11.

[2]張衛方，何晶靖，陽勁松，等.面向飛行器結構的健康監控技術研究現狀[J].航空制造技術，2017（19）：38-47.

[3]田貴云，張俊，孟召宗.無源無線射頻識別傳感器及其在結構健康監測中的應用[J].南京航空航天大學學報，2017，49（4）：453-460.

[4]高東岳.基于機器學習方法的超聲導波結構健康監測研究[J].纖維復合材料，2020，37（3）：3-8.

[5]陳霞，楊宇，杜振華，等.飛機強度試驗中結構健康監測采集控制系統[J].測控技術，2021，40（11）：108-112，130.

[6]楊辰.結構健康監測的傳感器優化布置研究進展與展望[J].振動與沖擊，2020，39（17）：82-93.