光纤光栅在活动发射平台应变测试中的应用研究

2021-06-19丁文祺潘玉竹王泰然徐国梁

导弹与航天运载技术 2021年3期

丁文祺，宁怡，潘玉竹，王泰然，徐国梁

（1. 北京强度环境研究所，北京，100076；2. 北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

发射平台是运载火箭发射系统的关键设备之一，其整体承载能力的大小和综合性能的优劣直接决定了运载火箭是否能够安全、可靠地发射[1]。为了能够实现单次火箭发射任务的可靠性量化评估，通过数据来支撑发射任务安全性决策，预测和判断平台可能出现的损伤和故障，亟需建立活动发射平台健康管理系统。平台健康监测系统是平台管理系统的基础，包含各种传感器的布置，数据采集和处理，为健康管理系统提供数据支撑。根据设计要求，需要对活动发射平台的应变、温度、热流、噪声、振动等数据进行监测。

刘国亮等[2]对发射平台供配电系统健康管理系统进行了研究；杨艳明[3]设计了一种发射平台环境监测健康管理系统，通过采集平台4个设备间的温湿度、振动、氢氧浓度数据，为活动发射平台的日常维护及执行任务过程提供依据。目前尚未有对火箭发射流程中平台承力部位进行有效应变监测的相关研究。

本文建立了一套基于光纤光栅的活动发射平台应变监测系统。系统充分发挥了光纤光栅测试的优势，选用合适的补偿方法，对加注和发射过程中井字梁和立柱关键部位的应变进行监测，基本解决了光纤光栅在高振动、大温度梯度下的应用难题，达到了一次布置、长期使用的目的。系统可为健康管理系统的建立和平台可靠性及寿命评估提供宝贵的现场数据。

1 活动发射平台

运载火箭发射平台作为地面发射支持系统的一个重要组成部分，其基本功能包括：用于支承、安装、捆绑火箭箭体，固定与火箭相关附件及其他地面设备，完成从技术中心到发射中心的垂直转运，顺畅排导火箭发射时产生的燃气流等[4]。

1.1 平台井字梁

图1[5]为活动发射平台局部模型。如图1所示，台体为一个钢制的盒型结构，中央是一个井字梁。上表面分布有12个支撑臂。在转运、加注和发射过程中，井字梁和支撑臂是主承载部件。火箭重量由井字梁及其上12个支撑臂承担。每个助推器放在3个支撑臂上，芯级挂在4个助推器上。在火箭加注和发射过程中，井字梁和支撑臂是主承力部件，是平台承力部位应变最大的位置。

图1 发射平台局部模型Fig.1 The 3D Model of the Launching Platform

1.2 平台设备间

新一代运载火箭采用了“三垂”测试发射模式，即火箭在技术厂房垂直总装、垂直测试，借助发射平台垂直转运至发射阵地。为了适应此种发射流程，将测量系统、控制系统、动力系统和发射平台自身电气、液压、驱动控制等各种测控设备，集成于发射平台4个前端设备工作间[6]。设备间顶部和底部均为钢结构，内部放置有前端设备和立柱。火箭发射过程中设备间立柱承受火箭燃气流冲击载荷，因此需对设备间立柱承载应变进行监测。

综上分析，井字梁支撑臂位置和设备间立柱的应变是需关注的重点，平台应变监测主要研究井字梁和设备间立柱在加注和发射过程中的应变。

2 结构应变测试方法

结构应变测试方法主要分2种：应变电测法和光纤光栅应变测试法。

2.1 应变电测法

应变电测技术是应用电学方法测量应变的技术。将应变片粘贴到被测物体表面，通过应变计的基底，粘结剂将被测物的形变传递给敏感栅，使敏感栅的电阻发生变化，将非电量的“应变”转换成电量的“电阻”变化[7]。应变片的电阻变化率与应变ε的关系表达式为

式中R0为应变片电阻；k为灵敏系数；RΔ为试验件变形引起的R0电阻变化量。

将应变片接入桥路，组成惠斯通电桥，通过测量桥路输出即可测出试验件发生的应变。

2.2 光纤光栅应变测试法

光纤光栅测试是一种新型的应变测试方法，通过测量Bragg波长的漂移来实现被测量的检测。一束宽带光入射到光纤光栅中，反射光波长Bλ[8]为

式中Λ为光栅周期；neff为光纤纤芯的有效折射率。

光栅仅受载荷影响时，应变与波长偏移量关系[9]为

光栅仅受温度影响时，温度与波长偏移量关系[8]为

式中α为光纤热膨胀系数；η为光纤的热光系数；ΔT为被测物体温度变化量。

将光纤光栅粘贴在物体表面测量应变时，光纤受到外载荷和温度的共同作用。波长改变量为

被测物体在外载荷作用产生的应变为

对于普通的光纤，α=5.5×10-7/℃，η=6.67×10-6/℃，热光效应对波长改变量的贡献达到95%[8]。

1989年，Morey等[9]研究了光纤光栅温度和应变传感特性，裸光纤温度灵敏度约为11 pm/℃，应变灵敏度约为1.2 pm/℃。裸光纤温度灵敏度约为应变灵敏度的9.3倍。

2.3 2种测试方法对比

光纤光栅和应变电测2种应变测试方法对比如表1所示。

表1 光纤光栅和应变电测的对比Tab.1 Comparison of Strain Gauges and FBG Sensors

由表1可知，光纤光栅适用于小规模、有电磁干扰、潮湿环境下的长期监测。发射平台常年处于高温、高湿环境下，发射过程中有强振动和强电磁辐射。平台应变测试不仅要对加注和发射过程中的应变进行测试，也需对影响平台寿命的累积变形进行监测，因此本试验采用光纤光栅应变测试方法。

3 温度对粘贴传感器的影响及补偿

3.1 粘贴后的光纤光栅传感器温度影响分析

当光纤光栅传感器粘贴到热膨胀系数较大的物体上时，被测物体和光纤的热膨胀系数会共同作用于光纤传感器上，由温度引起的波长变化量为[10]

方案Ⅲ：采用立井开拓方式，井筒基本位于井田储量中心区域，井筒冻结深度较深，井筒一次建成，矿井初期开拓工程量较大、投资高，工期较长。

式中Sα为被测物体和光纤的热膨胀系数；α远小于Sα和η（Sα/α>10），可忽略不计，此时式（7）中的波长变化量为

当被测物体温度变化ΔT时，由温度引起的波长变化量增加了αS·ΔT，相当于对光纤光栅进行温度增敏[10]封装。

平台及井字梁材料为钢，其热膨胀系数为(10～20)×10-6/℃；设备间立柱材料采用铝合金，其热膨胀系数为(10～23)×10-6/℃，与光纤热光系数η数值接近。将光纤的η、铝的Sα代入式（8）后，得出温度变化 ΔT，温度引起波长变化量为（16.75～26）·ΔT。在实际的实验室环境下，将光栅粘贴到铝制等强度梁上，由于粘结剂选用、粘贴工艺等原因，温度造成的波长改变量与式（8）计算结果存在一定差异。因此不能简单使用理论公式来计算温度引起的光纤波长变化量，需在实际环境下对粘贴后传感器的温度灵敏度进行标定。

通过环氧树脂胶将光纤光栅传感器粘贴在被测物体上。在长期监测试验中，平台所处的高温高湿环境会造成粘贴位置的快速锈蚀和环氧树脂胶层的明显蠕变[11]，使胶层与传感器逐渐脱离，造成测试结果反映平台的变形甚至损坏传感器不够准确。因此光纤光栅传感器及周边打磨位置均需采取防潮及防高温措施。

综上所述，当温度变化时，被测材料的热膨胀系数会导致光纤的温度灵敏度增大，也会导致光纤粘结剂的逐步蠕变，因此必须采取高温防护和温度补偿。

3.2 光纤光栅温度补偿方法

光纤温度补偿方法有2种：温度系数补偿法和材料补偿法。由第3.1节的分析可知，使用温度系数补偿法进行补偿时，需单独标定温度与粘贴后的传感器热输出对应关系，根据测点的温度和标定的系数来计算热输出。材料补偿法是将补偿传感器安装在同种材料的补偿块上，当温度变化时，被补偿测点和补偿测点的Sα和η均相同，热输出也一致。因此本试验使用材料补偿法来对光纤光栅传感器进行温度补偿。

4 平台应变测试的测点分布

4.1 平台应变分析

图2为平台井字梁承载条件下的有限元应力分布云图。图2中梁上的凸出位置是支撑臂分布位置，井字梁内圈有4个支撑臂，外圈有8个支撑臂。由图2可以看出各支撑臂对应的井字梁位置和井字梁内圈是应力分布较大的部位。通过在这些位置布置光纤光栅传感器，来对井字梁的应变进行监测，补充房间立柱测点分析。

图2 加注过程中井字梁应力分布云图Fig.2 The Stress Nephogram of the Well-shaped Beam in Fuel Filling

4.2 平台测点布置

图3为平台光纤应变测点位置分布，共有23个正式应变测点：

图3 应变测点分布示意Fig.3 The Position Sketch of The Fiber Sensors

a）井字梁共7个应变测点，其中Y1、Y2、Y12、Y13、Y14分别分布在5个支撑臂下方，Y3、Y4分布在两梁正交处。

b）每个设备间立柱东南西北向各布置4个光纤光栅测点，分别为Y8（a、b、c、d）、Y9（a、b、c、d）、Y10（a、b、c、d）、Y11（a、b、c、d）。

补偿测点布置方案如下：

a）每个设备间的4个应变测点共用1个补偿片。

b）井字梁内，两梁正交位置的2个测点共用1个补偿片，其他各个测点均单独布置1个补偿片。

4.3 电测应变片的布置

在所有光纤光栅测点附近布置一个电测应变片，通过比较应变片和光纤光栅的测试结果，验证光纤光栅在加注和发射过程中的数据是否准确。所有光纤测点和应变片之间的距离均为100 mm。图4为3#设备间应变片和光纤测点安装位置示意，其他设备间立柱的传感器位置参照图4。

图4 光纤光栅传感器、应变片安装位置示意Fig.4 The Scheme of Installation of The Strain Gauges and the FBG Sensors on the Stud In Equipment Room

5 结果分析

平台应变测试主要对煤油、液氧、液氢加注过程、发射过程中所有测点的应变进行监测。加注过程的数据采样率为1 Hz，发射过程的采样率为5 kHz。选取井字梁内圈支撑臂处Y1、外圈支撑臂处Y2、两梁正交处Y4 3个测点，4#设备间的4个测点进行分析。以火箭点火时刻为零时刻，点火前时间为负，点火后时间为正。

5.1 煤油加注过程

图5为煤油加注过程中各测点的应变曲线。由图5可知，煤油加注的整个过程，在加注准备阶段和加注完成后，曲线比较平稳，基本无跳动。随着煤油加注量的增加，火箭质量增加，井字梁承载增大导致各测点的应变值逐渐增大。由图5b可知，4#设备间立柱4个测点的应变跳动均在±2 με以内。数据表明设备间立柱在煤油加注过程中没有发生变形，光纤补偿效果较好，可反映立柱的实际受力状态。井字梁和其他设备间立柱测点的变化趋势与图5一致。

图5 煤油加注过程中各测点的应变曲线Fig.5 The Curves of the Fiber Sensors in Kerosene Filling

5.2 液氧液氢加注过程

图6为液氧液氢加注过程各测点的应变时域曲线。液氧液氢加注前对所有的光纤应变测点清零。

图6 液氧液氢加注过程中各测点应变时域图Fig.6 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Liquid Oxygen and Liquid Hydrogen Filling

由图6a可知，井字梁各测点的应变在-12～-9 h内基本稳定，此阶段是加注前的准备阶段和氧箱预冷阶段；-9～-8 h，井字梁上各测点的应变略微增大，此阶段是液氧的小流量加注过程；在-8～-7.5 h，井字梁内各测点应变梯度快速增大，此阶段是液氧的大流量加注过程；各测点应变值在-7.5～-6.5 h趋于稳定，此阶段是液氧补加和液氢加注准备阶段；-6.5～-3 h，Y1和Y2测点的应变缓慢增大，此阶段是液氢的加注过程；在-0.5 h附近，各测点的应变值再次增大，变化梯度小于液氢大流量加注，此过程是发射前液氢液氧的补加过程。井字梁其他测点的应变变化趋势与图6a一致。

由图6b可知，右液氧液氢加注过程中4#设备间立柱上各测点在0轴附近有±6 με的跳变，说明液氧液氢加注过程中设备间立柱没有变形，光纤的补偿效果较好，数据表明立柱受力状态与实际一致。其他设备间测点的变化趋势与图6b一致。

综上分析，由于井字梁承担了整个火箭的重量，随着液氧液氢加注量的增加，井字梁上各测点的应变值不断增大。设备间立柱的应变值在加注过程中无变化，说明立柱在加注过程中不承力，与实际相符。因此，平台应变测试数据准确地反映了液氧液氢加注过程的各个状态，与加注时间节点吻合，补偿效果较好。

5.3 发射过程

5.3.1 井字梁和设备间数据

火箭在起飞前10 s左右处于加注完成状态，此时井字梁承担了火箭的全部重量，设备间立柱不承载。发动机点火至起飞前，发动机尾焰从井字梁导流孔泄出，随着发动机推力的逐渐增大，平台承受的火箭重量逐渐减小，起飞前喷水装置启动，当发动机推力与火箭重量相等时，火箭开始起飞。起飞后火箭高度不断升高，尾焰冲击平台，在5 s左右对平台的冲击载荷达到最大，随着火箭高度的继续增加，尾焰对发射平台的冲击载荷逐渐减小至0。为了便于分析，仅对井字梁Y1、Y4、4个设备间中应变值最大的4个测点Y8a、Y9b、Y10d、Y11d的测试数据进行分析。图7、图8为发射-10 s至发射后20 s内的井字梁Y1、Y4测点和设备间应变最大的4个测点的应变时域图。横坐标0时刻为起飞时间。

图7 发射过程中井字梁光纤测点时域图Fig.7 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Well-shaped Beam in Launching

图8 发射过程中每个设备间的最大应变测点时域图Fig.8 The Time-domain Diagram of the Fiber Sensors in Each Equipment Room in Launching

综合图7和图8可知，井字梁上Y1、Y4测点的数据在-10 s时稳定，设备间立柱各测点的应变稳定在0 με附近，火箭处于加注完成射前准备状态；在-8～0 s间，Y1和Y4的数据从-55 με增加至0 με，4个立柱测点的应变数据发生微弱振荡，此过程中发动机点火后火箭受到的推力不断增大，平台载荷不断卸载；0 s后，Y1和Y4、设备间立柱4个测点的数据均发生高频振荡，应变值均不断减小并在5 s附近达到负向最大值，此过程是火箭脱离平台起飞后，平台承受尾焰动态载荷冲击的过程；10 s后，Y1、Y4的应变值振荡变小、设备间4个测点的应变值不断减小至0 με，此过程中火箭高度不断增大，尾焰对平台的冲击慢慢减小至0。

由图8可知，1#、2#、3#立柱的最大应变均在-800 με左右，4#设备间最大应变在-1400 με左右。由图3得知，4#设备间更靠近于井字梁，因此承受的冲击载荷更大，立柱变形更大。

5.3.2 井字梁和设备间数据对比

为了进一步分析点火前后设备间和井字梁的状态，给出了发射过程中井字梁测点Y2和4#设备间东向测点Y11a在-15～60 s对比，如图9所示。由图9可知，2个测点的应变曲线均清晰地反映了火箭发射的各个过程和平台的受力状态。井字梁Y2和设备间Y11a的应变值在同一时刻达到了负向最大值，起飞45 s后2个测点的应变趋于稳定。

图9 发射过程中井字梁和设备间光纤测点应变对比Fig.9 The Comparative Diagram of The Fiber Sensors in Well-shaped Beam and Equipment Room

5.4 应变电测法和光纤测试数据对比

从第3.4节可知，在每一个光纤测点附近布置了1个电测应变片，选取Y1、Y4进行分析。图10为Y1、Y4电测应变片的测试数据，在起飞前对所有应变片测点清零。比较图7和图10可知，2种测试方法在-10～20 s内数据趋势一致，在10 s后均出现了1 Hz左右的低频振荡。

图10 发射过程中应变电测数据时域图Fig.10 The Time-domain Diagrame of Strain Gages in Launching

表2为在-5 s和起飞时刻Y1和Y4位置的应变片和光纤光栅传感器数据对比。由表2可知，二者数据基本一致，因此在火箭发射平台的应变测试中可使用光纤光栅传感器替代应变片进行应变监测。

表2 应变片和光纤传感器数据表Tab.2 Data of Strain Gauges and FBG Sensors

5.5 2次发射过程中的数据重复性对比.

图11为井字梁光纤测点Y4两次发射过程中的数据对比。

图11 井字梁Y4光纤测点两次发射过程中的应变Fig.11 The Time-domain Diagram of Y4 in Two Launching

由图11可知，Y4光纤测点2次发射任务中的应变特征、幅值和趋势均一致，仅在相位上略有差异。2次加注完成后Y4的应变均在-57 με左右，在加注完成至起飞过程中，应变振幅均为67 με。其他测点在2次发射任务的加注和发射中变化趋势和数值均基本一致，部分测点存在一定的差异，但均在10 με以内，数据重复性较好。因此光纤光栅应变测试可达到1次布置、多次使用的效果。

通过对火箭加注、发射过程中井字梁和设备间的光纤应变测试数据进行分析，并与应变电测数据进行对比，结果表明光纤应变测试数据和补偿方法有效，可有效反映火箭在加注、发射过程的各个状态及平台承载状态，可替代应变片并应用于火箭发射平台的长期应变监测。