固体发动机健康实时监检测技术研究综述∗

2020-11-29

舰船电子工程 2020年7期

（海军航空大学岸防兵学院烟台 264001）

1 引言

近年来伴随新式舰艇不断服役，以往采用的倾斜式发射系统由于发射效率低与通用性差等缺点逐步被垂直发射系统取代。在全寿命周期中，立贮式固体发动机受不同环境载荷影响会发生老化现象引起性能下降，影响其作战使用［1～4］。如何及时可靠地掌握立贮式固体发动机寿命周期内的健康状态，有着相当重要的军事与经济意义，也是当前固体发动机领域国内外研究的热点课题。

2 固体发动机健康监检测主要方法

2.1 传统健康监检测方法

针对固体发动机健康状态的监检测，目前典型的做法是采用传统的无损检测技术如工业CT探伤、超声波检测法、射线照相、红外法等对发动机进行定期抽样检测，基于脱粘、药柱变形、孔洞等缺陷对发动机的健康状态做出定性判断［5～7］。

这种监检测方法的缺点在于：

1）无法实现发动机健康状态的定量判断，检测可靠性较差。通过工业CT等无损检测技术可定性判断发动机界面是否脱粘，但对于未脱粘界面无法确定其损伤状况及剩余寿命。当前无损检测技术通常是根据监测发现的脱粘等缺陷，由检测者依据历史经验定性判断发动机健康状态，可靠性和可信度值得商榷。

2）不具备全弹全周期监检测能力。传统无损检测技术采用抽样检测方式，无法实现发动机的全覆盖检测。大量研究工作表明，由于每台发动机载荷历程不同，即使是同一批次发动机，健康状况也有较大差异。同时，为了更加准确地判断发动机健康状态和对发动机寿命做出预估，有必要掌握单台发动机整个服役周期的特性变化史，而目前的无损检测技术采用阶段性定期监检测模式，不具备这种能力。

3）不具备现场实时监检测能力。基于现代战争的需要，越来越要求固体发动机具备长期战备值班能力，在长期值班特别是舰载巡航过程中，必须能够实时掌握固体发动机健康状态，而常用的工业CT探伤方式需要将发动机从导弹上拆卸下来，运入工业CT实验室进行检测，显然不具备现场实时监检测能力。

2.2 结构健康实时监检测技术

结构健康实时监检测技术是近年发展起来的新兴技术，可以实现结构健康状态的在线实时监检测。它采用内嵌式或表贴式传感器作为探测系统，能实时监测结构内部的损伤与状态变化，并利用探测到的响应，同时结合被测主体结构以及探测系统的特性来判定结构损伤的严重程度以及结构主体安全性与剩余寿命，有效避免了结构主体的突然失效引起的重大伤害［8］。

相比传统健康监检测方法，结构健康实时监检测技术的优势在于可以实现被测结构现场监检测及安全性评估，技术应用过程简单；可以实现健康状态的实时定量分析与判断，监检测可靠性与实时性高；监检测系统维护方便，且避免了被测结构在应用地点与检测室之间的往返运输及拆装，有效降低了监检测成本，提高了监检测效率［9］。作为该技术在固体发动机上的具体应用，立贮式固体发动机界面应力监检测技术主要是通过定期采集多种监检测传感器的测量数据来分析发动机不同寿命历程下界面的特性数据变化情况，确定固体发动机的界面健康状态。

结构健康实时监检测技术研究内容主要包括传感技术、集成技术以及信号的采集与处理技术［10］。传感技术是结构健康实时监检测技术研究的基础，其监测参数类型、监检测精度和稳定性等直接关系到结构实时健康监检测技术应用有效性。将多种监检测传感器、数据传输和处理模块等集成入主体结构会影响主体结构以及传感器自身性能，必须最大限度实现传感器和采集设备等硬件的集成化和小型化。对特征信号的采集与处理决定了结构实时监检测技术的可靠性，要想该技术在固体发动机上得到实际应用，信号的采集与处理技术必须实现突破。

3 固体发动机健康实时监检测技术国内外研究现状

3.1 国外研究现状

结构健康实时监检测技术最早主要应用于桥梁等大型结构上，20世纪后期，许多大型桥梁结构开始采用健康实时监检测系统监测桥梁的健康状况［11］。鉴于传统固体发动机健康监检测技术的缺点与新型结构健康实时监检测技术的独特优势，20世纪末开始很多国家都开始了固体发动机健康实时监检测技术的研究［12～14］。美国“寿命预估技术计划（1988-1995）”首次提出了开展固体发动机健康实时监检测技术研究［15］。美国国防部下属的实验室同步启动了多项新研究计划，以研究应用内嵌式传感器监测发动机老化参数的可行性［16～18］。2003年，在美国倡议下，多国共同成立了“弹药实时监检测技术联合研究所”，研究新的监检测技术，该机构目前已在实验室范围内先后针对传感监检测系统、数据传输技术、寿命评估技术等领域进行了比较成熟的研究，预计今后10年左右将可应用于实装发动机的监检测［19］。2004年以后，由于大型固体发动机传统监检测方法成本昂贵及现场评估发动机完整性的迫切需要，发动机健康实时监检测技术越来越受到重视，国际固体发动机行业近年来不断增加健康实时监检测技术方面的投资，澳大利亚、英国和荷兰等国家相继开展了类似研究［20～24］。2010年，在“导弹健康监测和寿命预估项目进展”大会上，美国、法国等近十个国家共同梳理了固体发动机健康实时监检测技术的成果和未来发展［25］。

在监检测传感器研制方面，针对寿命预估技术要求，主要对固体发动机的应力、应变、温度、湿度、冲击和气氛变化等特性监检测传感器进行了研究，其中力学特性监检测传感器技术最为成熟。美国在该领域研究主要围绕DBST双模传感器进行，其稳定性和测试精度均达到了可接受的范围［26～27］。最近美国又针对DBST传感器做了进一步的改进，研制成功了如图1～4所示内嵌式无线传感器［28～29］。其无线功能的实现消除了布线对发动机结构完整性的影响，但同样带来了静电屏蔽问题，导致其应用限制性较大。美国最新研究计划是开发多特性无线监检测传感器，着力解决传感器抗静电屏蔽性差的问题，同时实现温度、湿度、应力、应变和气氛等多种物理和化学特性的集成监检测，且准确性更好，灵敏度更高，使用寿命更长［30］。西方其他国家方面，英国研制了陶瓷厚膜应力传感器，该传感器测量精度和使用寿命甚至好于DBST传感器，但由于加工工艺问题，严重增加了传感器制造成本，影响了应用普及性［31］。荷兰研制了界面粘接应力传感器，可实现正应力测量［32］。加拿大先后研制了温度传感器和加速度传感器等多种特性传感器［33］。德国和荷兰开展了“发动机界面多应力传感器网络监视”研究，通过提取分析传感器网络的应力监测数据，进行了发动机的寿命预估［34］。化学传感器方面，荷兰研制了聚合物光纤氧传感器，可以通过发动机推进剂化学成分的变化判断其化学老化情况［35］。

在监检测技术应用的有效性研究方面，Jim Buswell［36］等用粘接应力传感器监检测系统监测了多台导弹助推器的应力特性数据，对该型传感器的监检测准确性进行了研究，结果较为理想。Ger⁃hard Reeling Brouwer［37］设计生产了装有监检测系统的固体发动机，通过地面热试车试验研究了发动机工作过程中内嵌式传感器的应用可行性。Chelner H［38］等对应用内嵌式传感器进行药柱特性监测开展了研究工作，得到了发动机不同寿命历程中的特性数据。Ihn J［39］和 Anhduong Q［40］等开展了裂纹的监检测研究，将应力传感器沿圆周均匀布置在发动机壳体内表面，研究固体发动机健康实时监检测系统对裂纹的监检测能力，得到了裂纹深度和传感器数据之间的定量关系。Gunter Mubbach［41］等在多个小型固体火箭发动机中埋入应力传感器测试发动机老化和热循环载荷下的应力值，并对测量结果进行了讨论。

综上可知，在传感器研制技术方面，国外主要围绕小型化、无线化和测量参数多样化开展了相关研究，并且对传感器长期工作的稳定性方面也较为重视，在监检测系统设计及监检测技术应用方面，相关工作则主要针对传感器的布置方式、监检测数据传输与处理方法及不同载荷环境下的监检测可靠性等关键领域。目前为止，美国等国家也只是在模拟发动机上搭建了健康实时监检测系统开展相关研究，尚未应用于实装发动机。

3.2 国内研究现状

与国外早在20世纪就已经开展相关研究相比，国内起步较晚，2008年，邢耀国［42］等对结构健康实时监检测技术在固体火箭发动机上的应用进行了综述和展望，标志着我国固体发动机健康实时监检测技术的研究正式开始。2010年，李瑛［［43］对应用传感器进行的固体发动机健康实时监检测技术进行了说明，并列举了国外的几种传感器类型，进一步探讨了健康实时监检测技术在固体发动机中的应用。

在监检测传感器研制方面，早期的研究主要集中在理论层面，对于嵌入式微型应力传感器高精度的要求，李立杰［44］、余兆国［45］等研究得出相比圆形膜片，采用矩形膜片的微型传感器测量精度更高。对于嵌入式微型传感器低能耗的要求，褚金奎［46］、张晓惠［47］等对压电微能源进行了深入研究，该能源具有长寿命、高能量密度、与MEMS工艺兼容性好等优点。对于嵌入式微型剪切模量传感器的要求，雷强［48］对MEMS壁面剪切应力传感器的测量原理、优缺点进行了分析，并预估了MEMS剪切应力传感器未来的发展方向。

直到2015年，国内才研制出了可内嵌于固体发动机的界面应力-温度传感器，但其存在着结构尺寸过大（Φ15mm×3mm）、数据可靠性差、引线脆弱易断、使用寿命短（设计指标为6个月）等缺点，很难应用于实际发动机监检测技术［49～50］。几乎相同时期任海峰［51］、高鸣［52］等研制了粘接应力传感器，同样存在使用寿命短、抗过载能力差的缺点，并且零点漂移较严重。在健康实时监检测系统及监检测技术应用的有效性研究方面，徐廷学［53］等提出通过有限元模型的模态分析和应变分析完成传感器的位置初选，然后根据遗传算法进行布局优化，仿真结果表明该方法可以有效地解决传感器优化布置问题。赵汝岩［54］等建立了基于证据推理算法的评估模型，在评价过程中引入时间校正，使用ER算法通过三角形模糊数计算隶属度，实现固体发动机监检测数据的实时处理，结果表明该模型可以正确处理监测数据中的模糊信息，从而实现对发动机健康状态的实时准确诊断。

3.3 国内外研究现状评述

对固体发动机健康实时监检测技术的研究，我国与国外差距明显。通过对国内外的研究现状进行梳理可以看出，国外已经具备了温度、湿度、气氛、应力、应变等多种类型监检测传感器的研制技术，且监检测传感器在发动机中的有效埋置寿命长达四年以上，美国更是实现了无线传感器的研制技术。由于我国的传感器技术和生产工艺技术的不足，使得传感器研究和生产远远落后于美国，进而影响了我国对固体火箭发动机健康实时监检测技术的研究。目前国内只研制出可用于界面正应力和温度测量的相关传感器，且其应用效果并不理想，而剪切应力监检测传感器、化学特性监检测传感器等研究在我国还处于空白阶段，这些都影响了固体发动机健康实时监检测技术的发展。对于监检测系统的研究，国内虽然开展过相关工作，但由于发动机埋置空间限制，均选择了只把监检测传感器内置，其余能量供应装置与数据传输模块通过布线外接的布置方式，不仅破坏发动机结构完整性，过多的外接布线对开展监检测工作也造成巨大安全隐患，监检测技术走向实际应用的可操作性不强。同时，由于现有健康实时监检测技术只能实现发动机界面正应力和温度数据的测量，健康监检测结果可靠性较差。