[发明专利]一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法

说明书

本发明属于航天低温复合材料技术领域，具体涉及一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法。本发明提出了一种在线和离线结合的方式，采用多传感、多状态和信息融合模式的低温复合材料贮箱结构健康监测系统体系，实现服役和离线综合状态监测和健康评估，进而采用系统辅助决策和专家经验决策相结合的方式，实现可重复使用的航天低温复合材料贮箱的控制操作决策和维护计划制定。

技术领域

本发明属于航天低温复合材料技术领域，具体涉及一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法。

背景技术

航天运载器发展水平是代表一国航天能力的核心标志，也是衡量国家综合国力的重要标准之一。轻质化、可重复使用的运载火箭和航天器的发展，对提升我国自主进入空间、载人航天和空间服务等核心能力具有重要的战略意义。

推进剂贮箱是运载火箭的关键结构之一，它的质量和体积都占据运载火箭极大的比例。因此，实现火箭轻质化首先要实现推进剂贮箱结构轻质化，同样，提高火箭可靠性的第一步也是提高推进剂贮箱可靠性。与金属材料相比，复合材料具有非常高的比强度和比模量；与同等规模的金属材料结构相比，大尺寸复合材料结构在加工与装配工艺上也更有优势。因此，复合材料是制备可重复使用超低温液体推进剂贮箱的首选材料之一。与目前常用的铝-锂合金贮箱相比，在承受5000微应变的前提下，复合材料贮箱将减重30％，同时将成本降低25％。NASA提出了复合材料低温推进剂贮箱发展计划(CCTD计划)旨在研究设计低温复合材料液氢/液氧贮箱以替代传统铝合金贮箱。2010年4月20日，使用复合材料贮箱的可重复使用飞行器X－37B试飞成功。近年来，美国SpaceX公司已经多次试验可重复使用火箭，该公司已研制成功直径为12米的超大尺寸复合材料贮箱。然而，为了进一步提升我国的航天技术水平，急需针对可重复使用飞行器结构的使用需求发展复合材料贮箱结构健康监测系统。

结构健康监测技术已经发展了30多年，结构健康监测技术的有效性已被证明，但是针对可重复使用航天低温复合材料贮箱结构的监测问题，还需要解决结构健康监测系统集成问题。贮箱结构比较复杂，需要运用多种数据采集和信号处理手段对贮箱结构的健康状态进行评估，并给出相应的操作决策和维护计划。对于大型工程结构来说，这个过程是十分复杂和困难的，需要传感器管理、数据管理、信号传输和处理、大数据分析并要融合专家经验，因此需要一套集成的系统和方法，处理航天低温复合材料贮箱结构的监测问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法，采用的技术方案为：

一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统，贮箱结构上布设压电传感网络，包括传感阵列模块、数据获取模块、数据处理模块、状态评估模块、数据融合模块和综合决策模块，各模块通过连接线或者无线数据进行信息传输和连接；

所述传感阵列模块，包括在线传感单元和离线传感单元，所述在线传感单元为传感与结构一体化设置，布设质量较轻的光纤传感器、温度传感器和压电传感器，光纤传感器可以获取结构的应力、应变和温度信息，温度传感器可以获取结构的温度信息，压电传感器可以获取冲击信号；所述离线传感单元采用超声C扫、X射线与CT相结合，得到离线多模态信号；

所述数据获取模块包括在线信号采集单元，其利用在线信号采集单元获取在线传感单元测量的数据；离线状态时，利用布设于贮箱结构上的压电传感网络和信号采集单元，得到多模态图像；

所述数据处理模块包括在线动态数据实时处理和离线数据处理；

所述状态评估模块，利用数据处理模块提取出包括应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的处理特征进行状态判定；

所述数据融合模块，对整个航天低温液氧复合材料贮箱结构的进行不同时刻的状态信息融合，融合数据处理后的各信号特征和状态评估结果；利用大数据分析与人工智能技术，将数据库平台数据进行统计分析，显示数据的变化趋势曲线；