航天器結構變形在軌自主測量技術進展

羅 為，曹俊豪，盧孜筱，李紅浪，李偉杰

（1. 華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074；2. 國家納米科學中心，北京100190；3. 北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

1 引 言

隨著航天任務增多，航天器將面對日趨極端和惡劣的環(huán)境。服役期間，航天器會面臨極端溫度變化，太空碎片沖擊，金屬結構變形、疲勞等復雜情況。這些會以結構形變的形式對航天器造成損傷，降低航天器的可靠性。如果處理不及時，隨著時間推移，損傷逐漸積累，結構變形超過承受能力，可能會發(fā)生航天器功能失效、報廢等嚴重后果。為了保障航天器服役期間的可靠性，需要對在軌航天器結構的變形位置和程度進行實時檢測。

另一方面，為了滿足遠距離通訊需要，衛(wèi)星天線的尺寸不斷增大，其結構由固定式朝著折疊可展開方向發(fā)展。衛(wèi)星天線反射面的展開精度嚴重影響信號收發(fā)能力。這要求衛(wèi)星天線具備高精度面形展開能力，能夠對展開后振動、熱變形導致的偏差和變形進行修正。

常見的變形測量方式有攝影測量法［1］、電子剪切散斑法［2］和各類壓電應變傳感器方法［3］等。這些機電類測量方式易受電磁干擾，不適用于太空中惡劣的極端環(huán)境。而光纖布拉格光柵傳感器具有抗電磁干擾、質量輕和便于分布式測量等優(yōu)點，廣泛應用于航天等領域［4］。

本文從在軌熱變形、在軌健康監(jiān)測和衛(wèi)星天線三個方面出發(fā)，說明航天器結構變形測量的需求。緊接著從原理、構成和優(yōu)缺點等角度介紹當前航天器結構變形測量領域應用最廣的測量技術——光纖布拉格光柵。最后分析光纖光柵傳感器在航天結構變形測量領域的發(fā)展趨勢。

2 航天器結構變形測量需求

2.1 在軌熱變形

航天器在軌服役期間會長期處于復雜的溫度環(huán)境當中。航天器所處空間的溫度場往往并不均勻，這會造成航天器各部位的溫度分布和溫度變化不一致。在這樣的環(huán)境中，航天器結構會產生膨脹、熱變形和振動［5］。這些會影響航天器結構的正常工作，特別是對衛(wèi)星天線這類對結構精度要求非常高的部件。熱變形會嚴重影響衛(wèi)星天線的面形精度，降低天線收發(fā)信號的能力。

除此之外，伴隨熱變形的配合應力容易造成航空航天飛行器結構的疲勞和損壞，進而降低航空航天飛行器壽命，對其安全工作造成隱患［6］，例如，2002年發(fā)生的中華航空611 號班機空難，便是由于機尾金屬蒙皮疲勞造成的。

為了航天器的性能和安全，需要對航天器結構熱應變的位置和程度進行測量。

2.2 健康檢測

隨著空間碎片問題愈發(fā)突出，在軌航天器的安全受到嚴重威脅［7］。航天器服役期間，會受到空間碎片的沖擊。國際空間站曾多次遭受空間碎片的撞擊，美國的STS-124 和STS-126 在執(zhí)行任務中也多次遭受空間碎片的撞擊。

根據速度的大小，沖擊可以分為兩類：高速沖擊和低速沖擊。前者會對航天器造成明顯的損傷，后者的破壞力不及前者，但造成的損傷十分隱蔽、不易被發(fā)覺。如果不能及時檢測到低速沖擊，長此以往，損傷逐漸積累，會為航天器結構健康帶來隱患［8-9］，甚至可能會發(fā)生航天器功能失效、機體結構斷裂等災難性事故。

隨著空間碎片數量的不斷增加，航天器受到撞擊幾率不斷增加。為規(guī)避撞擊，航天器往往需要付出巨大的燃料代價，而哈勃望遠鏡這類航天器更是無法調整軌道躲避撞擊，航天器與空間碎片之間的撞擊將愈加頻繁。因此，對航天器受到的沖擊和造成的變形加以檢測對保障航天器健康有重要意義。

圖1 地球同步軌道斜視空間碎片圖[10]Fig.1 Space debris obliquely seen from geosynchronous orbit[10]

此外，隨著在軌時間增加，航天器結構會存在疲勞損傷，出現(xiàn)裂紋，這會損害航天器健康，降低航天器壽命。如果不能對疲勞裂紋進行長期、有效的監(jiān)控，同樣會造成嚴重后果。

為了保障航天器在軌服役期間的安全性和可靠性，需要長期監(jiān)測結構健康，及時制定維護方案。這不僅要求檢測出沖擊、裂紋和震動等造成的結構形變程度，還要判別形變的位置。

2.3 衛(wèi)星天線展開精度確定

為了滿足遠距離的需要，衛(wèi)星天線不斷向著大尺寸方向發(fā)展［11］。這與火箭有限的運載能力產生了沖突，為了解決這一對矛盾，衛(wèi)星天線形狀經歷了從固定到可展開，從剛性到柔性的發(fā)展。目前使用較多的是圖2所示的可折疊式衛(wèi)星天線。

火箭發(fā)射時，衛(wèi)星天線處于折疊狀態(tài)，放置于火箭的整流罩或航天飛機的載荷艙內。等衛(wèi)星到達指定軌道后，伺服電機驅動天線支架逐步展開［13-14］，如圖3 所示。展開后的天線可能會因為振動、機械故障和熱變形等情況而與預定姿態(tài)產生偏差。嚴重的話，天線因形變和振動而損壞［15］。

天線增益是衡量衛(wèi)星天線性能的重要指標之一，高增益的天線能夠收發(fā)更遠距離的信號［16］。而增益與天線面形精度密切相關，天線面形的偏差會引起天線增益的下降，影響信號的收發(fā)，降低天線整體性能。為了保證衛(wèi)星天線性能，需要對衛(wèi)星天線展開后的姿態(tài)偏差即變形程度進行測量。

圖2 可折疊式衛(wèi)星天線[12]Fig.2 Foldable satellite antennas[12]

圖3 衛(wèi)星天線展開過程[13]Fig.3 Deploying process of satellite antenna[13]

3 變形測量方法

常用變形測量的方法有很多，包括：攝影測量法、電子剪切散斑法、電阻應變片方法等。這些方法廣泛應用于日常生產生活中。但是這些方法都有其缺陷，例如電子剪切散斑法的測量精度低，數據獲得和分析復雜；攝影測量等方法的相機參數在不同溫度下會變化。這些缺陷限制了上述方法在航天結構變形測量領域的進一步使用和發(fā)展。

相較于上面的機電類方法，光纖光柵傳感器具備安裝方式靈活，抗電磁干擾能力強，集成度、分辨率高，體積小、重量輕等優(yōu)點，適用于航天器結構變形測量［17］。

國外已多次將光纖光柵傳感器應用于航空航天領域。美國曾利用光纖布拉格式光柵傳感系統(tǒng)實現(xiàn)對X-33［18］和X-37B［19］等航天、航空飛行器溫度、壓力信息的實時監(jiān)測。歐洲太空局于2002年將光纖布拉格光柵嵌入太空望遠鏡結構中，實現(xiàn)對望遠鏡三腳架變形的監(jiān)測［20］。圖4 為歐洲航天局利用光纖光柵測量航天器形變與溫度的示意圖。

圖4 航天器返回艙光纖光柵傳感器系統(tǒng)[21]Fig.4 Fiber bragg grating sensor system of spacecraft return module [21]

4 光纖光柵傳感器

4.1 工作原理

光纖布拉格光柵傳感器由光纖制備而成，來自同一激光器的兩束紫外光在光纖纖芯處產生干涉，形成周期為Λ，明暗相間的干涉條紋。干涉條紋會在光纖中引入缺陷，實現(xiàn)對纖芯折射率的周期性調制。調制后的那部分光纖就變成了光纖布拉格光柵［21］。光柵的周期與干涉條紋周期Λ 相同，由式（1）決定，其中λ為紫外光波長，θ 為兩束紫外光之間的夾角。

光纖光柵的測量原理如圖5 所示，當一束寬帶入射光經光纖傳輸到光纖布拉格光柵時，在周期性變化的折射率作用下，只有特定波長λB附近的光被反射，其余光則不受影響繼續(xù)傳播。λB被稱為光纖光柵的中心波長，λB由式（2）決定，其中neff為光柵纖芯等效折射率。

圖5 光纖布拉格光柵傳感器的原理圖[22]Fig.5 The schematic diagram of fiber Bragg grating sensor[22]

當光纖光柵受外力影響時，會產生形變并引起彈光效應，光柵周期Λ 和纖芯等效折射率neff因此改變。這將導致光纖光柵中心波長λB的改變。通過檢測光柵反射光中心波長λB的波長漂移量，就可以得到光纖光柵的形變量。將多根光纖緊貼航天器結構，航天器上的變形也會作用光纖光柵，且不同光纖中心波長λB的波長漂移量不同，借助這一點，可以感知航天器的變形程度和位置。

4.2 工作方式

單根光纖布拉格光柵傳感器工作原理圖如圖6所示。一根光纖上可以集成多個布拉格光柵，不同光柵的周期Λ不同，中心波長λB也不同。不同光柵之間可以同時工作，互不干擾。寬帶光源發(fā)射的光被光柵部分反射，接收端經法布里-珀羅等濾波器等方式［23］濾波后得到各光柵的中心波長λB1、λB2、λB3…。對比前后時刻中心波長的偏移量，就可以得到光柵傳感器處的形變量。得到不同光纖多個傳感器的數據就可以反演航天器結構變形的位置、程度、類型等信息。

圖6 單根光纖光柵原理圖[17]Fig.6 Schematic diagram of single FBG sensor system[17]

4.3 優(yōu)缺點

相較于機電類測量方式，光纖光柵傳感器在航天器結構變形測量領域有以下優(yōu)點：

（1）抗電磁干擾能力強。區(qū)別于電荷耦合元件、應變片等易受電磁波干擾的變形測量方式，光纖光柵傳感器以光作為信息的傳輸介質，能有效避免外太空中各種輻射的干擾。

（2）安裝方式靈活、適用范圍廣。光纖光柵結構簡單、尺寸小，既可以直接安裝在航天器表面，如圖7 所示，也可以無干擾地嵌入航天器結構當中，如圖8 所示，適用航天器不同部位、不同類型的變形測量。

（3）集成度高、便于組網。單根光纖上可以集成多個光纖光柵傳感器，多根光纖可以接到同一個接收端，方便在航天器目標位置組成網狀結構，如圖9所示，布置多個測量點。

這些優(yōu)點使得光纖光柵傳感器在變形測量領域有著巨大的潛力。但是光纖光柵傳感器要在航天器結構測量領域進一步發(fā)展，需要解決以下幾點問題：

（1）當光纖溫度達到一定閾值時，光纖光柵會被完全擦除。這要求在設計時需要考慮傳感器的隔熱措施，增加航天器整體設計難度。

圖7 用薄膜粘合劑固定在層壓板上的光纖傳感器[17]Fig.7 Fiber optic sensor strands positioned on a laminate with film adhesive [17]

圖8 嵌在層壓板內的光纖傳感器[17]Fig.8 Fiber optic sensor strands embedded in a laminate [17]

圖9 光纖傳感器布置方案[24]Fig.9 Fiber optic sensor layout plan [24]

（2）不同溫度下，光纖光柵傳感器的靈敏度存在差異。需要通過軟硬件手段對溫度變化進行補償，提升了傳感器系統(tǒng)復雜度。

（3）應變和溫度的交叉敏感。光纖光柵傳感器探測結果同時受應變和溫度的影響，僅靠一根光纖難以區(qū)分兩者的作用。在太空復雜的溫度場下，需要多根光纖才能將兩者解耦。

（4）布局復雜。為了不影響航天器結構強度，安裝時，光纖要盡量平行結構表面，這對設計提出了要求。另一方面，傳感器之間通過光纖連接，布局時要考慮光纖在不同結構之間穿插和光纖從結構中的引出，這在一定程度上限制了光纖光柵傳感器的應用范圍。

這些問題大大增加了光纖光柵傳感器系統(tǒng)的設計難度，也限制了其使用場景，解決這些問題是航天結構變形測量光纖光柵傳感器的發(fā)展方向之一。

4.4 研究前景

光纖光柵傳感器廣泛應用于航天結構變形領域，但仍有發(fā)展和研究前景。

（1）利用機器學習、人工智能等方式輔助傳感器網絡系統(tǒng)設計。隨著航天需求的發(fā)展，航天器自身結構愈加復雜，加上設計光纖光柵傳感器需要考慮4.2 節(jié)所說的交叉敏感、溫度閾值等問題，傳感器網絡布局難度大大增加。不同航天器的傳感器網絡也是不同的，可以利用機器學習和人工智能等手段輔助傳感器網絡設計、減輕設計難度，加快項目速度。

（2）結合其他應變測量方式，如聲表面波氣敏傳感器等無線無源手段。航天器結構轉動部件等部分區(qū)域并不適合嵌入光纖。針對這些區(qū)域的變形監(jiān)測，可以采用聲表面波氣敏傳感器等無線無源方式測量變形，減少光纖在不同結構之間的穿插，降低光纖設計、布局難度，減少嵌入光纖過多對航天器強度的破壞。

（3）研發(fā)航天特種光纖光柵。隨著航天場景的不斷拓寬，航天器將面臨更加復雜和惡劣的場景，這對光纖光柵傳感器提出了更高的要求。針對太空環(huán)境極端的溫度場、電磁場以及測量需求，不斷開發(fā)適合航天器結構形變測量的新型光纖傳感器。

5 結束語

本文圍繞航天器結構變形測量這一主題，介紹了航天器結構變形在軌自主測量技術的現(xiàn)狀，主要結論有：

（1）航天器在軌熱變形、航天器結構在軌健康監(jiān)測和衛(wèi)星天線展開三個領域對變形測量有需求，航天器結構變形測量對保證航天器安全性和可靠性有十分重要的地位。

（2）與電阻應變片、攝影測量法等幾種常用變形測量方式對比，光纖光柵傳感在航天領域具有獨特的優(yōu)勢。

（3）在航天領域，光纖光柵應變傳感仍存在不足。需要結合機器學習等計算方式與無線無源的應變測量手段。