論文題目：航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

錄用期刊/會(huì)議：遙測(cè)遙控（中文核心期刊）

作者列表：

1） 韓潤(rùn)奇 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師

2） 劉偉松 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 油氣井工程系 博24級(jí)

3） 陳茂銀 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師

4） 馬   波 華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 教師

5） 王   波 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 高級(jí)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(wù)復(fù)雜度與極端環(huán)境適應(yīng)性要求的不斷提高，航天器結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況、損傷診斷、壽命預(yù)測(cè)與可靠安全性評(píng)估，顯得尤為重要。航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)作為有效手段，通過(guò)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(píng)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(yùn)行。本文聚焦于航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)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(yīng)用現(xiàn)狀、當(dāng)前問(wèn)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(píng)估算法研究進(jìn)展，最后總結(jié)展望了航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與主要挑戰(zhàn)。

背景與動(dòng)機(jī):

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)（Structural Health Monitoring，SHM）最早由美國(guó)提出相應(yīng)概念，在1998年由美國(guó)國(guó)家航空航天局在航天飛機(jī)項(xiàng)目中，首次實(shí)現(xiàn)了低溫油箱狀態(tài)的監(jiān)測(cè)管理，并隨后迅速推廣開(kāi)來(lái)，在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼與引擎結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)等多場(chǎng)景中得到了應(yīng)用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(yīng)力應(yīng)變、剛度模態(tài)、強(qiáng)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(hào)特征，采用信號(hào)處理與人工智能等方法，反演評(píng)估結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況、損傷診斷、壽命預(yù)測(cè)、可靠安全等“健康”特性，從而建立合適的維護(hù)策略。在航天器的研制階段，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可精準(zhǔn)評(píng)估樣件的損傷程度與復(fù)用可行性，降低研制成本；在總裝階段，長(zhǎng)時(shí)封閉儲(chǔ)存狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，為航天器發(fā)射的科學(xué)決策提供了數(shù)據(jù)支持；在空間運(yùn)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(duì)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(cè)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(lái)航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)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(jìn)展，以及提高感知效能的傳感系統(tǒng)部署方法和診斷評(píng)估算法的研究現(xiàn)狀，針對(duì)各技術(shù)類型的技術(shù)特征、應(yīng)用案例、當(dāng)前問(wèn)題與未來(lái)展望進(jìn)行了詳細(xì)論述，結(jié)合人工智能領(lǐng)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(dòng)的兩類診斷評(píng)估算法，為未來(lái)航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

圖1 航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)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(cè)技術(shù)已經(jīng)在空間站等在軌型號(hào)得到了驗(yàn)證應(yīng)用，但仍然以實(shí)驗(yàn)室與地面測(cè)試應(yīng)用為主。未來(lái)，隨著先進(jìn)材料、微機(jī)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(cè)技術(shù)將面向極端惡劣高溫高壓環(huán)境適應(yīng)性、高功能密度微型化集成、多源多模態(tài)多物理場(chǎng)融合感知、智能反演與精準(zhǔn)評(píng)估等方向，開(kāi)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(yīng)變變化，通過(guò)聲發(fā)射捕捉高頻瞬態(tài)事件特征，建立多尺度損傷關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)信號(hào)的協(xié)同分析與交叉驗(yàn)證；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理時(shí)空分布數(shù)據(jù)，通過(guò)天地協(xié)同標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生反演平臺(tái)，開(kāi)發(fā)具有自主進(jìn)化能力的智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知損傷模式的快速識(shí)別與精準(zhǔn)定位。

結(jié)論:

本文綜述了航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的原理方法、研究進(jìn)展以及應(yīng)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(cè)技術(shù)、聲發(fā)射傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)、聲表面波傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理特征、應(yīng)用現(xiàn)狀、當(dāng)前問(wèn)題與發(fā)展方向，并細(xì)分到局部單點(diǎn)式、離散多點(diǎn)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(jī)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(dāng)前問(wèn)題與發(fā)展方向，以實(shí)現(xiàn)更少數(shù)量、更精位置、更高效能、更準(zhǔn)評(píng)價(jià)的健康監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步基于傳感信息，圍繞物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩類方法的原理與應(yīng)用，綜述了診斷與評(píng)估算法的研究進(jìn)展，展望了發(fā)展趨勢(shì)。

本文通過(guò)詳細(xì)介紹航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(xué)術(shù)界的重視，推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證樣機(jī)向工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介:

韓潤(rùn)奇，人工智能學(xué)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(xué)與科研工作。

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