光纖傳感在航天復(fù)材結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

龔煜廉 張建國(guó) 李文博

(1 北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院, 北京 100191)(2 北京控制工程研究所, 北京 100094)

航天復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)集復(fù)合材料科學(xué)與工程，新型傳感器、大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)、復(fù)合材料力學(xué)、航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人工智能、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)管理技術(shù)等于一體的交叉學(xué)科問(wèn)題。先進(jìn)復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性好、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于設(shè)計(jì)高強(qiáng)度、輕量化的航天飛行器結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，已被廣泛地應(yīng)用于航天領(lǐng)域的主要飛行器結(jié)構(gòu)中。例如，美國(guó)“大力神”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、蘇聯(lián)“索弗林”導(dǎo)彈采用先進(jìn)復(fù)合材料后減重45%，射程由1600 km增加到4000 km。我國(guó)某航天飛行器的外加筋殼和內(nèi)加筋殼采用碳纖復(fù)合材料后均減重30%，衛(wèi)星消旋天線支撐筒采用鋁蜂窩復(fù)合材料后減重50%[1]。

然而，復(fù)合材料由于其本身的復(fù)雜性，嚴(yán)重的各向異性和性能的高分散性，會(huì)導(dǎo)致相對(duì)不可預(yù)測(cè)的行為，這其中包括損傷的起始與擴(kuò)展，以及結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和剩余壽命的變化。特別是由沖擊引起的復(fù)合材料基體開(kāi)裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂等損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性急劇下降，造成災(zāi)難性后果。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷和損傷具有目視不可見(jiàn)的特性，需要開(kāi)發(fā)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)有用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于光纖傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、精度高、壽命長(zhǎng)、帶寬寬、集成性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在已發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中，以光纖傳感器為代表的光纖傳感技術(shù)以上述獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被科學(xué)界、工業(yè)界和最終用戶認(rèn)可為是對(duì)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的最有發(fā)展前景的技術(shù)之一[2]。

本文針對(duì)光纖傳感在航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，綜述國(guó)內(nèi)外近30年來(lái)有關(guān)項(xiàng)目的研究和應(yīng)用案例，總結(jié)相關(guān)技術(shù)，明確應(yīng)用概念，分析發(fā)展路線，結(jié)合我國(guó)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，為推動(dòng)我國(guó)光纖傳感在航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的技術(shù)進(jìn)步，指出了幾點(diǎn)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

1 光纖傳感器類型

商用光纖是用高純度的石英玻璃制造的，少量摻雜用于調(diào)整光纖的折射率。光纖的結(jié)構(gòu)是細(xì)長(zhǎng)多層的圓柱狀介質(zhì)，由內(nèi)向外分別是光纖纖芯、光纖包層、塑料涂覆層和保護(hù)層。通常所說(shuō)的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，在滿足一定入射條件下，可以將信號(hào)封閉在纖芯中傳輸并且起到保護(hù)的作用。

光纖的物理擾動(dòng)會(huì)改變照射到光纖上的光的性質(zhì)，利用此特性可以將光學(xué)特性和應(yīng)變、溫度等物理量聯(lián)系起來(lái)。根據(jù)光的特性，光纖傳感器主要分為波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制四種類型[3]。

1.1 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器

應(yīng)用最廣泛的一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器是光纖布拉格光柵(FBG)，它在應(yīng)變和溫度測(cè)量方面性能良好，成為嵌入各種材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的最佳傳感器選擇。

FBG基于菲涅爾反射的工作原理如圖1所示[4]。光通過(guò)由包層覆蓋的纖芯，布拉格光柵嵌入纖芯內(nèi)部，局部增加了纖芯折射率。反射光波長(zhǎng)為

圖1 FBG的工作原理

λB=2neffχ

(1)

式中:neff表示光柵的有效折射率；χ為光柵周期。χ<1 μm的短周期光柵稱為FBG。在纖芯中引入周期光柵會(huì)引起光纖長(zhǎng)度上折射率的變化，從而導(dǎo)致部分輸入光反射。任何物理擾動(dòng)都會(huì)引起反射光波長(zhǎng)的變化，這可以從FBG的反射功率-波長(zhǎng)曲線或反射振幅譜中得到。理論上由于物理擾動(dòng)如應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒引起的反射光布拉格波長(zhǎng)偏移ΔλB可表示為

(2)

式中：第一項(xiàng)表示布拉格波長(zhǎng)隨溫度的變化。

(3)

(4)

其中

(5)

式中：pe為纖芯材料的光彈性常數(shù)；pij為光彈張量分量；υ為光纖的泊松比。FBG測(cè)量的是一個(gè)相對(duì)量，其優(yōu)點(diǎn)是絕對(duì)光強(qiáng)及其波動(dòng)不影響輸出結(jié)果。

1.2 相位調(diào)制型光纖傳感器

相位調(diào)制型(干涉型)光纖傳感器的基本原理是當(dāng)被測(cè)參量作用到敏感元件上時(shí)，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化而導(dǎo)致傳播中光的相位發(fā)生變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)參量的信息。光纖中傳輸光的相位是光纖長(zhǎng)度、折射率和橫截面尺寸的函數(shù)。溫度和應(yīng)變等物理量會(huì)使這三個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光的相位變化，借助光纖干涉儀將相位變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度變化，從而獲得被測(cè)參量的信息。最常見(jiàn)的干涉型光纖傳感器有法布里-珀羅光纖干涉儀、馬赫-澤德?tīng)柟饫w干涉儀、邁克爾遜光纖干涉儀和賽格納克光纖干涉儀。

1)法布里-珀羅光纖干涉儀

法布里-珀羅光纖干涉儀在光纖內(nèi)鍍上了兩片高反射膜，形成一個(gè)諧振腔。光束通過(guò)耦合器進(jìn)入諧振腔時(shí)會(huì)在兩片反射膜上發(fā)生許多次反射和透射，從而產(chǎn)生多光束干涉。被測(cè)參量的作用是使微腔的長(zhǎng)度發(fā)生變化，從腔長(zhǎng)的變化可以導(dǎo)出被測(cè)參量的變化。

2)馬赫-澤德?tīng)柟饫w干涉儀

馬赫-澤德?tīng)柟饫w干涉儀采用雙光束干涉，光源發(fā)出的光通過(guò)分束器被等分為兩束光，分別在參考臂和傳感臂中傳輸。當(dāng)被測(cè)參量作用在傳感臂上，光的相位發(fā)生變化，使兩束光產(chǎn)生了相位差。當(dāng)兩束光再經(jīng)分束器合為一束傳入光探測(cè)器后，相位差會(huì)被光探測(cè)器檢測(cè)到。

3)邁克爾遜光纖干涉儀

邁克爾遜光纖干涉儀與馬赫-澤德?tīng)柟饫w干涉儀相似，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器等分為兩束光，一束光經(jīng)參考臂到達(dá)固定的反射面，另一束光經(jīng)傳感臂到達(dá)移動(dòng)的反射面，兩束光經(jīng)反射后沿原光路返回，在分束器處產(chǎn)生干涉，通過(guò)探測(cè)器可以檢測(cè)出干涉光譜圖。干涉光譜圖的強(qiáng)度與兩臂中光的相位差有關(guān)，當(dāng)被測(cè)參量變化時(shí)，傳感臂中光的相位會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致兩束光的相位差發(fā)生變化，最終被光探測(cè)器檢測(cè)到。

4)賽格納克光纖干涉儀

賽格納克光纖干涉儀是利用光纖的賽格納克效應(yīng)，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器等分為兩束光，在反射后沿相反方向傳播，經(jīng)分束器合成后進(jìn)入光探測(cè)器。當(dāng)干涉儀中的光纖受擾動(dòng)產(chǎn)生法向角速度時(shí)，兩束光將在不同時(shí)刻抵達(dá)光探測(cè)器，此時(shí)產(chǎn)生的相位差會(huì)被光探測(cè)器檢測(cè)到。

1.3 偏振調(diào)制型光纖傳感器

偏振調(diào)制型光纖傳感器中普遍采用的物理效應(yīng)有普克爾效應(yīng)、克爾效應(yīng)、法拉第效應(yīng)和光彈效應(yīng)。基于光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器可用于壓力的測(cè)量，基于光彈效應(yīng)和旋光效應(yīng)的偏振調(diào)制型光纖傳感器可用于壓力和溫度的雙參數(shù)測(cè)量。

1.4 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器主要依賴于光強(qiáng)在光路物理擾動(dòng)(反射、光纖彎曲等)作用下的變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化可以還原物理擾動(dòng)的信息。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器主要用來(lái)監(jiān)測(cè)固化度和樹(shù)脂流動(dòng)。

2 光纖傳感技術(shù)概述

光纖傳感技術(shù)按測(cè)量范圍可分為點(diǎn)測(cè)量式、準(zhǔn)分布式和分布式光纖傳感技術(shù)，準(zhǔn)分布式是把點(diǎn)測(cè)量按一定方式排布形成的多點(diǎn)測(cè)量，分布式是指整根光纖自身成為傳感器，光纖上各處都可作為測(cè)量點(diǎn)[5]。

2.1 點(diǎn)測(cè)量式光纖傳感技術(shù)

當(dāng)前應(yīng)用較廣泛、研究較深入且最有前景的三類點(diǎn)測(cè)量式光纖傳感技術(shù)是波長(zhǎng)調(diào)制型的FBG傳感技術(shù)、相位調(diào)制型的非本征法布里-珀羅傳感技術(shù)和相位調(diào)制型的光纖陀螺技術(shù)，它們都已成功地應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[6]。

2.2 準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)

準(zhǔn)分布式(陣列復(fù)用式)光纖傳感技術(shù)把用于點(diǎn)測(cè)量的光纖傳感器以一定方式(如波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用)聯(lián)接復(fù)用即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量[5]。FBG型陣列傳感器系統(tǒng)和基于干涉結(jié)構(gòu)的陣列光纖傳感器系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的此類測(cè)量系統(tǒng)。FBG型陣列傳感器系統(tǒng)具有各種適用的復(fù)用技術(shù)，能夠同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及測(cè)量，但檢測(cè)精度、時(shí)間和成本都較高。干涉型光纖傳感陣列系統(tǒng)靈敏度高，但相位隨機(jī)漂移會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰弱等問(wèn)題。

2.3 分布式光纖傳感技術(shù)

在分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖本身成為傳感器，通過(guò)檢測(cè)被測(cè)參量的局部變化引起的沿纖維長(zhǎng)度方向上散射光特性的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參量在全光纖上的分布式測(cè)量。根據(jù)光的散射機(jī)制，可分為布里淵散射、瑞利散射和拉曼散射，由此發(fā)展出分布式布里淵光纖傳感技術(shù)、分布式瑞利光纖傳感技術(shù)和分布式拉曼光纖傳感技術(shù)。其中，布里淵散射和瑞利散射對(duì)溫度、應(yīng)變和振動(dòng)敏感，廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域；而拉曼散射主要用于溫度測(cè)量。分布式光纖傳感技術(shù)可以對(duì)整根光纖上任意位置的被測(cè)參量進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且布線簡(jiǎn)潔靈活，可靠性高。

1)分布式布里淵光纖傳感技術(shù)

分布式布里淵光纖傳感技術(shù)采用布里淵散射機(jī)制。在聲波場(chǎng)作用下，布里淵散射過(guò)程中的泵浦光和斯托克斯光因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生布里淵頻移，它由溫度和應(yīng)變的變化決定。布里淵傳感技術(shù)測(cè)量的是整根光纖上各點(diǎn)的布里淵頻移，根據(jù)公式得出溫度和應(yīng)變的信息。布里淵頻移受溫度和應(yīng)變的影響很大，在實(shí)際工程中二者存在交叉影響，需要采用補(bǔ)償光纖解耦二者的相互作用。如今，分布式布里淵光纖傳感技術(shù)已發(fā)展形成了布里淵光時(shí)域分析、布里淵光相關(guān)域分析、布里淵光時(shí)域反射、布里淵光相關(guān)域反射、布里淵光頻域分析等一系列分布式傳感技術(shù)方案。布里淵光纖傳感技術(shù)適用于應(yīng)變和溫度的絕對(duì)測(cè)量[7]。

2)分布式瑞利光纖傳感技術(shù)

分布式瑞利傳感技術(shù)基于光纖中的瑞利散射機(jī)制，早期用于分布式損耗測(cè)量和斷點(diǎn)檢測(cè)。采用光時(shí)域反射原理，寬譜光源發(fā)出探測(cè)光，根據(jù)反射回來(lái)的光強(qiáng)變化獲知損耗的分布位置。隨著技術(shù)進(jìn)步，研究人員開(kāi)發(fā)出感知范圍更大的相位敏感型光時(shí)域反射技術(shù)和光頻域反射等技術(shù)。瑞利光纖傳感技術(shù)適用于應(yīng)變和溫度的相對(duì)變化測(cè)量[7]。

2.4 光纖傳感器和光纖傳感技術(shù)的選擇

波長(zhǎng)、相位、偏振、強(qiáng)度光纖傳感器的選擇取決于所測(cè)物理量的種類，點(diǎn)測(cè)量、準(zhǔn)分布式測(cè)量或分布式測(cè)量技術(shù)的選擇取決于所測(cè)對(duì)象的范圍大小。將單一或多種類型的光纖傳感器按所測(cè)對(duì)象的目標(biāo)范圍布置在對(duì)象上(可能是關(guān)鍵件，也可能是整體結(jié)構(gòu))，構(gòu)成合理的監(jiān)測(cè)體系，以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 航天復(fù)材結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的概念、功能和發(fā)展路線

航天復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)整體過(guò)程，與不同的對(duì)象結(jié)合后，會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，需要針對(duì)性地構(gòu)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以光纖傳感飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為例，首先，需要考慮光纖傳感器的選擇，主要依據(jù)實(shí)際工程中光纖傳感器的適用性、耐久性等要求，通常會(huì)選擇不同類型具有各自優(yōu)勢(shì)的光纖傳感器。然后，在制備過(guò)程中將光纖傳感器埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部或在安裝過(guò)程中將光纖傳感器粘貼在結(jié)構(gòu)表面，針對(duì)監(jiān)測(cè)的是整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以選擇合適的傳感器布置方式，以形成綜合集成的多功能光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。接著，在地面試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)收集飛行器結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息和損傷信息，完成機(jī)上信息存儲(chǔ)，并下傳到地面信息綜合處理站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最后，結(jié)合力學(xué)、物理模型與耐久性損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，計(jì)算出結(jié)構(gòu)損傷，評(píng)估結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和剩余壽命，實(shí)現(xiàn)飛行器實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

航天復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能可以概括為：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如應(yīng)變、溫度和振動(dòng)等；結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)，如基體開(kāi)裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂等；飛行載荷和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，如飛行速度、氣動(dòng)壓力等[8]。

類比于航空飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷程，航天飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展路線可以分為以下四個(gè)階段：①突破在航天飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的傳感應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)研制原型機(jī)完成航天飛行器的地面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證；②突破航天飛行器傳感網(wǎng)絡(luò)機(jī)載適應(yīng)性技術(shù)，完成航天飛行器的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證；③突破結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)(如設(shè)備小型化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)等)，實(shí)現(xiàn)航天飛行器在役在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；④突破結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)一體化的綜合集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與管理應(yīng)用，滿足航天飛行器的維修保障要求[9]。

4 航天復(fù)材結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1985年，美國(guó)空軍為21世紀(jì)空間技術(shù)發(fā)展提出了著名的“預(yù)測(cè)計(jì)劃II”(21st Century U.S.Air Force Space Technology Prediction Program II)，它設(shè)想首先將光纖傳感器等埋入飛行器的蒙皮內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)通信功能。然后將各種光學(xué)傳感器布設(shè)在飛行器的表面上，完成對(duì)飛參數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和寬帶傳感與通信，并通過(guò)光纖鏈路與計(jì)算機(jī)連接提供適當(dāng)?shù)膶?duì)策，由此開(kāi)啟了光纖傳感在航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用序幕。在美國(guó)空軍的資助下，針對(duì)F-15、F-16、F-18、F-22、JSF、F-35等多種軍用航空飛行器，開(kāi)展了大量基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。直到F-35綜合集成各種先進(jìn)傳感技術(shù)和算法預(yù)測(cè)診斷模型，使得F-35成為了當(dāng)今世界航空領(lǐng)域故障預(yù)測(cè)與健康管理最高水平的代表[10]。隨著航空領(lǐng)域基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的日益成熟和完善，直接為航天領(lǐng)域基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了值得借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展路線。以下分別介紹了美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)在航天領(lǐng)域基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

借鑒多款軍機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)發(fā)展歷程，1998年，美國(guó)NASA在X-33航天飛機(jī)的低溫貯箱中埋入光纖傳感器監(jiān)測(cè)其溫度和應(yīng)變的狀態(tài)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出基于信標(biāo)的多任務(wù)異常分析(BEAM)混合診斷工具，用于航天飛機(jī)主引擎的異常檢測(cè)，隨后將BEAM集成到X-34主推進(jìn)反饋系統(tǒng)的預(yù)測(cè)診斷模塊中[11]。2001年，在X-38航天飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中安裝了一套基于12個(gè)FBG的空間分布式光纖傳感系統(tǒng)。12個(gè)FBG傳感器被安置在4個(gè)光纖傳感墊上，每個(gè)傳感墊包含1個(gè)溫度傳感器和2個(gè)應(yīng)變傳感器。把光纖光柵傳感器粘貼在航天飛機(jī)機(jī)體表面，可以監(jiān)測(cè)X-38航天飛機(jī)在發(fā)射和返航過(guò)程中的力學(xué)載荷和熱載荷。根據(jù)收集的應(yīng)變和溫度信息，可以估計(jì)X-38航天飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件的剩余壽命[12]。2010年，NASA在X-37B航天飛機(jī)中埋入光纖傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了結(jié)構(gòu)的溫度和壓力等信息。2021年，NASA阿姆斯特朗研究中心開(kāi)發(fā)的一種光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用于X-56航天飛機(jī)的多用途技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)高效算法實(shí)現(xiàn)高速監(jiān)測(cè)和傳感，實(shí)時(shí)確定應(yīng)變、形狀變形、溫度、液位和運(yùn)行負(fù)載等，以期收集到關(guān)于空氣動(dòng)力如何實(shí)時(shí)影響飛機(jī)的信息，將信息循環(huán)到飛機(jī)控制系統(tǒng)，提高燃油效率和安全性[13]。

自20世紀(jì)八九十年代以來(lái)，NASA一直在利用光纖傳感技術(shù)所獲得的應(yīng)變信息來(lái)不斷優(yōu)化飛機(jī)機(jī)翼形狀。21世紀(jì)初，用管狀封裝的多條弱反射光纖研究了機(jī)翼形狀的測(cè)量方法，計(jì)算了彎扭組合狀態(tài)下的撓度。2003年，NASA飛行研究中心采用FBG傳感器實(shí)時(shí)獲取太陽(yáng)神原型機(jī)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，提出了一種高效的計(jì)算方法，可以從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確估計(jì)變形場(chǎng)[14]。2014年，在變形測(cè)量的基礎(chǔ)上，突破了飛機(jī)機(jī)翼變形主動(dòng)控制的技術(shù)瓶頸。阿姆斯特朗飛行研究中心把光纖光柵傳感器測(cè)量的機(jī)翼蒙皮變形信息與數(shù)值分析算法和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)翼的局部變形測(cè)量到全局變形測(cè)量的突破，重構(gòu)了整個(gè)翼面的變形狀態(tài)，此方法在“三角快帆”航天飛行器中得到了驗(yàn)證[15]。

2002年，歐洲航天局在太空望遠(yuǎn)鏡的三角支架中埋入FBG，實(shí)現(xiàn)了三角支架的變形監(jiān)測(cè)。另外，采用陣列復(fù)用式光纖傳感器對(duì)Proba II衛(wèi)星中的飛行器推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施了壓力和溫度監(jiān)測(cè)。2002年，法國(guó)在太陽(yáng)帆中埋入FBG，對(duì)太陽(yáng)帆的溫度和微應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。德國(guó)在可重復(fù)使用運(yùn)載器的碳纖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中埋入FBG，對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而獲得損傷的快速診斷。法國(guó)Ixsea公司生產(chǎn)的精密級(jí)光纖陀螺得到歐洲航天局的認(rèn)可，成功應(yīng)用于2006年的歐洲空間計(jì)劃衛(wèi)星上[16]。

2002年，日本的Tadahito Mizutani等人介紹了利用FBG對(duì)可重復(fù)使用火箭的復(fù)合材料LH2油箱進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)變測(cè)量的方法。該油箱由碳纖維增強(qiáng)塑料和鋁襯墊組成，采用纖維纏繞方法制造，安裝在可重復(fù)使用火箭試驗(yàn)車(chē)上。為了安裝在火箭上，開(kāi)發(fā)了機(jī)載FBG解調(diào)器。在飛行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)載FBG解調(diào)器的輸出進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。在對(duì)復(fù)合材料LH2儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)變監(jiān)測(cè)之后，對(duì)復(fù)合材料纖維纏繞油箱進(jìn)行了嵌入小直徑FBG的裂縫檢測(cè)，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在固化過(guò)程和壓力測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行了應(yīng)變和溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。在壓力試驗(yàn)中觀察了反射譜形狀的變化，F(xiàn)BG的這一響應(yīng)表明復(fù)合材料纖維纏繞油箱中出現(xiàn)了基體裂紋。從這些結(jié)果中發(fā)現(xiàn)光纖光柵對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有用的。2004年，日本三菱公司和日本航空航天電子公司針對(duì)航天領(lǐng)域研制了具有寬動(dòng)態(tài)范圍的閉環(huán)干涉式光纖陀螺。2011年，日本的Takeda等人使用FBG測(cè)量了沖擊條件下碳纖復(fù)合材料加筋板的應(yīng)變量，證明了光纖光柵在航天結(jié)構(gòu)中溫度、應(yīng)變測(cè)量和損傷監(jiān)測(cè)的能力[17]。

2004年，Richards等人在航天級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中埋入非本征光纖法布里-珀羅應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，測(cè)量誤差不超過(guò)5%。2004年，Ogisu等人設(shè)計(jì)了一套基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器/FBG傳感器的航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離激勵(lì)源5cm處的彈性波探測(cè)。2006年，Mizutani等人在復(fù)合液氫罐表面粘貼FBG，實(shí)現(xiàn)了液氫上升和下降過(guò)程的實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)量。2008年，Park等人將FBG以陣列復(fù)用的方式埋入碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中，在模擬的近地軌道環(huán)境下研究了FBG在熱循環(huán)中的反射譜和中心波長(zhǎng)變化。2010年，Kim等人在模擬空間環(huán)境下使用FBG測(cè)量了樣本的熱形變[6]。

2010年到2013年，天津大學(xué)的江俊峰等為解決FBG溫度應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題，開(kāi)展了熱真空環(huán)境下FBG傳感器的封裝技術(shù)研究，設(shè)計(jì)制作了多種封裝形式的光纖傳感器，采用溫度補(bǔ)償算法去除溫度變化的影響，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變參量傳感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的FBG傳感器在低溫環(huán)境下可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性能。基于高精度非本征光纖法布里-珀羅壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的絕對(duì)壓力測(cè)量，此傳感器可滿足航空和航天陣列型壓力傳感多點(diǎn)測(cè)量及系統(tǒng)小型化的實(shí)際需求。研制了薄膜式非本征光纖法布里-珀羅傳感器，可測(cè)量高速交替變化的壓力信號(hào)。該傳感器的測(cè)量范圍為0.1～20kHz，靈敏度為93 mV/Pa，已用于航天水升華器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。[18-19]

5 結(jié)論與展望

根據(jù)對(duì)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的分析可以看出，航天飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展遵循從少數(shù)關(guān)鍵件監(jiān)測(cè)到全部關(guān)鍵件監(jiān)測(cè)，從關(guān)鍵件監(jiān)測(cè)到整機(jī)監(jiān)測(cè)，從點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)到分布式監(jiān)測(cè)，從單一傳感器監(jiān)測(cè)(如光纖傳感)到多種傳感器綜合集成監(jiān)測(cè)的原則。在航天領(lǐng)域，國(guó)外不僅大量開(kāi)展了光纖傳感在航天飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的基礎(chǔ)性研究，還在多種航天器中開(kāi)展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，逐步向著航天飛行器在役在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與管理應(yīng)用方向推進(jìn)，在發(fā)展路線的四個(gè)階段中處于第四階段。而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究目前還處于探索階段，集中在高校中開(kāi)展，只有少數(shù)的上天應(yīng)用[16]，且僅限于可數(shù)的關(guān)鍵件監(jiān)測(cè)，在發(fā)展路線的四個(gè)階段中處于第一階段。

鑒于國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究處于初始探索階段，為提高國(guó)內(nèi)航天器的使用壽命和可靠性，指出幾點(diǎn)未來(lái)的發(fā)展方向。

(1)借鑒和引入國(guó)外航空航天領(lǐng)域成熟的光纖傳感結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，盡快落實(shí)到國(guó)內(nèi)的航天領(lǐng)域應(yīng)用中，遵循航天飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展路線，逐步完成每個(gè)階段的任務(wù)內(nèi)容。

(2)實(shí)現(xiàn)航天器從狀態(tài)參數(shù)測(cè)量到直接給出結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)剩余壽命。通過(guò)收集到的應(yīng)變、溫度等參數(shù)，結(jié)合力學(xué)、物理模型與耐久性損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)剩余壽命。但由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算結(jié)果的可信性有待提高，且目前只在F-35戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)自主保障信息系統(tǒng)中納入了少部分結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)算法。

(3)實(shí)現(xiàn)在航天復(fù)合材料飛行器整機(jī)結(jié)構(gòu)中布設(shè)綜合集成的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)仍然任重而道遠(yuǎn)。目前，分布式光纖傳感技術(shù)尚未達(dá)到上天在軌測(cè)試的技術(shù)水平，但分布式監(jiān)測(cè)可以提供點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)無(wú)法提供的豐富信息，有著美好的應(yīng)用前景。

(4)實(shí)現(xiàn)光纖傳感器與其他傳感器的綜合集成和信息融合，充分利用各類傳感器在不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)和損傷監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，以更好地實(shí)現(xiàn)航天飛行器結(jié)構(gòu)的全壽命結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。