C/C熱防護結構高溫氣流損傷導波監測實驗方法

鄭輝，邱雷，袁慎芳，楊曉飛，盧緒龍，薛兆鵬

南京航空航天大學，機械結構力學及控制國家重點實驗室，結構健康監測與預測研究中心，南京 210016

高超聲速飛行器具有快速響應、超強突防、靈活機動等特點是一種兼備戰略威懾和實戰應用能力的先進飛行器。當前世界強國都在競相發展高超聲速飛行器技術，投入經費多達幾百億美元。中國也計劃將高超聲速飛行器科技工程列入到“十四五”國家發展規劃中。

高超聲速飛行器再入大氣過程最大飛行馬赫數可達20，熱防護結構(Thermal Protection Structures，TPS)作為高超聲速飛行器的關鍵結構，因高速飛行引起的激波壓縮、黏性摩擦等作用導致結構表面溫度急劇升高，機頭錐體、機翼前緣表面溫度達1 800～2 000 ℃，機身迎風面的溫度也在1 200 ℃左右，最高持續時間約為25 min左右。長時間的高溫作用再加之飛行過程中面臨的沖擊、振動、強噪聲、強輻射等復雜服役條件，TPS容易出現燒蝕、裂紋、分層、凹陷等損傷，為其安全服役留下嚴重隱患。為保障高超聲速飛行器的安全服役，每次飛行完成后需對其進行維修和檢測。這種方式所耗人力物力巨大，且不能實時監控結構狀態，故亟需研究能夠在線實時監測結構狀態的方法。

近年來，高超聲速飛行器結構健康監測技術受到廣泛關注。該技術利用與結構集成的傳感器，在線獲取與結構健康狀態相關的信號，通過特定的信號處理和力學建模分析方法，提取與結構損傷狀態相關的信號特征，再利用損傷診斷方法實現對結構健康狀態的評估，結構健康監測技術能夠在結構服役過程中對結構狀態進行監測和控制，該技術對保障高超聲速飛行器結構的安全服役和高效運維至關重要。在現有的結構健康監測方法中，基于壓電傳感器(Piezoelectric Transducer，PZT)的導波損傷監測方法具有監測靈敏度高、監測范圍大、既能在線應用也可離線應用等特點，是能夠直接監測結構損傷的一種重要方法。一些學者也基于該方法開展了高超聲速飛行器TPS健康監測的研究：Chang和Yang基于導波方法對碳/碳(Carbon/Carbon，C/C)復合材料壁板在外部沖擊下導致結構連接松動和壁板損傷進行監測，探索了方法潛在應用前景。Kundu等基于導波對一種耐火泡沫陶瓷材料多孔隔熱瓦的外部沖擊及其與基體鋁板結構之間的脫粘進行監測；袁慎芳等通過多物理耦合建模仿真分析對C/C復合材料板中的導波傳播特性和損傷影響進行了研究。劉科海等基于導波監測方法，采用機械切削的方式對鋁/E51復合板模擬燒蝕過程進行了研究。

目前高超聲速飛行器TPS健康監測的研究尚處于探索階段，針對TPS損傷的直接監測的相關研究較少。上述基于導波的研究中主要采用仿真和模擬損傷，缺乏對TPS模擬飛行環境受到高溫氣流產生真實損傷情況下的導波傳播特性和損傷對導波影響規律的系統性研究。

C/C復合材料因其強度高、密度低、耐受溫度高是目前高超聲速飛行器TPS中的一種重要材料。本文以C/C TPS為研究對象，提出采用壓電-導波監測方法，基于氧-乙炔燒蝕方法模擬飛行環境高溫氣流，從而制造真實損傷進行研究，主要工作包括：

1) 提出了氧-乙炔高溫氣流對TPS進行燒蝕制造真實損傷的導波監測實驗方法，建立了TPS氧-乙炔燒蝕損傷監測實驗系統，初步解決了結構迎風面和內表面的溫度測量、結構迎風面損傷測量、導波信號獲取等基礎問題。

2) 開展了不同厚度TPS的氧-乙炔高溫氣流燒蝕損傷監測實驗，獲取了結構在燒蝕前、高溫氣流燒蝕過程中、燒蝕后的導波監測信號，以及結構溫度分布情況和損傷形貌等。

3) 從燒蝕前后導波信號和特征參數的對比以及損傷程度的表征等方面分析了TPS高溫氣流損傷下的導波傳播特性及損傷影響規律，驗證了導波監測方法對TPS損傷及其擴展的監測可行性。

1 TPS導波監測方法

1.1 導波監測原理

針對高超聲速飛行器的TPS迎風面高溫氣流損傷，其導波監測原理如圖1所示，將PZT與飛行器TPS的內表面一體化集成，在TPS的內表面利用PZT主動激發導波信號傳遞到迎風面高溫區，通過布置的傳感器網絡組成區域接收響應信號。TPS迎風面健康狀態下的響應信號為基準信號，導波信號在傳播過程中遇到TPS的迎風面高溫氣流損傷后傳播特性會產生變化，這種損傷狀態下的響應信號為監測信號，通過對比分析基準信號與監測信號時域、頻域、時-頻域特征的變化，如信號的幅值、相位、能量等，來對TPS迎風面高溫氣流損傷進行評估。

圖1 TPS導波監測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of guided wave monitoring principle of TPS

1.2 損傷因子

損傷因子(Damage Index，DI)是將損傷大小與導波監測信號的某種特征關聯起來，定量地分析導波對損傷的響應和監測規律。受損傷影響的導波監測信號會發生變化，主要為幅值、相位和頻譜等時、頻域特征的變化。因此本文從表征幅值變化和相位變化以及它們綜合變化3個方面考慮，選取以下3種損傷因子進行研究，考察其對損傷的表征能力。

1) 頻譜幅度差損傷因子：

(1)

式中:()和()分別為基準和監測的頻域信號;和分別為所截取信號頻譜的起始和終止頻率;該損傷因子主要反映信號幅值隨損傷大小的變化。

2) 互相關損傷因子：

(2)

式中:()和()分別為基準和監測的時域信號;和分別為信號截取區間的左、右端點，該損傷因子主要反映信號相位隨損傷大小的變化。

3) 差分曲線能量損傷因子：

DI=

(3)

式中:()和()分別為基準和監測的時域信號;-1和為信號相鄰數據點的采樣時間。該損傷因子綜合反映信號整體隨損傷大小的變化。

2 C/C TPS損傷導波監測實驗方法及實驗

2.1 實驗方法整體架構

TPS高溫氣流損傷導波監測實驗方法整體架構如圖2所示，包括實驗對象、實驗平臺集成、實驗過程設計及實施、實驗結果分析。設計了TPS高溫氣流施加方法和導波信號獲取方法，并將對應的2套系統進行集成，搭建了TPS高溫氣流損傷導波監測實驗系統平臺，采用接觸式和非接觸式的測量方法測量溫度和損傷。在實驗過程中，通過氧-乙炔高溫氣流燒蝕TPS并測量TPS迎風面和內表面溫度，燒蝕前后獲取導波信號及燒蝕損傷程度，最后通過導波信號進行分析，實現TPS狀態評估。

圖2 TPS高溫氣流損傷導波監測實驗方法整體架構Fig.2 Framework of guided wave monitoring experimental method for high temperature airflow damage of TPS

2.2 實驗對象

實驗對象為2種不同厚度的典型C/C TPS，尺寸分別為250 mm× 250 mm× 8 mm、250 mm× 300 mm× 14 mm，如圖3所示，材料參數見表1。

圖3 C/C TPS實物圖及尺寸Fig.3 Diagram of C/C TPS

表1 C/C TPS典型參數Table 1 Typical parameters of C/C TPS

2.3 實驗平臺集成

實驗平臺集成包括高溫氣流施加方法及系統，導波信號獲取方法及系統，溫度及損傷測量方法。

1)高溫氣流施加方法及系統：TPS的高溫氣流施加方法采用GJB 323B—2018《燒蝕材料燒蝕試驗方法》規定的氧-乙炔燒蝕實驗方法。氧-乙炔燒蝕實驗平臺如圖4所示，整個實驗平臺包括試件夾具、燒蝕槍、燒蝕控制臺組成，其中TPS由夾具進行裝夾，燒蝕槍負責噴射高溫火焰燒蝕TPS，燒蝕控制臺主要控制燒蝕槍的燒蝕時間、燃料配比及機械運轉。為使TPS充分燃燒，選擇其迎風面中心點處為燒蝕位置，如圖5(a)所示。

2) 導波信號獲取方法及系統：在傳感器方面，由于高溫氣流燒蝕過程中，TPS處于高溫狀態，所以壓電傳感器采用高溫傳感器，傳感器與結構的耦合采用高溫粘結劑，其引線采用高溫引線及高溫焊接方法與傳感器連通，實現導波激勵、響應和信號傳輸。研究中，TPS監測區域面積設計為200 mm×200 mm，在監測區域范圍內布置了8個壓電傳感器，如圖5(b)所示。傳感器編號分別為1～8號，共設計了28個導波激勵-傳感通道，如圖6(a)所示。在監測系統方面，采用南京航空航天大學自主研制的集成導波結構健康監測系統(簡稱：導波監測系統)，如圖4所示。該系統在同一個時刻，控制8個傳感器中的其中2個傳感器實現導波的激勵信號施加和響應信號獲取，通過對8個傳感器組成的28個導波激勵-傳感網絡通道進行掃查，獲取覆蓋整個結構監測區域的導波信號。

圖4 TPS高溫氣流損傷導波監測實驗平臺Fig.4 Guided wave monitoring experimental platform for high temperature airflow damage of TPS

3) 溫度及損傷測量方法：在溫度測量方面，為了研究TPS上典型位置溫度情況，選擇在壓電傳感器位置、TPS內表面中心點位置、迎風面邊緣處共布置了12個熱電偶傳感器，并依次編號為1～12，如圖5(b)和圖6(b)所示。TPS迎風面中心位置在燒蝕過程中處于超高溫狀態，因此采用非接觸的紅外測溫儀(CIT-1MD，量程600～3 000 ℃)進行溫度測量。在損傷測量方面，采用顯微放大系統(WSUSB401，放大倍數5～200倍)觀察燒蝕后產生的損傷形貌，并通過千分尺(AH37，精度±0.007 mm)測量TPS迎風面燒蝕位置中心點的損傷深度。

圖5 TPS及傳感器布置實物Fig.5 Diagram of TPS and sensor layout

圖6 TPS傳感器布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of PZT and temperature sensor layout on TPS

2.4 實驗過程

在對TPS施加高溫氣流燒蝕前，導波監測系統獲取TPS處于健康狀態下的基準信號，用表示，并測量TPS表面初始溫度和燒蝕位置的初始深度。然后對TPS施加高溫氣流燒蝕。一次完整的燒蝕過程包括點火、燒蝕、關火3部分，如圖7所示，燒蝕持續時間設置為20 s。

圖7 TPS氧-乙炔高溫氣流燒蝕過程Fig.7 Ablation process of TPS by high-temperature airflow of oxygen-acetylene

針對每次燒蝕，實驗過程設計如下：燒蝕槍點火，調整控制臺燒蝕熱流密度為3 700 kW/m；轉動燒蝕槍對TPS施加高溫氣流，在TPS燒蝕過程中測量溫度；燒蝕槍關火后，待TPS整體溫度降低到初始溫度點附近時，進行導波信號獲取，并測量燒蝕位置中心點處損傷深度。研究中共計對TPS施加了11次燒蝕，每次燒蝕后獲取的導波信號用表示，其中=1,2,…,11。

上述實驗中，導波監測系統的參數設置為：激勵信號波形為正弦調制5波峰，激勵信號中心頻率從50 kHz到300 kHz掃頻，頻率間隔10 kHz，激勵信號幅值為±70 V；導波響應信號采樣率為10 MSamples/s，采樣長度為5 000個數據點，采用預觸發采集模式，觸發長度500個數據點。

2.5 實驗結果

燒蝕過程中，觀測到TPS迎風面燒蝕區域的溫度平均值約為1 800 ℃。對8 mm和14 mm2種 TPS統計了燒蝕過程中內表面溫度變化，其中14 mm TPS的典型結果如圖8所示，其內表面中心點處最高溫度超過500 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近90 ℃。8 mm TPS的內表面中心點處最高溫度超過1 000 ℃，壓電傳感器附近的最高溫度接近110 ℃。TPS燒蝕位置隨著燒蝕程度的增加，損傷形貌由點狀小坑逐漸轉變成凹坑，類似蜂窩形狀，如圖9所示。TPS燒蝕損傷深度測量結果如圖10所示，隨著燒蝕次數的增加，損傷深度呈現線性增加的趨勢，損傷擴展速率約為0.007 mm/s。

圖8 14 mm TPS燒蝕過程中內表面傳感器溫度變化Fig.8 Temperature variation during ablation process of 14 mm TPS

圖9 14 mm TPS典型燒蝕損傷及深度Fig.9 Typical ablation damage and its depth of 14 mm TPS

圖10 14 mm TPS燒蝕深度與燒蝕次數關系曲線Fig.10 Relationship between ablation depth and ablation times of 14 mm TPS

3 C/C TPS導波傳播特性及損傷影響分析

3.1 C/C TPS的導波傳播特性

實驗過程中，對8 mm及14 mm TPS的導波監測信號均進行了分析，2種TPS的導波傳播特性規律基本一致，所以以下均以14 mm TPS的導波信號為例給出實驗結果。圖11給出了TPS未燒蝕時，激勵-傳感通道4-5獲取的50～300 kHz全頻率信號瀑布圖。從圖中可以看出，在TPS上導波能夠被正常的激勵和響應，但由于結構尺寸有限，信號中存在大量邊界反射，導致信號混疊嚴重，所以在下面的分析中，主要考慮信號的直達波段，如圖12所示。

圖11 14 mm TPS 4-5通道50～300 kHz 導波信號瀑布圖Fig.11 Waterfall plot of guided wave signals at 50-300 kHz of channel 4-5 of 14 mm TPS

圖12 14 mm TPS 激勵-傳感通道4-5中心頻率80 kHz的典型導波信號Fig.12 A typical guided wave signal with a center frequency of 80 kHz obtained by channel 4-5 of 14 mm TPS

以下采用直接經過燒蝕損傷的激勵-傳感通道4-5、2-7、1-8、3-6獲取的信號進行分析，主要包括信號幅值和群速度受燒蝕損傷的影響情況。信號的中心頻率為80 kHz。圖13(a)、圖13(c)、圖13(e)和圖13(g)給出了上述通道獲取的基準信號，以及第4次、第8次和第11次燒蝕后獲取的監測信號，可以看出TPS燒蝕后導波信號發生了明顯變化。從圖13(b)、圖13(d)、圖13(f)和圖13(h)給出的基準信號和監測信號之間的差信號可以觀察到，隨著燒蝕損傷程度的增加，差信號幅值增大，表明信號的變化程度增大。

為了定量化觀察燒蝕損傷的影響，統計了信號直達波幅值和波速的變化規律，結果如表2和表3所示。從表2可以看出，隨著燒蝕損傷程度的增加，直達波幅值逐漸增大，傳播速度呈現逐漸變快的趨勢。從表3可以得到，隨著燒蝕損傷程度的增加，相對于基準信號的幅值，差信號幅值的變化程度增加。同時表3還計算了差信號相對基準信號的變化情況，可以看出TPS燒蝕后差信號直達波幅值平均達到基準信號直達波幅值的16%以上，在累計燒蝕11次后，燒蝕損傷深度1.645 mm 時達到了54%。上述結果表明導波對TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠對其進行損傷監測，并且通過在TPS內表面集成傳感器監測TPS迎風面損傷是可行的。

表2 TPS燒蝕前后的導波信號直達波幅值、波速統計結果Table 2 Statistical results of direct wave amplitude and wave velocity of guided wave signals before and after ablation of TPS

表3 TPS燒蝕前后的導波差信號幅值統計結果Table 3 Statistical results of amplitude of guided wave difference signals before and after ablation of TPS

3.2 C/C TPS的導波損傷表征

基于式(1)～式(3)給出的損傷因子計算方法得到了11次燒蝕狀態下中心頻率為80 kHz的導波監測信號損傷因子，如圖14和圖15所示。監測通道考慮直過損傷的激勵-傳感通道1-8、2-7、3-6、4-5和非直接過損傷激勵-傳感通道1-2、1-3、1-4、1-6這2種情況。可以看出隨著TPS燒蝕程度的增加，直過損傷通道3種損傷因子均增大，非直過損傷通道的損傷因子也呈現逐漸增大的趨勢，但其損傷因子變化程度小于直過損傷通道的損傷因子變化程度。

圖14 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計算結果Fig.14 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖15 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率80 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計算結果Fig.15 Damage index results of signals with a center frequency at 80 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

為了對比不同頻率信號的監測結果，計算了上述通道的中心頻率為130 kHz的導波監測信號損傷因子，如圖16和圖17所示。通過對比可以看出，隨燒蝕損傷程度的增加，高頻信號損傷因子的變化相比于低頻信號損傷因子的變化更明顯，表明高頻導波信號可能對TPS燒蝕損傷的敏感程度更高。

圖16 14 mm TPS直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計算結果Fig.16 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

圖17 14 mm TPS非直過損傷通道中心頻率130 kHz不同燒蝕損傷深度下的損傷因子計算結果Fig.17 Damage index results of signals with a center frequency at 130 kHz of channels not directly through damage of 14 mm TPS with different ablation damage depths

上述結果表明了采用導波損傷因子對TPS的高溫氣流損傷及其擴展程度進行表征是可行的。

4 結 論

針對高超聲速飛行器C/C TPS，提出了一種C/C TPS損傷導波監測的氧-乙炔高溫氣流燒蝕實驗方法，初步形成了高溫氣流真實損傷施加、導波獲取、溫度和損傷測量等問題的解決方案。通過導波監測氧-乙炔燒蝕的C/C TPS真實損傷，獲得典型導波監測信號并進行分析研究，得到以下結論：

1) 高溫氣流燒蝕過程中，8 mm和14 mm TPS 正面溫度均達到1 800 ℃，傳感器附近的最高溫度分別達到了約90 ℃和110 ℃。燒蝕過程中損傷隨燒蝕時間的增加呈現線性增加的趨勢，損傷擴展速率均為0.007 mm/s。TPS損傷形貌隨著燒蝕程度的增加由一個點狀小坑逐漸轉變成一個凹坑。

2) 隨著TPS燒蝕損傷程度的增加，直達波幅值逐漸增大，波速呈現逐漸增加的趨勢，差信號幅值相對于基準信號的幅值的相對變化程度增加，平均達到16%以上。表明導波對TPS高溫氣流損傷比較敏感，能夠對其迎風面損傷進行監測。

3) 隨損傷程度增加，導波多種損傷因子均具有增大的趨勢，且高頻下變化更明顯，表明損傷因子方法能夠表征TPS的損傷嚴重程度和擴展趨勢。

未來將基于上述實驗方法及平臺，深入研究基于導波的TPS損傷監測方法，包括損傷定位方法和損傷程度的定量化方法等。此外，也將考慮通過燃氣發動機尾流燒蝕實驗來更加逼近TPS實際應用環境及損傷發生條件，建立發動機尾流燒蝕導波監測實驗平臺及方法，為高超聲速飛行器TPS的結構健康監測研究提供支持。