结构健康监测技术研究及其在航空航天领域中的应用

王国珍 黄克瑶 朱妍焘

摘要：当今时代，结构健康监测已经成为全球范围内重点研究的内容，在结构健康监测技术中，航空航天中的飞行器结构是其中非常重要的应用对象。但在飞行器结构健康监测技术从实验室研究，走向实际工程方面的应用，仍然需要非常大量的试验验证研究性工作。该文结合笔者自身相关学习经验，就结构健康监测技术研究及其在航空航天领域中的应用进行相关探讨。

关键词：结构健康监测 航空航天 飞行器 科学技术

中图分类号：V467   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确指出，在我国航空科技领域未来发展过程中，将积极并重点实施大型飞机工程，此项战略目标的发展对保证我国国民经济发展以及我国国防安全都有着重要的战略层次意义[1]。在大型飞机发展的过程中，必然需要集体结构的技术，要保证飞行器具备良好的结构先进性、机构新颖性、安全性，同时还需要满足容易维护、高性能飞行等指标，必然需要飞行器结构健康监测技术[2]。

C-扫描、红外热像等一些传统的无损检测技术虽然在进行飞行器结构损伤检测工作中可以起到一定的作用，但做不到对整体结构中产生的损伤实现实时性的监测效果，同时也具有较为明显的现场检测局限性，对于一些隐藏部位的损伤则无法检测，同时需要较多的人工干预，从而产生较大的人为因素影响，也会耗费较多的时间。除此之外，在当今时代的飞行器之中，越来越多的复合材料应用其中，对于飞行器结构损伤检测技术也提出了更高的要求，尤其是面对越来越大的复合材料结构尺寸，传统的无损检测技术需要较高的监测成本，在速度、效率等方面，都很难满足客户、維护部门等多方面的要求。

1大型飞机对结构健康监测技术的需求分析

第一，在民机方面，其结构大量采用先进的复合型材料，从而实现了有效的机体减重，较为明显地降低了运营的成本，但同时也为保证飞机的安全性提出了较高的要求。

第二，在集体结构的外形、结构形式方面，也呈现出更为复杂的趋势，不断增加的几何尺寸也非常明显，针对这种复杂结构、大结构尺寸的集体结构，对于其可靠性、维护性方面也都有了更高的要求。

第三，在民用飞机方面的燃油费、维护费等方面，其经济性也是重要的考虑因素。

第四，我国军用运输机当前已经可以达到800～900 km/h的速度，这是陆路运输速度的15倍之多，是海陆运输的25倍，总体航程也超过了5 000 km，可以有效覆盖非常广阔的疆土，并且如果应用空中加油，还可以在全球范围内完成运输。我国也在积极开展大型运输机的研制工作，但仍面临诸多问题有待解决。

首先，当前现代军机制造过程中应用了钛合金、复合材料等多种新型的材料和工艺，整体化构件制造、超塑成形等高新技术也被应用其中。通过这些材料、工艺的应用，对传统化的结构损伤、结构安全性设计理论方面，提出了更高要求和标准。

其次，无论是战略轰炸机还是大型运输机，两者都具有宽大的机身结构，同时具有超大尺寸的壁板、大开口等结构形式，同时这些集体结构可以达到60 000 h以上的使用寿命，寿命也超过40年之久，这是我国在飞行器研制工作中必须要面临的新问题，这也对整体飞行结构在可维护性、可靠性方面提出了较高的要求。

以上问题都可以通过结构健康监测技术予以解决，可以实现实时的结构状态监测工作，从而提升飞行器的可靠性、安全性，在延长寿命的同时，减少维护所花费的费用。此项技术的研究对于我国航空飞行器的自主知识产权发展，也具有历史性的重要意义。

2在飞行器结构上结构健康监测技术的应用

结构健康监测技术在航空航天领域的实际应用中，可以分为离线和在线两种结构健康监测系统[3]。其中离线结构健康监测系统只能对结构进行主动性的监测，一般来说，只有在被监测的飞机结构上永久性地安装传感器网络，飞行器在离开地面的时候，通过位于地面的数据采集系统、信号驱动系统，从该传感器获取所需的数据，以此来判定飞行器结构当时的健康状态，在主动监测的过程中，获得飞行器结构内部所产生的有关损坏、损伤的相关信息。而针对在线结构健康监测系统实际应用中，整体系统的所有组成部分都是安装在飞行器上，可以同时针对结构内部的损伤、撞击等进行实时性的监测。虽然在飞行器结构上，在线结构健康监测属于主要的应用目标，但该技术成熟度方面会有一定的限制，在当前飞行器结构方面应用结构健康监测技术，还是以离线结构健康监测系统为主要方向。

2.1飞行器结构上复合材料结构中损伤的健康监测

在当今世界航天航空发展过程中，已经越来越多地使用复合材料，究其原因，主要是因为复合材料具有较高的强度和刚度，在新一代的飞行器当中，先进的复合材料已经成为主要的结构材料。各向异性的复合材料具有多样性的结构形式，而在微观构造方面，则具有明显的不均匀性，而在宏观构造方面来说，具有明显的呈层性，同时因为使用条件的复杂、所受载荷的多样性，从而促使复合材料结构分析过程中，针对耐久性、完整性的分析具有较高的难度。因此，现有的复合材料结构设计之中，许用值多建立在较大隐藏损伤存在于复合材料的假设上，这种方法可以充分发挥出复合材料的优越性。因此，必须要充分发展更为先进的传感技术，可以全面化监测复合材料结构的状态，同时全面监测器损伤，从而可以全面、准确、快速地对复合材料结构在使用环境中的完整性进行评价、确定，为相关复合材料结构高效设计提供有效的技术支持。

在结构健康监测系统中，主要是以内置传感器网络智能层为基础[4]，继而才可以实现对纤维缠绕复合材料压力容器空间飞行器贮箱的完整性进行监测。美国航空航天局成功在马歇尔航天飞行中心研制出含有嵌入式智能层的纤维缠绕复合材料贮箱样品。在其中，根据传感器网络中的所有驱动器——传感器路径中，对所产生的基线数据进行记录，在复合材料贮箱中引入冲击损伤，在此之后针对由于损伤而导致的传感器信号的变化，进行仔细的观察。再将驱动器——传感器路径信号的改变进行记录，最终获得损伤未知和损伤的大小所对应的图像。

在以上所述内容中，结构健康监测系统被应用于纤维缠绕复合材料贮箱之中，但除此之外，还可以在碳纤维增强复合材料的飞机机身上，完成飞机结构的损伤监测工作。在2001年，波音公司曾经就制造出大型的复合材料机身样品，从而也在当时的年代展现出新型飞机研发的主要概念，同时，这种复合材料结构的诞生，为在全尺寸飞行器结构部件级上应用结构健康监测系统方面提供了良好的平台。在其中共有72个压电传感器的三块智能层，以此为基础，将其成功地安装在复合材料机身的内表面之中，以内置传感器网络智能层为基础的结构健康监测系统的实际应用中，将其损伤监测功能良好地展现出来。

2.2飞行器结构上的疲劳裂纹监测分析

在美国空间针对复合材料粘接修复监测技术评估项目中，曾经就使用以智能层的结构健康监测技术为基础的实验，主要是针对复合材料粘贴补片下，疲劳裂纹扩展监测方面的试验，该项试验主要是在赖特帕特森空军基地完成。这项试验项目中，应用的是主动结构健康监测系统，该系统是以智能层为基础完成裂纹在疲劳载荷下扩展的监测活动，这种方法在应用中，主要是通过半经验化的方法，完成测量损伤大小的目的，同时还可以定时、定量监测损伤的扩展情况。在这种方法中通过给出损伤指数曲线的几个初始数据点，也就是说裂纹的长度，从而确定裂纹的实际长度、损伤指数两者之间的关系。

2.3飞行器结构中的冲击监测分析

在发生在飞行器结构的外部冲击中，主要是应用以传感器网络智能层的被动监测系统进行监测，其中监测内容主要包括位置、实践、冲能大小等方面。应用ATK全尺寸的GEM60复合材料火箭发动机中，针对被动监测系统的功能完成了较为完整的验证。

基于以上分析可以得出，在航空航天領域中，如若可以良好地应用结构健康监测系统，则需要满足三方面的条件：首先，要保证便于使用，其中包括自动数据分析、安装、标准输出等多方面的使用;其次，必须要将检测结果进行明确的定义，其中包括损伤的位置、损伤的尺寸、检测的概率等多种可以量化的内容;最后，需要保证具有较高的可靠性，其中主要包括如自我诊断、较好的可维护性、环境补偿方面等。

3以多主体协作的结构健康监测系统为基础的管理方法

近些年来，在实现分布式系统的过程中，智能协作技术被认为是其中非常关键性的技术之一，具有非常重要的作用和意义。究其原因，不仅因为智能协作技术可以促使分布式系统的所有资源，可以提升应用的充分性、高效性，而且因为通过这项技术的应用，还可以提供一个良好的管理和组织平台，继而才可以构建出具有复杂性、大型的分布式信息处理系统[5]。除此之外，在整体智能协作系统之中，其中包括杜仲不同的信息子系统，或者是信息源，将其转变成为不同的智能主体，虽然每个不同的智能主体可以获得相应的信息，但这些信息具有不完整性和不精确性，并且其只有有限的信息处理能力，但是基于不同的主体具有关于系统整体组织结构的只是，或者是关于其他主体的技能、资源、目标等多方面的只是，基于此，就可以形成具有自主性、社会性的智能主体，在不同的主体之间形成相互的作用，从而在使用系统的所有资源的过程中，更为高效且更为透明，通过相互的协同、互相作用，最终将单一主体无法解决的困难和问题解决掉。

在美国航空航天局方面的科技信息计划汇总，曾经就提出应用主体理论，可以将航空航天飞行器的概念进行无年限的使用，在此项研究中，作为飞行器综合状态管理系统的一部分，究其主要目标在于促使飞行器可以进行自修复、自诊断，并且在美国的这个研究之中，提出将航空航天飞行旗结构设计成由单元tiles组成的多单元结构。其中不仅具有原有的承载、保护等功能，同时还具备了逻辑处理单元、通信等方面的能力，并同时成为一个主体单元。美国航空航天局系统通过多主体之间的协作，实现整体飞行器的自诊断、自修复结构的目标。

我国的南京航空航天大学曾经就提出在结构健康监测系统管理中，将智能协作技术应用其中，其主要是以多主体协作管理为基础，构建的结构健康监测验证系统，主要应用于解决大型铝板结构上三种典型对象的监测方面的问题，分别为冲击载荷定位监测、静态载荷位置的监测以及螺钉松动方面的监测。在整体监测系统中，还集合了三种常见的传感器，分别为段子应变片、光纤Bragg光栅以及压电传感器，同时在其中还集合了声发射系统、光纤光栅解调仪和电子应变仪，同时集合了南京航空航天大学的实验室自主研发的多通道压电扫查系统等多种测试方面的设备。通过不同主体、子系统之间形成的有效协作，可以将以上不同的传感器信息融合到系统之中，并可以根据需要，自主性选择所需的传感队形，丢弃无用的数据，对上述较为明显且典型的结构损伤状态进行识别，同时在静态载荷监测之中，通过重组传感网络，解决相邻两个区域的交界位置监测方面的问题[6]。

4结语

在当今全球范围内，结构健康监测都是非常重要的研究对象，而飞行器结构是整体结构健康监测技术研究的主要应用对象。通过结构健康监测系统技术的有效应用，在我国飞行器结构设计、维护等多方面，都有着非常重要的促进和支撑作用。在整体结构健康监测技术研究中，会涉及到如材料、力学、信号处理、传感器、信号等多方面的学科领域知识，因此，要想实现在飞行器上成功应用结构健康监测技术，就要解决上述多方面的问题。

参考文献

[1]冯玉光，徐望，顾钧元，等.导弹装备健康管理及其关键技术研究[J].兵器装备工程学报，2017，38（1）：7-11.

[2]张卫方，何晶靖，阳劲松，等.面向飞行器结构的健康监控技术研究现状[J].航空制造技术，2017（19）：38-47.

[3]田贵云，张俊，孟召宗.无源无线射频识别传感器及其在结构健康监测中的应用[J].南京航空航天大学学报，2017，49（4）：453-460.

[4]高东岳.基于机器学习方法的超声导波结构健康监测研究[J].纤维复合材料，2020，37（3）：3-8.

[5]陈霞，杨宇，杜振华，等.飞机强度试验中结构健康监测采集控制系统[J].测控技术，2021，40（11）：108-112，130.

[6]杨辰.结构健康监测的传感器优化布置研究进展与展望[J].振动与冲击，2020，39（17）：82-93.