典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

2012-11-20贾东永刘治东庞宝君

载人航天 2012年5期

贾东永，刘治东，庞宝君，刘刚，赵铄，谷巍

（1中国空间技术研究院，北京100094；2哈尔滨工业大学，哈尔滨150006）

1 引言

随着人类航天活动的增多，空间碎片环境日益恶化[1]，严重威胁航天器在轨运行安全。空间实验室及空间站等载人航天器具有体积大、设计使用寿命长等特点，空间碎片碰撞概率更高。为应对空间碎片的威胁，提出使用基于声发射技术的在轨感知系统实时监测航天器，感知空间碎片撞击事件[2]，并定位撞击点，为便于事后损伤修补，定位误差应小于500mm。

欧洲航天局在20世纪90年代初委托挪威船级社利用声发射（AE）技术，在国际空间站“哥伦布”舱上进行了断铅定位试验，定位误差小于0.5m，说明声发射源定位技术可用于大型载人航天器密封舱结构[3]。Schafer和Rolf对铝合金平板和蜂窝铝板进行了高速撞击源定位研究，试验采用了厚度2mm的铝合金平板和厚度为49mm的蜂窝铝板作为研究对象，分别进行了高速撞击源定位试验并给出了每次撞击试验的实际位置与预测位置，结果表明该技术具有可行性[4]。他以撞击位置和撞击时刻为变量，将定位问题转换为三元函数求取最小值的数学问题，该定位方法需要至少使用4枚传感器。

国内，哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心率先开展了基于声发射技术的空间碎片高速撞击在轨感知技术研究工作。其中，刘武刚和唐颀研究了铝合金平板声发射源定位技术[5，6]，刘武刚提出了一种自适应阈值算法，提高了到达时刻求取精度；唐颀提出了时标最小方差法用于铝合金平板高速撞击声发射定位，将撞击点坐标作为变量，利用各通道信号到达时差列出一个二元函数，将定位问题转换为求解二元函数最小值的优化问题。刘治东研究了各向异性材料的声发射源定位技术，提出了虚拟波阵面法，以初始撞击时刻为变量，利用各通道信号到达时刻，列出一元函数，将定位问题转换为一元函数求最小值的优化问题，该方法可用于各向异性复合材料层合板的声发射源定位问题且计算速度快、可靠性高，该方法还被推广用于定位碎片云撞击源[7，8]。

典型载人航天器的密封舱具有加筋、曲壳、焊缝及隔框等多种复杂结构，声发射信号在其内传播速度不仅具有各向异性，还具有不连续性，因此，声发射源定位难度大。由于虚拟波阵面法适用于各向异性材料且计算速度快、可靠性高，拟将其推广应用于典型密封舱结构，实现对空间碎片高速撞击事件的稳定、精确定位。本文在铝合金加筋板靶件及载人航天器密封舱体上分别进行了高速撞击及仿真枪枪击试验，用于研究、检验典型密封舱结构的声发射源定位技术。

2 定位方法

2.1 波速测量

空间碎片高速撞击密封舱可激发s0，s2，a0三种模态的平面波，其中s0波速最大，用于进行声发射源定位计算[5，6]。典型密封舱结构由加筋板及隔框焊接而成，声发射信号在舱壁内传播过程中受筋体、隔框等特殊结构影响，传播速度呈现各向异性及不规则性，因此需要事先标定其波速。

测速试验中利用仿真枪发射球形塑料弹丸撞击加筋板激发声发射信号，弹丸速度约为90m/s，该信号包含s0，a0模态平面波，因此利用该方法可测量加筋板内s0波波速。

通过试验，分别测量了典型载人密封舱结构及高速撞击试验加筋板靶件内s0波速。典型载人密封舱结构所用加筋板规格见表1，高速撞击试验用铝合金加筋板见图1，为边长500mm的正方形。筋体宽度5mm，高度5mm，材料为5A06铝合金。

图1 高速撞击定位试验用铝合金加筋板示意图

表1 典型载人密封舱用加筋板规格参数

典型载人密封舱用加筋板波速测量试验中，使用6枚泛美V182超声传感器测试了0～90°范围内10个方向上的s0波速。试验设置如图2所示。试验中，以0°为初始方向，每隔10°选择一个方向测试波速，在各待测方向上，以撞击点为原点，等间隔150mm放置6枚传感器，使用真空硅脂作为耦合剂。试验中，使用仿真枪发射球形塑料弹丸撞击预设撞击点模拟声发射源，之后利用传感器和NI5105高速数据采集卡采集远场声发射信号并利用人工判读各通道声发射信号到达时刻。使用最小二乘法对各通道声发射信号到达时刻及对应传播距离进行一阶拟合即可获得该方向上s0波速。各测试方向分别测试10次，取10次平均值作为最终结果，结果见表2。最终，利用三次样条插值算法可获得声发射信号在0～90°范围内连续方向上的传播速度。

图2 加筋板波速测量试验设置图

表2 加筋板中的实测波速

典型载人密封舱结构所用加筋板具有对称性，根据其对称性可获得全方向上的声发射信号传播速度，见图3。观察发现，加筋板内声发射信号传播速度随传播方向变化，在平均波速水平上下0.1km/s范围内浮动，鉴于波速随传播方向变化值极小，为降低定位计算难度，拟将加筋板内波速视为固定值，初步取所测各向波速平均值5.45km/s作为“名义波速”用于定位计算。

图3 加筋板波速

与密封舱用加筋板相似，高速撞击试验用加筋板波速测量试验使用4枚传感器，间隔50mm测试0～90°范围内10个方向上的s0波波速，其余设置与前述试验一致，最终测得其上“名义波速”为5.3km/s。

2.2 到达时刻确定算法

与断铅或枪击声发射信号不同，高速撞击试验所得声发射信号幅值极强，第一峰值极大，针对该特征，唐颀和刘治东设计了一种自适应阈值法来求取信号的到达时刻。首先对信号进行滤波以消除高频部分，再以信号的平均噪声水平为基准，乘以事先确定的增益倍数作为阈值；当波形中持续一段时间内信号强度绝对值超过阈值时，判定该时间段起始时刻为声发射信号到达时刻。该方法简单、可靠且运算效率高[6]。

载人航天器在轨运行期间，空间碎片将首先撞击防护屏形成碎片云，随后继续撞击密封舱，激发声发射信号。该信号第一峰值强度略低于弹丸高速撞击声发射信号，但高于枪击声发射信号强度。因此，自适应阈值法仍适用于求取密封舱结构的高速撞击声发射信号到达时刻。试验测得直径1cm铝合金弹丸以1km/s速度撞击装有典型单层防护屏结构的加筋板声发射信号第一峰值强度约为相同传播距离处枪击声发射信号第一峰值的100倍。由于仿真枪枪击声发射信号幅值较弱，无法直接使用该到达时刻求取方法，故枪击定位试验中使用人工判读各通道信号到达时刻。

2.3 定位算法

在得到声发射信号到达时刻后某利用虚拟波阵面法进行定位计算。虚拟波阵面法[7]，以时间零点为变量，根据各通道声发射信号到达时刻、传感器粘贴位置及各方向波速可以求取各通道信号对应的声发射源可能存在的位置，这些位置被称为虚拟波阵面，不考虑波速、到达时刻和传感器安装位置等参数的误差，当时间零点取到真实值时各传感器对应的虚拟波阵面将交与一点，如图4所示，该点即为唯一的真实声发射源。当时间零点取到其它时刻，则各虚拟波阵面相交于不同位置，即交点具有分散性，利用各交点x、y轴方向上方差之和衡量其分散性，方差的最小值对应着唯一的真实声源，故定位问题转化为求取方差函数的最小值问题。

图4 虚拟波阵面定位法示意图

3 定位试验

3.1 试验方案

为测试前文所述声发射源定位方法，在铝合金加筋板及某型号载人航天器舱段上分别进行了高速撞击及枪击定位试验。

铝合金加筋板如图5所示。利用二级轻气炮发射直径3.2mm的2017铝合金球形弹丸，高速撞击铝合金加筋板靶件，利用V182传感器及TDS5054B数字示波器采集高速撞击声发射信号，试验参数及结果见表3。

舱段定位试验中传感器粘贴点和撞击测试点如图6所示。以舱段底部第一条环形焊缝和垂直与它的高度方向上的焊缝为基准线，以两条焊缝交点为原点，在底部基准线上左右距离原点1600mm处安装传感器1、2，在高度方向焊缝上距离原点2000mm处安装传感器3。然后以底部基准线为基准，在高度方向每隔200mm处画底部基准线平行线，共计9条；以高度方向基准线为基准，在其左右侧，每隔200mm各画8条平行线。所有平行线之间以及平行线与高度方向基准线之间在三角形范围内的交点共计73个，设置为撞击点。

图5 铝合金加筋板高速撞击试验结果图

表3 铝合金加筋板高速撞击定位试验参数

图6 舱段定位试验设置图

试验过程中，使用仿真枪发射球形塑料弹，依次撞击预设撞击点激发声发射信号，每点连续做5次，将预测位置与实际位置间的距离作为定位误差。检查试验结果发现，第73组中的声发射信号数据噪声干扰太多，无法用于定位分析，因此本项试验将分析前72组试验数据。

3.2 定位结果及分析

采集撞击信号后，利用前文所述方法，获取各通道声发射信号到达时刻，随后分别以5.3km/s及5.45km/s作为名义波速进行定位计算。

3.2.1加筋板高速撞击定位试验结果

针对加筋板高速撞击定位试验，在求得全部试验各通道信号到达时刻后，利用虚拟波阵面法定位撞击点位置，定位结果见表4，定位误差为预测坐标与实际坐标之间距离。由表4可知，定位误差小于10mm，因此，在“名义波速”概念的基础上，虚拟波阵面法可用于加筋板结构高速撞击定位。

表4 铝合金加筋板高速撞击定位使用结果

3.2.2典型载人密封舱体枪击定位试验结果

针对典型载人密封舱枪击定位试验，通过人工判读得到全部试验各通道信号到达时刻，之后利用虚拟波阵面法定位撞击点位置，试验结果表明上述定位方案具有稳定性高、误差小的特点。定位误差见图7，观察发现最大误差为268.82mm，大部分误差低于100mm，全部满足工程部门对定位精度的要求。

图7 虚拟波阵面法定位误差

图8 为各撞击点平均定位误差图，考察各撞击点平均定位误差，发现最大平均定位误差为111.00mm。72个撞击点平均定位误差中60次小于50mm，11次小于100mm，1次大于100mm，定位误差明显大于高速撞击试验结果。

图8 虚拟波阵面法定位误差平均值

3.3 定位结果分析

3.3.1定位方法适用性分析

由试验结果可知，在名义波速基础上，利用虚拟波阵面法可精确定位小型加筋板高速撞击事件。密封舱舱体枪击定位试验结果证明该方法可用于大型密封舱结构声发射源定位，但定位误差明显高于高速撞击试验结果。

声发射源定位精度通常受传感器安装精度、到达时刻及波速误差、定位算法等因素影响。上述两种试验使用了相同的定位算法，传感器安装位置也具有较高的精度，因此影响定位误差的主要因素为到达时刻误差及波速误差。

本文使用了名义波速进行定位计算，该波速与实际波速具有一定偏差，随着传播时间的增加，波速误差对定位结果的影响随之增大，两者成正比例关系。与小型加筋板试验相比，舱体定位试验中传感器间距更大，声发射信号传播时间更长，因此波速误差作用更加明显，导致舱体定位试验误差增大。

此外，由于舱体试验中传感器间距远大于小型加筋板试验，且密封舱体具有加筋、隔框等特殊结构，测试过程中声发射信号经过经过较长距离的传播后，其s0波部分前端波形幅度衰减到平均噪声水平以下，因此实测到达时刻在不同程度上高于真实值，这一因素也将导致舱体定位试验误差更大。

综上所述，由于传感器间距的增加导致了舱体定位试验误差增大。由于空间碎片高速撞击声发射信号中s0波强度远大于枪击声发射信号，在相同传播距离上到达时刻精度更高，在使用相同传感器布局形式前提下，由信号衰减引起的定位误差更小。因此该定位方案在实际应用中，定位精度将优于枪击定位试验结果。

因此，认为该定位方法可用于载人密封舱结构，能够实现对空间碎片高速撞击在轨载人密封舱事件的精确定位。

3.3.2波速对定位结果的影响

为掌握波速对定位结果的影响，对典型载人密封舱枪击定位试验结果进行了深入分析。前文使用了加筋板实测波速的平均值作为名义波速进行定位计算，结果表明配合虚拟波阵面法使用名义波速可以稳定、精确定位撞击位置。但观察图3可知，加筋板内声发射信号传播速度随传播方向剧烈、无规则变化，因此波速平均值并非名义波速的最佳选择。为优化名义波速、进一步提高定位精度，研究了不同波速下的定位误差状态。以5.00km/s为起点，每次增加0.01km/s，到 6km/s结束，计算了 5km/s～6km/s 速度区间内100个波速下的定位结果。为评价不同波速下的定位结果优劣，设定如下3个参数：

1）特定波速下定位误差总平均值，即全部360次定位误差的平均值。

2）特定波速下定位误差的总方差，即全部360次定位误差的方差。

3）特定波速下各测试点平均定位误差的最大值，即各测试点五次定位误差平均值中最大值。

图9 定位误差总平均值

图9 ，图10，图11分别为不同波速下定位误差的总平均值、平均定位误差最大值、总方差。观察发现，当波速为5.33km/s时定位误差的平均值最小，当波速为5.30km/s时定位误差的最大值和方差最小（见表5）。对比名义波速取5.33km/s及5.30km/s时定位误差均值，仅相差0.43mm，因此综合考虑定位误差大小和稳定性，认为应选取5.30km/s作为小柱段舱体的名义波速。由此可见，名义波速值的选取对定位误差具有直接影响。为获取最优化的定位结果，可针对具体型号的航天器进行定位试验，考察名义波速在实测波速波动范围附近取值时的定位结果，寻找最优名义波速。

图10 平均定位误差最大值

图11 位误差总方差

表5 定位误差信息

图12 波速为5.30km/s时定位误差

将波速设定为5.30km/s后，利用虚拟波阵面法，对枪击试验数据进行了定位，结果见图12。本项试验针对72个测试点共计进行了360次撞击试验，其中14次撞击试验的定位误差超过100 mm；全部定位误差的平均值为32.17 mm；第58号撞击点的平均定位误差最大，为82.72mm，定位效果最差。对比各撞击点平均误差（见图13）还发现，全部72个测试点中，有16个撞击点的平均误差超过50mm。