航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進展
論文題目：航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進展
錄用期刊/會議：遙測遙控（中文核心期刊）
作者列表：
1） 韓潤奇 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系 教師
2） 劉偉松 中國石油大學（北京）石油工程學院 油氣井工程系 博24級
3） 陳茂銀 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系 教師
4） 馬 波 華中科技大學 機械科學與工程學院 教師
5） 王 波 北京空間飛行器總體設計部 高級工程師
摘要:
隨著空間碎片數(shù)量的逐年增加，以及航天器任務復雜度與極端環(huán)境適應性要求的不斷提高，航天器結(jié)構(gòu)的運行狀況、損傷診斷、壽命預測與可靠安全性評估，顯得尤為重要。航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為有效手段，通過布置于結(jié)構(gòu)中的傳感系統(tǒng)，獲取結(jié)構(gòu)特征信息并經(jīng)算法處理，分析評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而確保航天器各階段的安全穩(wěn)定運行。本文聚焦于航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關鍵技術(shù)，首先從信息獲取的傳感端，綜述了光纖傳感、聲發(fā)射傳感、聲表面波傳感的技術(shù)特征、應用現(xiàn)狀、當前問題與發(fā)展方向，隨后介紹了傳感系統(tǒng)部署方法與信息處理的診斷評估算法研究進展，最后總結(jié)展望了航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢與主要挑戰(zhàn)。
背景與動機:
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)（Structural Health Monitoring，SHM）最早由美國提出相應概念，在1998年由美國國家航空航天局在航天飛機項目中，首次實現(xiàn)了低溫油箱狀態(tài)的監(jiān)測管理，并隨后迅速推廣開來，在戰(zhàn)斗機機翼與引擎結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測等多場景中得到了應用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是將傳感系統(tǒng)布置于結(jié)構(gòu)中，收集整體形變、局部應力應變、剛度模態(tài)、強度載荷、溫度壓力等依附于或作用于結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信號特征，采用信號處理與人工智能等方法，反演評估結(jié)構(gòu)運行狀況、損傷診斷、壽命預測、可靠安全等“健康”特性，從而建立合適的維護策略。在航天器的研制階段，健康監(jiān)測技術(shù)可精準評估樣件的損傷程度與復用可行性，降低研制成本；在總裝階段，長時封閉儲存狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，為航天器發(fā)射的科學決策提供了數(shù)據(jù)支持；在空間運行階段，真空、輻照、熱交變、微重力的軌道環(huán)境，以及月塵、沖擊、寬溫域的月面環(huán)境，對于難以維修的航天器所產(chǎn)生的損傷與壽命影響，迫切需要健康監(jiān)測技術(shù)提供的可靠狀態(tài)信息。
主要內(nèi)容:
本文綜述了近年來航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域，在光纖傳感、聲發(fā)射傳感、聲表面波傳感等感知技術(shù)方面的研究進展，以及提高感知效能的傳感系統(tǒng)部署方法和診斷評估算法的研究現(xiàn)狀，針對各技術(shù)類型的技術(shù)特征、應用案例、當前問題與未來展望進行了詳細論述，結(jié)合人工智能領域的新興浪潮，比較了經(jīng)典與智能傳感系統(tǒng)部署優(yōu)化方法，分析了物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的兩類診斷評估算法，為未來航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提供借鑒。
圖1 航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進展組織結(jié)構(gòu)圖
挑戰(zhàn)與展望:
現(xiàn)有的航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在空間站等在軌型號得到了驗證應用，但仍然以實驗室與地面測試應用為主。未來，隨著先進材料、微機電系統(tǒng)與人工智能等前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)將面向極端惡劣高溫高壓環(huán)境適應性、高功能密度微型化集成、多源多模態(tài)多物理場融合感知、智能反演與精準評估等方向，開展深入研究。建立多模態(tài)融合診斷體系，集成光纖傳感、聲發(fā)射傳感、聲表面波傳感等多技術(shù)手段，利用光纖傳感器獲取低頻應變變化，通過聲發(fā)射捕捉高頻瞬態(tài)事件特征，建立多尺度損傷關聯(lián)模型，實現(xiàn)多物理場信號的協(xié)同分析與交叉驗證；基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法處理時空分布數(shù)據(jù)，通過天地協(xié)同標定系統(tǒng)構(gòu)建虛實結(jié)合的數(shù)字孿生反演平臺，開發(fā)具有自主進化能力的智能診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對未知損傷模式的快速識別與精準定位。
結(jié)論:
本文綜述了航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的原理方法、研究進展以及應用情況，先從以技術(shù)類型的角度出發(fā)，介紹了光纖傳感監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射傳感監(jiān)測技術(shù)、聲表面波傳感監(jiān)測技術(shù)的原理特征、應用現(xiàn)狀、當前問題與發(fā)展方向，并細分到局部單點式、離散多點式與連續(xù)分布式光纖的不同光纖傳感方式，以及基于微機電系統(tǒng)的MEMS聲表面波多參數(shù)傳感方式。隨后，從傳感系統(tǒng)部署維度，綜述了智能傳感系統(tǒng)部署優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀、當前問題與發(fā)展方向，以實現(xiàn)更少數(shù)量、更精位置、更高效能、更準評價的健康監(jiān)測。進一步基于傳感信息，圍繞物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動的兩類方法的原理與應用，綜述了診斷與評估算法的研究進展，展望了發(fā)展趨勢。
本文通過詳細介紹航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望，旨在引起工業(yè)界與學術(shù)界的重視，推動該技術(shù)從實驗室原理驗證樣機向工程實踐的轉(zhuǎn)化應用，促進我國航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的進一步發(fā)展。
作者簡介:
韓潤奇，人工智能學院特任崗位副教授，主要從事智能感知微系統(tǒng)、智能鉆井與控制、油氣人工智能的教學與科研工作。