航天器结构变形在轨自主测量技术进展

2021-01-06曹俊豪卢孜筱李红浪李伟杰

无人系统技术 2020年5期

罗为，曹俊豪，卢孜筱，李红浪，李伟杰

（1. 华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074；2. 国家纳米科学中心，北京100190；3. 北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

1 引言

随着航天任务增多，航天器将面对日趋极端和恶劣的环境。服役期间，航天器会面临极端温度变化，太空碎片冲击，金属结构变形、疲劳等复杂情况。这些会以结构形变的形式对航天器造成损伤，降低航天器的可靠性。如果处理不及时，随着时间推移，损伤逐渐积累，结构变形超过承受能力，可能会发生航天器功能失效、报废等严重后果。为了保障航天器服役期间的可靠性，需要对在轨航天器结构的变形位置和程度进行实时检测。

另一方面，为了满足远距离通讯需要，卫星天线的尺寸不断增大，其结构由固定式朝着折叠可展开方向发展。卫星天线反射面的展开精度严重影响信号收发能力。这要求卫星天线具备高精度面形展开能力，能够对展开后振动、热变形导致的偏差和变形进行修正。

常见的变形测量方式有摄影测量法［1］、电子剪切散斑法［2］和各类压电应变传感器方法［3］等。这些机电类测量方式易受电磁干扰，不适用于太空中恶劣的极端环境。而光纤布拉格光栅传感器具有抗电磁干扰、质量轻和便于分布式测量等优点，广泛应用于航天等领域［4］。

本文从在轨热变形、在轨健康监测和卫星天线三个方面出发，说明航天器结构变形测量的需求。紧接着从原理、构成和优缺点等角度介绍当前航天器结构变形测量领域应用最广的测量技术——光纤布拉格光栅。最后分析光纤光栅传感器在航天结构变形测量领域的发展趋势。

2 航天器结构变形测量需求

2.1 在轨热变形

航天器在轨服役期间会长期处于复杂的温度环境当中。航天器所处空间的温度场往往并不均匀，这会造成航天器各部位的温度分布和温度变化不一致。在这样的环境中，航天器结构会产生膨胀、热变形和振动［5］。这些会影响航天器结构的正常工作，特别是对卫星天线这类对结构精度要求非常高的部件。热变形会严重影响卫星天线的面形精度，降低天线收发信号的能力。

除此之外，伴随热变形的配合应力容易造成航空航天飞行器结构的疲劳和损坏，进而降低航空航天飞行器寿命，对其安全工作造成隐患［6］，例如，2002年发生的中华航空611 号班机空难，便是由于机尾金属蒙皮疲劳造成的。

为了航天器的性能和安全，需要对航天器结构热应变的位置和程度进行测量。

2.2 健康检测

随着空间碎片问题愈发突出，在轨航天器的安全受到严重威胁［7］。航天器服役期间，会受到空间碎片的冲击。国际空间站曾多次遭受空间碎片的撞击，美国的STS-124 和STS-126 在执行任务中也多次遭受空间碎片的撞击。

根据速度的大小，冲击可以分为两类：高速冲击和低速冲击。前者会对航天器造成明显的损伤，后者的破坏力不及前者，但造成的损伤十分隐蔽、不易被发觉。如果不能及时检测到低速冲击，长此以往，损伤逐渐积累，会为航天器结构健康带来隐患［8-9］，甚至可能会发生航天器功能失效、机体结构断裂等灾难性事故。

随着空间碎片数量的不断增加，航天器受到撞击几率不断增加。为规避撞击，航天器往往需要付出巨大的燃料代价，而哈勃望远镜这类航天器更是无法调整轨道躲避撞击，航天器与空间碎片之间的撞击将愈加频繁。因此，对航天器受到的冲击和造成的变形加以检测对保障航天器健康有重要意义。

图1 地球同步轨道斜视空间碎片图[10]Fig.1 Space debris obliquely seen from geosynchronous orbit[10]

此外，随着在轨时间增加，航天器结构会存在疲劳损伤，出现裂纹，这会损害航天器健康，降低航天器寿命。如果不能对疲劳裂纹进行长期、有效的监控，同样会造成严重后果。

为了保障航天器在轨服役期间的安全性和可靠性，需要长期监测结构健康，及时制定维护方案。这不仅要求检测出冲击、裂纹和震动等造成的结构形变程度，还要判别形变的位置。

2.3 卫星天线展开精度确定

为了满足远距离的需要，卫星天线不断向着大尺寸方向发展［11］。这与火箭有限的运载能力产生了冲突，为了解决这一对矛盾，卫星天线形状经历了从固定到可展开，从刚性到柔性的发展。目前使用较多的是图2所示的可折叠式卫星天线。

火箭发射时，卫星天线处于折叠状态，放置于火箭的整流罩或航天飞机的载荷舱内。等卫星到达指定轨道后，伺服电机驱动天线支架逐步展开［13-14］，如图3 所示。展开后的天线可能会因为振动、机械故障和热变形等情况而与预定姿态产生偏差。严重的话，天线因形变和振动而损坏［15］。

天线增益是衡量卫星天线性能的重要指标之一，高增益的天线能够收发更远距离的信号［16］。而增益与天线面形精度密切相关，天线面形的偏差会引起天线增益的下降，影响信号的收发，降低天线整体性能。为了保证卫星天线性能，需要对卫星天线展开后的姿态偏差即变形程度进行测量。

图2 可折叠式卫星天线[12]Fig.2 Foldable satellite antennas[12]

图3 卫星天线展开过程[13]Fig.3 Deploying process of satellite antenna[13]

3 变形测量方法

常用变形测量的方法有很多，包括：摄影测量法、电子剪切散斑法、电阻应变片方法等。这些方法广泛应用于日常生产生活中。但是这些方法都有其缺陷，例如电子剪切散斑法的测量精度低，数据获得和分析复杂；摄影测量等方法的相机参数在不同温度下会变化。这些缺陷限制了上述方法在航天结构变形测量领域的进一步使用和发展。

相较于上面的机电类方法，光纤光栅传感器具备安装方式灵活，抗电磁干扰能力强，集成度、分辨率高，体积小、重量轻等优点，适用于航天器结构变形测量［17］。

国外已多次将光纤光栅传感器应用于航空航天领域。美国曾利用光纤布拉格式光栅传感系统实现对X-33［18］和X-37B［19］等航天、航空飞行器温度、压力信息的实时监测。欧洲太空局于2002年将光纤布拉格光栅嵌入太空望远镜结构中，实现对望远镜三脚架变形的监测［20］。图4 为欧洲航天局利用光纤光栅测量航天器形变与温度的示意图。

图4 航天器返回舱光纤光栅传感器系统[21]Fig.4 Fiber bragg grating sensor system of spacecraft return module [21]

4 光纤光栅传感器

4.1 工作原理

光纤布拉格光栅传感器由光纤制备而成，来自同一激光器的两束紫外光在光纤纤芯处产生干涉，形成周期为Λ，明暗相间的干涉条纹。干涉条纹会在光纤中引入缺陷，实现对纤芯折射率的周期性调制。调制后的那部分光纤就变成了光纤布拉格光栅［21］。光栅的周期与干涉条纹周期Λ 相同，由式（1）决定，其中λ为紫外光波长，θ 为两束紫外光之间的夹角。

光纤光栅的测量原理如图5 所示，当一束宽带入射光经光纤传输到光纤布拉格光栅时，在周期性变化的折射率作用下，只有特定波长λB附近的光被反射，其余光则不受影响继续传播。λB被称为光纤光栅的中心波长，λB由式（2）决定，其中neff为光栅纤芯等效折射率。

图5 光纤布拉格光栅传感器的原理图[22]Fig.5 The schematic diagram of fiber Bragg grating sensor[22]

当光纤光栅受外力影响时，会产生形变并引起弹光效应，光栅周期Λ 和纤芯等效折射率neff因此改变。这将导致光纤光栅中心波长λB的改变。通过检测光栅反射光中心波长λB的波长漂移量，就可以得到光纤光栅的形变量。将多根光纤紧贴航天器结构，航天器上的变形也会作用光纤光栅，且不同光纤中心波长λB的波长漂移量不同，借助这一点，可以感知航天器的变形程度和位置。

4.2 工作方式

单根光纤布拉格光栅传感器工作原理图如图6所示。一根光纤上可以集成多个布拉格光栅，不同光栅的周期Λ不同，中心波长λB也不同。不同光栅之间可以同时工作，互不干扰。宽带光源发射的光被光栅部分反射，接收端经法布里-珀罗等滤波器等方式［23］滤波后得到各光栅的中心波长λB1、λB2、λB3…。对比前后时刻中心波长的偏移量，就可以得到光栅传感器处的形变量。得到不同光纤多个传感器的数据就可以反演航天器结构变形的位置、程度、类型等信息。

图6 单根光纤光栅原理图[17]Fig.6 Schematic diagram of single FBG sensor system[17]

4.3 优缺点

相较于机电类测量方式，光纤光栅传感器在航天器结构变形测量领域有以下优点：

（1）抗电磁干扰能力强。区别于电荷耦合元件、应变片等易受电磁波干扰的变形测量方式，光纤光栅传感器以光作为信息的传输介质，能有效避免外太空中各种辐射的干扰。

（2）安装方式灵活、适用范围广。光纤光栅结构简单、尺寸小，既可以直接安装在航天器表面，如图7 所示，也可以无干扰地嵌入航天器结构当中，如图8 所示，适用航天器不同部位、不同类型的变形测量。

（3）集成度高、便于组网。单根光纤上可以集成多个光纤光栅传感器，多根光纤可以接到同一个接收端，方便在航天器目标位置组成网状结构，如图9所示，布置多个测量点。

这些优点使得光纤光栅传感器在变形测量领域有着巨大的潜力。但是光纤光栅传感器要在航天器结构测量领域进一步发展，需要解决以下几点问题：

（1）当光纤温度达到一定阈值时，光纤光栅会被完全擦除。这要求在设计时需要考虑传感器的隔热措施，增加航天器整体设计难度。

图7 用薄膜粘合剂固定在层压板上的光纤传感器[17]Fig.7 Fiber optic sensor strands positioned on a laminate with film adhesive [17]

图8 嵌在层压板内的光纤传感器[17]Fig.8 Fiber optic sensor strands embedded in a laminate [17]

图9 光纤传感器布置方案[24]Fig.9 Fiber optic sensor layout plan [24]

（2）不同温度下，光纤光栅传感器的灵敏度存在差异。需要通过软硬件手段对温度变化进行补偿，提升了传感器系统复杂度。

（3）应变和温度的交叉敏感。光纤光栅传感器探测结果同时受应变和温度的影响，仅靠一根光纤难以区分两者的作用。在太空复杂的温度场下，需要多根光纤才能将两者解耦。

（4）布局复杂。为了不影响航天器结构强度，安装时，光纤要尽量平行结构表面，这对设计提出了要求。另一方面，传感器之间通过光纤连接，布局时要考虑光纤在不同结构之间穿插和光纤从结构中的引出，这在一定程度上限制了光纤光栅传感器的应用范围。

这些问题大大增加了光纤光栅传感器系统的设计难度，也限制了其使用场景，解决这些问题是航天结构变形测量光纤光栅传感器的发展方向之一。

4.4 研究前景

光纤光栅传感器广泛应用于航天结构变形领域，但仍有发展和研究前景。

（1）利用机器学习、人工智能等方式辅助传感器网络系统设计。随着航天需求的发展，航天器自身结构愈加复杂，加上设计光纤光栅传感器需要考虑4.2 节所说的交叉敏感、温度阈值等问题，传感器网络布局难度大大增加。不同航天器的传感器网络也是不同的，可以利用机器学习和人工智能等手段辅助传感器网络设计、减轻设计难度，加快项目速度。

（2）结合其他应变测量方式，如声表面波气敏传感器等无线无源手段。航天器结构转动部件等部分区域并不适合嵌入光纤。针对这些区域的变形监测，可以采用声表面波气敏传感器等无线无源方式测量变形，减少光纤在不同结构之间的穿插，降低光纤设计、布局难度，减少嵌入光纤过多对航天器强度的破坏。

（3）研发航天特种光纤光栅。随着航天场景的不断拓宽，航天器将面临更加复杂和恶劣的场景，这对光纤光栅传感器提出了更高的要求。针对太空环境极端的温度场、电磁场以及测量需求，不断开发适合航天器结构形变测量的新型光纤传感器。