段磊光，王學(xué)仁，強(qiáng)洪夫，王哲君

（1.火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部， 陜西 西安710025； 2.火箭軍工程大學(xué)智劍實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710025； 3.火箭軍工程大學(xué)導(dǎo)彈工程學(xué)院， 陜西 西安710025）

0 引 言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便、易于長(zhǎng)期貯存等突出優(yōu)點(diǎn)，作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，在近程戰(zhàn)術(shù)武器和遠(yuǎn)程戰(zhàn)略武器中都獲得了廣泛的應(yīng)用。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自生產(chǎn)之日起會(huì)經(jīng)歷生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸和使用環(huán)境載荷的考驗(yàn)。各個(gè)過程中存在自然環(huán)境因素（溫度、濕度等）、誘導(dǎo)環(huán)境因素（振動(dòng)、沖擊等）和復(fù)合環(huán)境因素。上述諸多因素會(huì)直接影響到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況。而固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況在很大程度上取決于裝藥的狀態(tài)［1］。固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的失效機(jī)制主要有3 種［2］：機(jī)械損傷、化學(xué)老化以及組分遷移。這些失效形式可能會(huì)導(dǎo)致幾類故障模式。2 種最常見的故障模式是推進(jìn)劑材料的開裂和殼體與推進(jìn)劑材料之間的脫粘。其中機(jī)械損傷可能導(dǎo)致推進(jìn)劑孔隙率增加，從而使得薄弱點(diǎn)出現(xiàn)裂紋；而化學(xué)老化使得黏結(jié)劑降低應(yīng)變能力，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在經(jīng)受外載時(shí)出現(xiàn)裂紋［3］。當(dāng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)的快速上升使微裂紋迅速擴(kuò)展，致使內(nèi)孔開裂，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒表面異常。組分遷移可能導(dǎo)致裝藥在經(jīng)受外載時(shí)襯層發(fā)生界面脫粘，從而導(dǎo)致外殼燒穿。此外，推進(jìn)劑裝藥性能劣化限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，需要對(duì)其量化以確保固體發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用。因此，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)其安全性和可靠性具有重要意義［4-6］。如何安全、便捷、準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控已成為一個(gè)重要而又困難的問題。當(dāng)前最為主流的檢測(cè)方式為外置式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無損檢測(cè)技術(shù)，但是其只能對(duì)已出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析且價(jià)格昂貴，無法滿足實(shí)時(shí)、自感知的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)的需求，因此，在未產(chǎn)生宏觀缺陷時(shí)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外研究的主流。

本文針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，從環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用4 個(gè)方面對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)

導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期貯存期間，貯存環(huán)境的溫度、濕度及運(yùn)輸過程中的加速度等載荷會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生累積影響。采集環(huán)境數(shù)據(jù)可掌握發(fā)動(dòng)機(jī)受載歷程，更準(zhǔn)確地評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。當(dāng)前環(huán)境載荷監(jiān)測(cè)主要集中于溫度、濕度以及振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和分析方面。

1.1 溫度監(jiān)測(cè)

已知發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存地點(diǎn)的環(huán)境溫度具有季節(jié)性和日間變化。日間變化（高頻分量）的時(shí)間周期為24 h，季節(jié)變化（低頻分量）的時(shí)間周期為1 年［7］。由于殼體與藥柱的熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)不同，當(dāng)環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度產(chǎn)生差異時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中會(huì)因溫度梯度分布而傳熱并在粘彈性藥柱中產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，因此溫度循環(huán)變化最終直接體現(xiàn)在藥柱熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的循環(huán)變化。循環(huán)熱應(yīng)力分2 步獲得：（a）給溫度定邊界條件后，可以得到藥柱中的溫度分布；（b）由于幾何約束和熱梯度，產(chǎn)生了熱應(yīng)變，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。

Mahmoudi［8］估計(jì)了在周期性溫度邊界條件下無殼體的藥柱中的熱應(yīng)力并得到解析解。Tun? 等［9］計(jì)算了在周期性及任意溫度邊界條件下的藥柱熱應(yīng)力和變形。Heller 等［7］使用概率方法研究了因環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的固體推進(jìn)劑藥柱失效。他們考慮了熱負(fù)荷、強(qiáng)度和應(yīng)變能力的統(tǒng)計(jì)變異性，并且熱負(fù)荷的功率譜是從10 年的時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)中得出的。結(jié)果顯示，白天夜間的溫度變化導(dǎo)致了殼體處的顯著熱梯度，而季節(jié)性溫度變化則導(dǎo)致了孔徑處的高切向應(yīng)力和藥柱-殼體界面處的徑向應(yīng)力。同樣基于概率失效準(zhǔn)則，Gligorijevic 等［10］表明環(huán)境溫度可能導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)顯著的累積損傷，進(jìn)而導(dǎo)致藥柱內(nèi)出現(xiàn)裂紋。上述熱應(yīng)力的每個(gè)循環(huán)（加載/卸載）都與環(huán)境溫度有關(guān)，并會(huì)對(duì)熱黏彈性藥柱造成小的損傷。重復(fù)循環(huán)熱應(yīng)力造成的累積損傷將導(dǎo)致藥柱失效。環(huán)境溫度的變化可以通過測(cè)量季節(jié)溫度變化和日間溫度變化來表示，從而降低了計(jì)算成本。

1.2 濕度監(jiān)測(cè)

環(huán)境水分或水的擴(kuò)散/吸收可能會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能和推進(jìn)劑-襯層界面的黏結(jié)性能。在推進(jìn)劑制備的混合過程中，高氯酸銨（AP）最容易受到水分污染，因?yàn)樗且环N可溶于水的吸濕性無機(jī)鹽。由于AP 顆粒受潮后直徑的平均尺寸增加使得相應(yīng)的顆粒有效表面積減少，這直接導(dǎo)致了燃燒效率的降低。在固化過程中，吸收的水分與固化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致固化不完全，使得推進(jìn)劑在固化后無法達(dá)到所需的抗拉強(qiáng)度［11］。在典型的貯存條件下，藥柱內(nèi)部水蒸氣濃度相當(dāng)于約15%的相對(duì)濕度，而貯存環(huán)境在24 ℃下的相對(duì)濕度為約為30%［12］。在較高濕度環(huán)境中貯存時(shí)，擴(kuò)散的濕氣及水蒸氣與聚合物發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生交聯(lián)斷裂（水解），導(dǎo)致推進(jìn)劑的質(zhì)量分子分布發(fā)生變化，強(qiáng)度和剛度降低。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)貯存環(huán)境中的濕度監(jiān)測(cè)尤為重要。

1.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)及運(yùn)輸過程中，會(huì)受到不同頻率的環(huán)境振動(dòng)，結(jié)構(gòu)完整性容易受到破壞，破壞的主要形式是推進(jìn)劑力學(xué)性能變化引起的藥柱損傷和推進(jìn)劑/襯層結(jié)合界面失效，這將會(huì)導(dǎo)致裂紋和脫粘。因此分析振動(dòng)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要意義。20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)學(xué)者提出大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試中的一個(gè)主要問題是開發(fā)一種將加速度計(jì)嵌入黏彈性推進(jìn)劑中的方法。最終選定的配置使用了24 個(gè)三軸加速度計(jì)，其中14 個(gè)嵌入在推進(jìn)劑中，10 個(gè)安裝在推進(jìn)劑表面上［13］。Huang 等［14］針對(duì)艦載導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，提出了基于微控制器和MEMS 傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并給出了硬件單元和典型的硬件電路。而后基于監(jiān)測(cè)到的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS 軟件分析了溫度和低頻振動(dòng)載荷對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SRM）應(yīng)力和應(yīng)變的影響，結(jié)果表明，低頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致藥柱應(yīng)力應(yīng)變波動(dòng)增加，并且界面處的應(yīng)力應(yīng)變變化大于內(nèi)孔［15］。Cao等［16］對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)加速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，后有效消除了原始振動(dòng)數(shù)據(jù)的噪聲和趨勢(shì)項(xiàng)，最后將得到的振動(dòng)特征頻率應(yīng)用于有限元分析。結(jié)果表明，被監(jiān)測(cè)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸過程中主要承受0.2 Hz 和15 Hz 的低頻振動(dòng)，藥柱應(yīng)力集中于推進(jìn)劑/襯層結(jié)合面的頭部和尾部以及藥柱根部下方。Srivastava 等［17］針對(duì)不同的環(huán)境條件，對(duì)復(fù)合材料殼體的SRM 進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)藥柱、界面和復(fù)合材料殼體的結(jié)構(gòu)完整性沒有影響，都能承受所有的環(huán)境條件。綜合來看，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具備了固體發(fā)動(dòng)機(jī)典型歷程振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，并且評(píng)估方式都是將提取的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)輸入有限元模型中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，然而振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥實(shí)際應(yīng)力以及失效的關(guān)系仍需要通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

2 化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

端羥基聚丁二烯（HTPB）基復(fù)合固體推進(jìn)劑的老化可以通過模量、拉伸強(qiáng)度或拉伸應(yīng)變等力學(xué)性能測(cè)量來表征［18］，但是與力學(xué)測(cè)試相比，化學(xué)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)成本更少。其次，由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部通常是被密封住的，因此從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部取出力學(xué)測(cè)試推進(jìn)劑樣品是困難且危險(xiǎn)的。此外，用于力學(xué)測(cè)試的啞鈴型單軸拉伸試驗(yàn)的試件［19］尺寸為10 mm×25 mm×120 mm，如圖1 所示。圖2 為用于化學(xué)測(cè)試的推進(jìn)劑試樣，其尺寸僅為1 mm× 2 mm×2 mm，質(zhì)量大約3 g［20］?？梢钥闯鲇糜诨瘜W(xué)測(cè)試的推進(jìn)劑試樣比用于力學(xué)性能測(cè)試的試件尺寸和質(zhì)量更小，因此對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥微量取樣進(jìn)行化學(xué)測(cè)試相對(duì)力學(xué)測(cè)試更加容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 完成單軸試驗(yàn)后啞鈴型試件的照片［19］Fig.1 A photo of dumbbell shaped samples after uniaxial tests were completed［19］

圖2 提取前可溶性組分試樣的照片［20］Fig.2 A photo of soluble fraction test samples before extraction［20］

化學(xué)性質(zhì)中，如可溶性部分描述了未氧化交聯(lián)的聚合物基質(zhì)部分，交聯(lián)密度則描述了已經(jīng)氧化交聯(lián)的聚合物基質(zhì)部分，可以通過力學(xué)性能來跟蹤并作為老化評(píng)估參數(shù)。交聯(lián)密度首先可以通過推進(jìn)劑內(nèi)的可溶性部分進(jìn)行分析，而后帶入Charlesby-Pinner 方程［21］計(jì)算評(píng)估，如式（1）。

式中，S代表通過從推進(jìn)劑樣品中提取獲得的可溶性部分；D表示交聯(lián)密度，%。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑裝藥微量取樣的方法還是會(huì)影響其安全性，因此出現(xiàn)了無損無創(chuàng)化學(xué)分析方法。光譜技術(shù)是通過測(cè)量物質(zhì)與光的相互作用來進(jìn)行檢測(cè)的。它利用物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)或頻率的光的吸收、發(fā)射、散射等特性，通過分析光與物質(zhì)相互作用后的變化，來獲取物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、濃度等信息。這種檢測(cè)方法無需對(duì)物質(zhì)進(jìn)行接觸或破壞，具有無損無創(chuàng)性的特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是固體推進(jìn)劑分析的有力工具，特別是用于確定成分比、推進(jìn)劑老化、孔洞和形狀不規(guī)則性的檢測(cè)［22］。漫反射紅外傅立葉變換光譜（DRIFTS）法是一種能夠?qū)θ跷瘴镔|(zhì)表現(xiàn)出很大敏感性的技術(shù)。它具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中之一就是在研究材料退化方面［23-24］的應(yīng)用。此外，將DRIFTS 技術(shù)集成到推進(jìn)劑老化研究中也是可能的。Chelouche 等［25］通過將主成分分析（PCA）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）相結(jié)合，研究了推進(jìn)劑老化的化學(xué)穩(wěn)定性，并通過推進(jìn)劑老化實(shí)驗(yàn)建立了動(dòng)力學(xué)模型，基于所獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)推進(jìn)劑的貯存壽命進(jìn)行了準(zhǔn)確評(píng)估。Feigley［26］曾用帶有反射探針和光纖的近紅外聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）多通道光譜儀對(duì)不同位置推進(jìn)劑進(jìn)行非接觸式掃描，監(jiān)測(cè)了推進(jìn)劑由于降解二苯胺（DPA）濃度變化而發(fā)生的變化。

固體推進(jìn)劑在老化過程中，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，生成包括NO?、NO、HCl 等在內(nèi)的氣體，如果能夠通過檢測(cè)氣體成分的含量變化監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑的老化，就可以在不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，了解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部推進(jìn)劑的健康狀態(tài)，這樣不但能夠節(jié)省成本，也可以為固體發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估以及延壽提供技術(shù)保障，因此，開展推進(jìn)劑老化氣氛監(jiān)測(cè)方面的研究具有很高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室［27］開發(fā)了一種光學(xué)傳感器系統(tǒng)，用于自主監(jiān)測(cè)高能材料老化產(chǎn)生的NO2及其演變。傳感器材料是苝/PMMA 膜，通過藍(lán)色LED 光源激發(fā)并由CCD 光譜儀檢測(cè)熒光。由于NO2與苝會(huì)發(fā)生不可逆反應(yīng)從而產(chǎn)生非熒光硝基苝，因此可通過熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的損失率評(píng)估NO2濃度水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑釋放NO2的濃度在0.01‰ 到0.1‰之間。傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，推進(jìn)劑會(huì)在25 d 的老化時(shí)間內(nèi)釋放出NO2，并在活躍期和休眠期之間循環(huán)。

當(dāng)前，化學(xué)微傳感器領(lǐng)域的先進(jìn)發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了新的應(yīng)用，這些微傳感器設(shè)備具備替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)化學(xué)分析儀器的潛力。美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈研究、開發(fā)與工程中心（AMRDEC）［28］基于納米技術(shù)研究了一種表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）法，其原理是通過激發(fā)納米多孔金屬表面（納米球）上的表面等離子體激元來增強(qiáng)拉曼散射光，從而依靠這種技術(shù)開發(fā)新型智能傳感器，用于檢測(cè)推進(jìn)劑中的化學(xué)量。另一種叫做伏安法，是一種用于檢測(cè)定量溶解在液體中物質(zhì)的成熟技術(shù)?；诜卜ǎ_發(fā)了新型智能傳感器，用于檢測(cè)推進(jìn)劑化學(xué)老化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)。AMRDEC 進(jìn)行了對(duì)功能化單壁碳納米管（SWCNTs）的探索性研究，該研究的目的是評(píng)估固體推進(jìn)劑的降解情況，以此來評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。在研究中，SWCNTs 被用作關(guān)鍵的傳感元件，通過對(duì)其性能和反應(yīng)進(jìn)行分析，可以獲取關(guān)于固體推進(jìn)劑的降解程度。AMRDEC 與NASA-Ames 團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了一套完整的SWCNT傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。這套低功率納米傳感系統(tǒng)的開發(fā)旨在能夠以十億分之一的靈敏度范圍內(nèi)檢測(cè)各種電活性化學(xué)分析物［29］。再后來AMRDEC對(duì)納米多孔膜、碳納米管和光譜配置傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑降解方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。其中納米多孔膜傳感器是利用納米多孔氧化鋁膜（圖4）過濾掉推進(jìn)劑降解過程中釋放出的CO、NO、NO2等氣體分子，將N2O 氣體分子積累起來，用于估算推進(jìn)劑穩(wěn)定劑的壽命。光纖光譜（FOS）傳感器使用非侵入式光纖測(cè)量體積后向散射光譜（圖5）從而監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑中穩(wěn)定劑的濃度水平［30］。阿拉巴馬農(nóng)工大學(xué)的Farley等［31］進(jìn)行了一項(xiàng)研究，他們使用了一種靈敏的拉曼光譜技術(shù)來檢測(cè)固體推進(jìn)劑中的穩(wěn)定劑甲基硝基苯胺（MNA），他們提出了一種方案，即在導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)中植入一條小型光纖探測(cè)線，無需拆卸導(dǎo)彈，在幾秒鐘內(nèi)就可以進(jìn)行測(cè)試。

圖3 完整的SWCNT 傳感系統(tǒng)［29］Fig.3 Complete NASA-Ames SWCNT sensor package［29］

圖4 納米多孔氧化鋁膜的SEM 圖像［30］Fig.4 SEM image of nanoporous alumina membrane［30］

圖5 用于測(cè)量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)穩(wěn)定劑濃度水平的光纖后向散射光譜系統(tǒng)的概念草圖［30］Fig.5 Conceptual sketch of fiber optic back scattering spectroscopic system used for measuring the concentration level of stabilizer MNA inside a rocket motor［30］

Daoud 等［32］使用microPHAZIRTM 近紅外手持平臺(tái)（圖6）對(duì)CL-01 復(fù)合固體火箭推進(jìn)劑進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)實(shí)時(shí)地量化CL-01 固體火箭推進(jìn)劑的主要化學(xué)成分及其健康狀況，并且不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢物和殘留物，從此將結(jié)構(gòu)健康管理（SHM）與化學(xué)健康管理（CHM）相結(jié)合。這項(xiàng)新技術(shù)的引入將有效地減少監(jiān)測(cè)和使用壽命延長(zhǎng)計(jì)劃（SLEP）所需的成本。Chelouche等［33］通過主成分分析和傅立葉變換紅外光譜相結(jié)合，建立新的方法來準(zhǔn)確評(píng)估均質(zhì)固體推進(jìn)劑的實(shí)際和等效老化時(shí)間，并通過6，8，10 和12 個(gè)月的實(shí)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了該模型的準(zhǔn)確性?？梢娊y(tǒng)計(jì)工具和分析技術(shù)的結(jié)合為建立有效的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了重要思路。應(yīng)用這些化學(xué)監(jiān)測(cè)手段制造微傳感器應(yīng)用之前，還需要進(jìn)行化學(xué)量與力學(xué)性能參數(shù)閾值的對(duì)應(yīng)研究，然而國(guó)內(nèi)外在這方面的研究還較為欠缺。同時(shí)，化學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍是研究者們需要克服的重要問題。

圖6 microPHAZIRTM 近紅外手持平臺(tái)［32］Fig.6 microPHAZIRTM NIR miniature handheld platform［32］

3 力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)于固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的力學(xué)狀態(tài)和特性，常用數(shù)值計(jì)算的方法來確定，盡管應(yīng)力具有奇異性以及非線性行為，近年來推進(jìn)劑損傷演化理論、非線性本構(gòu)理論以及界面力學(xué)等方面研究的發(fā)展為力學(xué)狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估奠定了重要基礎(chǔ)。然而，材料的不連續(xù)性、幾何形狀的不規(guī)則性以及材料因老化而性能變化等因素，使生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)值評(píng)估變得更加復(fù)雜。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測(cè)手段的發(fā)展能夠?qū)ρb藥力學(xué)狀態(tài)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，從而為極端條件下裝藥結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)估奠定基礎(chǔ)。除了驗(yàn)證外，力學(xué)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)還為發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)、材料改進(jìn)的逆分析技術(shù)提供可能性，從而將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的計(jì)算模型。另外力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的力學(xué)量作為位置和時(shí)間的函數(shù)，其演化規(guī)律能夠檢測(cè)裂紋和校準(zhǔn)老化模型。監(jiān)測(cè)采集到的力學(xué)特性隨時(shí)間的變化成為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的壽命預(yù)測(cè)提供訓(xùn)練樣本［34］。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)部的力學(xué)狀態(tài)變化是由幾個(gè)因素產(chǎn)生的［36］：（1）固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱固化后需要從固化溫度降至貯存溫度，而由于殼體與藥柱的熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)不同，殼體抑制了推進(jìn)劑藥柱的冷卻收縮，致使發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在出廠時(shí)就存在熱載荷，其表現(xiàn)為在殼體和藥柱黏結(jié)界面處推進(jìn)劑藥柱存在徑向的拉應(yīng)力，在藥柱界面的終端處存在剪應(yīng)力，而在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱中孔處由于體積收縮、內(nèi)孔直徑增大存在環(huán)向拉伸；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸時(shí)承受振動(dòng)載荷；（3）由于推進(jìn)劑是一種粘彈材料，發(fā)動(dòng)機(jī)在靜態(tài)貯存時(shí)一方面藥柱因重力的作用而產(chǎn)生蠕變，另一方面固化降溫的殘余應(yīng)力還會(huì)產(chǎn)生松弛；（4）推進(jìn)劑在長(zhǎng)期貯存中材料產(chǎn)生化學(xué)老化及物理老化，老化直接體現(xiàn)在其力學(xué)特性的變化；（5）貯存和運(yùn)輸時(shí)溫度變化一方面影響推進(jìn)劑的模量，另一方面影響著推進(jìn)劑的松弛和蠕變的變形率；（6）上述的原因交織在一起可能會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑或界面損傷的演化，例如孔隙率的變化；（7）當(dāng)藥柱出現(xiàn)宏觀破壞，如宏觀裂紋以及界面脫粘時(shí)，整個(gè)藥柱的應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)受到影響，應(yīng)力釋放與應(yīng)力集中共同存在。

3.1 界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)

要了解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)，最簡(jiǎn)單的方法就是在其內(nèi)部嵌入傳感器，以測(cè)量特征信號(hào)并導(dǎo)出力學(xué)量，內(nèi)部嵌入傳感器本身就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性造成破壞，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)中協(xié)調(diào)傳感器的因素，如數(shù)量、大小、硬度等都會(huì)受到嚴(yán)格限制。此外，傳感器很難放置在最需要測(cè)量的位置，例如最容易產(chǎn)生裂紋的內(nèi)孔附近。從本質(zhì)上講，希望將傳感器放置在均勻應(yīng)變的區(qū)域，遠(yuǎn)離感興趣的點(diǎn)，然后計(jì)算或推斷實(shí)際需要的信息?？偠灾そY(jié)界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在裝藥結(jié)構(gòu)完整性、安全性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、化學(xué)兼容性和布置便利性等方面都需要滿足要求。

正應(yīng)力傳感器的發(fā)展歷史可以追溯到20 世紀(jì)60年代末期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)科學(xué)家Miller［37］提出了測(cè)量全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)是非常必要的。應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的測(cè)量能夠在后續(xù)設(shè)計(jì)藥柱時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)能力進(jìn)行分析評(píng)估。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，Miller 初步闡述了貫穿殼體黏結(jié)應(yīng)力計(jì)的使用方法。Burton［38］闡述了貫穿殼體黏結(jié)應(yīng)力計(jì)測(cè)量理論，并在推進(jìn)劑固化和隨后的熱測(cè)試過程中，使用該應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑殼體界面處的徑向應(yīng)力。換能器中使用的箔片應(yīng)變計(jì)需要一個(gè)薄金屬膜片才能具有可接受的信噪比，然而對(duì)于相同的載荷條件，由于推進(jìn)劑模量的溫度相關(guān)性會(huì)使得薄隔膜發(fā)生不同的變形，使得應(yīng)力的測(cè)量隨溫度和時(shí)間發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)具有較高的應(yīng)變系數(shù)，因此可以設(shè)計(jì)更厚的膜片，這使得半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)具有良好的信噪比特性。半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用也使傳感器的尺寸變得更小，對(duì)推進(jìn)劑應(yīng)力場(chǎng)的干擾更小。因此半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用，提高了應(yīng)力傳感器的精度［39］。

由于貫穿殼體應(yīng)力計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力的問題一直沒有得到有效解決，加上半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器的快速發(fā)展，1997 年，Micron Instruments 公司研發(fā)的雙黏結(jié)界面應(yīng)力和溫度（DBST）傳感器應(yīng)運(yùn)而生，如圖7所示，其在發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究中具有里程碑意義。其主要功能就是監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體或絕熱層與推進(jìn)劑界面的徑向應(yīng)力以及溫度［40］。英國(guó)的Buswell，以及 美 國(guó)Micron Instruments 公 司 的Chelner［41］對(duì)DBST傳感器的特點(diǎn)，如工作溫度范圍、精度、靈敏度、非侵入性、長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性等方面都進(jìn)行了考慮，從而完善了傳感器的設(shè)計(jì)制造與實(shí)驗(yàn)，并在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上成功地應(yīng)用于無噴管增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)過兩年的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)，2002 年，Chelner［42］總結(jié)了DBST傳感器第一階段期間取得的重大進(jìn)展，他指出該傳感器在90%滿刻度拉伸載荷下超過八個(gè)月不會(huì)蠕變，證明了DBST 的穩(wěn)定性。

圖7 DBST 傳感器［40］Fig.7 DBST Sensors［40］

Micron Instruments 公司［43-44］對(duì)DSBT 傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)更改。例如，改進(jìn)了電氣連接出口處的密封性，加固了傳感器壁，為了便于形成良好的密封面，對(duì)后蓋也進(jìn)行了改進(jìn)，如圖8a 所示。其還在傳感區(qū)域內(nèi)增加了一個(gè)方向的應(yīng)變片，用于測(cè)量剪切應(yīng)力，如圖8b 所示。橋接模塊的連接改為一個(gè)微型可重復(fù)使用的連接器，如圖8c 所示。他們還將校準(zhǔn)后的傳感器粘在背面彎曲的墊片上，以匹配發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的形狀，如圖8d 所示。于此同時(shí)，Newton Consultancy 公司的Buswell等［45］提出基于DBST 的非侵入式微機(jī)電（MEMS）傳感器，其多樣化信息采集為評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性提供更有效工具。由于DBST 傳感器是嵌入在發(fā)動(dòng)機(jī)界面的，傳感器必須通過導(dǎo)線連接到外部才能傳輸信息，并且這些電纜和連接器是當(dāng)前系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此電線管理是一個(gè)重要問題。Miller 等［46］提出將DBST 傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與RFID 技術(shù)進(jìn)行集成，并闡述相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。到了2012年，Micron Instruments 的Chelner 等［47］發(fā) 文 探 討 了DBST 未來可能的發(fā)展，認(rèn)為下一代傳感器是超微型多功能數(shù)字黏結(jié)應(yīng)力傳感器，可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、加速度、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和化學(xué)量等多種參數(shù)，具有更高的靈敏度，更強(qiáng)的抗干擾能力，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多種狀態(tài)參數(shù)。在信號(hào)調(diào)理方面，采用多路復(fù)用、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波及自動(dòng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計(jì)制造智能傳感器，如圖9 所示。在通信方面，采用無線通訊方式，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)黏結(jié)應(yīng)力，布置更加靈活，數(shù)據(jù)采集傳輸更方便。

圖8 DSBT 傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)［43］Fig.8 Improved Design of DSBT Sensor［43］

基于DBST 傳感器的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)的具體校準(zhǔn)、應(yīng)用以及相關(guān)算法細(xì)節(jié)仍在研究中。荷蘭TNO Prins Maurits Laboratory［48］發(fā) 文 介 紹 了 一 項(xiàng) 工作的初步結(jié)果，他們將DBST 傳感器和監(jiān)測(cè)藥柱氧含量的化學(xué)傳感器埋入一系列模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)這些發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度循環(huán)以誘導(dǎo)物理/機(jī)械老化以及長(zhǎng)期等溫?zé)豳A存以誘導(dǎo)化學(xué)老化。結(jié)果表明，傳感器使用4 年后靈敏度變化小于0.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力水平隨著溫度循環(huán)而顯著降低。該團(tuán)隊(duì)在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上又在同條件下對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了機(jī)械老化和化學(xué)老化測(cè)試，還開展了發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較［49-50］。與此同時(shí)德國(guó)的Tussiwand 等［51］應(yīng)用DBST傳感器測(cè)量了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在+60 ℃和-40 ℃之間熱負(fù)荷循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。熱循環(huán)結(jié)束時(shí)，在藥柱中切割出一條尺寸超過發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸計(jì)算臨界值的尖銳橢圓形孔裂紋。結(jié)果表明，使用DBST 可以檢測(cè)出內(nèi)孔處產(chǎn)生的裂紋。

2013 年，Le 等［52］采用有限元模型研究了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在冷卻過程中脫粘對(duì)絕熱層-推進(jìn)劑界面徑向應(yīng)力分布的影響。建立了脫粘角度、界面應(yīng)力傳感器數(shù)量和所需傳感器精度之間關(guān)系，提出了2 種檢測(cè)脫粘的方法。該團(tuán)隊(duì)2016 年采用相同的分析方法研究了在不同儲(chǔ)存溫度下，內(nèi)孔裂紋對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力分布的影響，獲得裂紋深度和傳感器數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系，從而能夠通過傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中孔裂紋的大?。?3］。2016 年中國(guó)海軍航空工程學(xué)院董可海等［54］利用元器件微應(yīng)變引起感應(yīng)電阻變化從而引起電輸出變化的基本原理，研制了界面應(yīng)力溫度傳感器如圖10a，直徑為15 mm，厚度為2.5 mm。并搭建了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖10b。該團(tuán)隊(duì)后針對(duì)公路運(yùn)輸載荷進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析。

圖10 界面?zhèn)鞲衅骷捌浔O(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建［54］Fig.10 Interface sensors and their monitoring system construction［54］

在界面應(yīng)力傳感器使用方面，2021 年，Marqui［55］基于三維有限元方法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度載荷作用下不同缺陷如裂紋和脫粘狀態(tài)進(jìn)行界面應(yīng)力分析，得到缺陷類型、大小、位置與傳感器數(shù)量、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。2021 年Liu 等［56］提出一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，評(píng)估固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)孔裂紋和脫粘共存情況下的界面應(yīng)力響應(yīng)，從而通過界面應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷的位置、類型及大小。Miller 等［57-58］將DBST 傳感器嵌入模擬發(fā)動(dòng)機(jī)界面，使用的發(fā)動(dòng)機(jī)及其X 射線如圖11。在溫度循環(huán)載荷下通過傳感器數(shù)據(jù)估計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)的無應(yīng)力溫度以及模量，并得出等效老化4.5 年后模量變化20%的結(jié)論。Micron Instruments 公司［59-60］通過數(shù)值方法（圖12），確定了基于膜片的法向及剪切應(yīng)力溫度（NSST）傳感器在組合應(yīng)力載荷下主要材料及形狀參數(shù)，驗(yàn)證了NSST 傳感器的設(shè)計(jì)潛能。

圖11 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的照片和X 射線圖片［54］Fig.11 Simulated motor photos and X-ray images［54］

圖12 界面嵌入NSST 傳感器的數(shù)值模型［60］Fig.12 Numerical model of interface embedded NSST sensor［60］

經(jīng)過30 余年的研究，研究者們已經(jīng)將設(shè)計(jì)特征和制造標(biāo)準(zhǔn)融入界面應(yīng)力傳感器主體中，以最大程度地減少傳感器材料蠕變以及因環(huán)境發(fā)生的退化，保證了其穩(wěn)定性，并且已經(jīng)證明了以DBST 為主的傳感器能夠在功率限制范圍內(nèi)測(cè)量應(yīng)力和溫度，保證了安全性。但是，由于當(dāng)前研究采用的界面應(yīng)力傳感器均為剛性體，并且嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)直接與推進(jìn)劑黏結(jié)與接觸，其黏結(jié)性能以及對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)產(chǎn)生的影響考慮的還不夠深入。由以上也可以看出，國(guó)外的研究重心主要集中于應(yīng)力傳感器的研制、性能測(cè)試、功能改進(jìn)以及數(shù)據(jù)處理等方面，然而對(duì)于真實(shí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)在固化降溫、貯存以及彈射點(diǎn)火（過載）等典型載荷下，應(yīng)力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)研究較少，無法得到應(yīng)力數(shù)據(jù)與典型載荷的真實(shí)規(guī)律。因此，嵌入應(yīng)力傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)界面力學(xué)特性研究以及真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究還需要進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 基于柔性傳感的監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于DBST 等黏結(jié)界面應(yīng)力傳感器材料模量遠(yuǎn)大于固體發(fā)動(dòng)機(jī)埋置部分的材料模量，埋入傳感器和界面不相容會(huì)影響周圍的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及界面強(qiáng)度，柔性傳感器應(yīng)運(yùn)而生。2018 年印度的Sankar 等［61］通過將嵌入聚偏氟乙烯（PVDF）和2 電極片制成電容傳感器，通過加壓測(cè)試了其電容信號(hào)的線性度，后將其嵌入到推進(jìn)劑當(dāng)中，如圖13 所示，在常溫固化時(shí)監(jiān)測(cè)了電容信號(hào)變化，證明了PVDF 傳感器能夠跟蹤推進(jìn)劑固化過程中應(yīng)變變化。雖然這種傳感器厚度僅有50 μm，但由于PVDF 材料具有很強(qiáng)的溫度敏感性，如何進(jìn)行溫度補(bǔ)償是其應(yīng)用的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

圖13 嵌入PVDF 傳感器的推進(jìn)劑試件［61］Fig.13 Propellant specimens embedded with PVDF sensors［61］

2020 年武漢大學(xué)屈文忠等［62］提出了一種基于柔性傳感器的界面應(yīng)力測(cè)試方法，分別將柔性壓阻傳感器與柔性電容傳感器（圖14a），預(yù)先埋入裝藥結(jié)構(gòu)試件界面中，通過拉伸機(jī)進(jìn)行扯離實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)，如圖14b 所示，初步驗(yàn)證了嵌入式柔性傳感器監(jiān)測(cè)和表征裝藥結(jié)構(gòu)試件界面應(yīng)力的可行性以及裝藥結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)前，在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中假肢關(guān)節(jié)所用到的界面應(yīng)力柔性傳感器（圖15）［63］以及柔性電子皮膚所用到的大應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅鳎▓D16）［64］的發(fā)展為其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供新的理念與技術(shù)窗口，將為固體發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)帶來新的機(jī)遇。

圖14 柔性傳感器及其應(yīng)用［62］Fig.14 Flexible sensors and their applications［62］

圖15 界面應(yīng)力柔性傳感器［63］Fig.15 Flexible interface stress sensor［63］

圖16 大應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅鳎?4］Fig.16 Flexible large strain sensor［64］

3.3 基于光纖傳感的監(jiān)測(cè)技術(shù)

光纖傳感器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕，其直徑可達(dá)數(shù)百微米量級(jí)，將其嵌入固體發(fā)動(dòng)機(jī)中后無需拆卸，并且多個(gè)傳感點(diǎn)可以刻在單個(gè)光纖上，因此近些年其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展較快。然而對(duì)于固體發(fā)動(dòng)機(jī)，其僅在復(fù)合材料殼體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著較為廣泛的研究，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥方面研究還較為不足。2013 年，Riziotis 等［65］將裸聚合物光纖和護(hù)套電纜縱向結(jié)合到推進(jìn)劑中（圖17）之外，還首次提出將聚合物光纖與嵌入式應(yīng)變敏感閉環(huán)光纖段結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)光纖具有遠(yuǎn)高于10%的應(yīng)變和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)能力，證明利用聚合物光纖開發(fā)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感平臺(tái)具有廣闊應(yīng)用前景。

圖17 POF 與推進(jìn)劑結(jié)合的樣品結(jié)合的光學(xué)顯微鏡照片［65］Fig.17 Optical microscopy of samples with binding of POF and propellant［65］

2017 年，常新龍等［66］通過有限元模擬了光纖嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁內(nèi)在軸向以及非軸向拉伸下的響應(yīng)。結(jié)果表明，所提出的傳感系統(tǒng)可以測(cè)量SRM 中的黏結(jié)應(yīng)力（徑向應(yīng)力）。2018 年，該團(tuán)隊(duì)將光纖布拉格光柵（FBG）埋入模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了推進(jìn)劑的固化及脫模過程，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)變化可以監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑的固化程度，并且傳感器對(duì)藥柱的拉壓應(yīng)力非常敏感［67］。同年，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種聚合物封裝的FBG 傳感器，將其埋入HTPB 推進(jìn)劑/襯層界面黏接試件中，通過實(shí)驗(yàn)研究了應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明FBG 傳感器的線性度、靈敏度及穩(wěn)定性較好［68］。2023 年，張蕓山等［69］采用飛秒激光直寫技術(shù)對(duì)高對(duì)比度短飛秒光柵陣列進(jìn)行寫入，解決了固體發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)力集中引起的光柵啁啾現(xiàn)象，突破了SRM 中光纖傳感器植入的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了固體發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過程中的殼體壓力測(cè)試和內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)。由于光纖與推進(jìn)劑的模量有較大差異導(dǎo)致二者變形協(xié)調(diào)性差，因此光纖傳感器在固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展應(yīng)聚焦在物理參數(shù)解耦［70］、提取可靠性以及長(zhǎng)期存活性等方面的研究上。

3.4 主動(dòng)激勵(lì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)在結(jié)構(gòu)中通過布置激勵(lì)換能器主動(dòng)激勵(lì)，并通過傳感器接收信號(hào)，這種手段被稱為主動(dòng)傳感。主動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠在所需要的時(shí)候進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，而無需持續(xù)進(jìn)行，因此更節(jié)省人力物力；對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)，其能夠通過優(yōu)化傳感器布置位置并改變激勵(lì)信號(hào)更好地獲取響應(yīng)信號(hào)。2015 年，Lopatin 等［71］設(shè)計(jì)了基于磁感應(yīng)激勵(lì)的主動(dòng)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光纖布拉格光柵來測(cè)量藥柱內(nèi)孔布置的磁致伸縮材料在磁場(chǎng)激勵(lì)下的變形情況，從而監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑老化，其基本原理如圖18。該方法目前實(shí)驗(yàn)只是在試件級(jí)，但由于不會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)引入電線，因此有著良好發(fā)展前景。

圖18 主動(dòng)激勵(lì)傳感的基本形式［71］Fig.18 The basic form of active excitation sensing［71］

2019 年，段 磊 光 等［72］將 壓 電 晶 片 有 源 傳 感 器（PWAS）粘貼在不同老化時(shí)間的推進(jìn)劑表面，通過機(jī)電阻抗方法對(duì)推進(jìn)劑老化性能進(jìn)行了表征，初步驗(yàn)證了壓電阻抗方法表征推進(jìn)劑老化的可行性。其在2022 年構(gòu)建了機(jī)電阻抗與推進(jìn)劑模量的理論關(guān)系，后將PWAS 嵌入到模擬圓管發(fā)動(dòng)機(jī)襯層界面，如圖19，通過機(jī)電阻抗方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱老化性能進(jìn)行了表征，并與同批老化推進(jìn)劑試件的初始模量進(jìn)行了比較分析［73］。2022 年，申巖峰等［74］采用了帶有子諧振器的PWAS 對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行了監(jiān)測(cè)可行性研究，實(shí)驗(yàn)總體裝置如圖20 所示。從理論上導(dǎo)出子諧振器PWAS 阻抗解析解，通過數(shù)值模擬證明了新傳感器產(chǎn)生額外共振峰值的有效性，后基于光譜振幅和頻率變化特征的EMIS 損傷指數(shù)用于量化粘彈材料老化。同年，屈文忠等［75］通過自激勵(lì)非線性超聲方法對(duì)固體推進(jìn)劑在載荷作用下的脫濕損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到非線性超聲參數(shù)與應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以看出主動(dòng)激勵(lì)監(jiān)測(cè)技術(shù)均需要與推進(jìn)劑直接接觸，并且其測(cè)試或診斷的量主要集中于材料自身的力學(xué)參數(shù)，當(dāng)前還無法對(duì)裝藥受載狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

圖19 布置有壓電晶片的模擬固體發(fā)動(dòng)機(jī)照片［73］Fig.19 Photo of a Simulated SRM equipped with PWAS［73］

圖20 帶諧振器PWAS 阻抗實(shí)驗(yàn)裝置［74］Fig.20 PWAS impedance experimental device with resonator［74］

4 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用

使用傳感器必須考慮的一個(gè)問題是將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的計(jì)算模型。大多數(shù)開發(fā)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方法的公司都不熟悉SRM 行業(yè)的獨(dú)特環(huán)境或要求。這些能力的整合是成功發(fā)展健康監(jiān)測(cè)能力所必需的。由于多數(shù)傳感器都是嵌入式的，因此發(fā)動(dòng)機(jī)中能夠布置傳感器的數(shù)量受限。此外，傳感器不太可能被放置在最所需的位置（比如內(nèi)孔附近）。因此，如何在減少傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響的同時(shí)最大限度地獲取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)信息，如何使用發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部狀態(tài)信息，從而分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際健康信息，解決發(fā)動(dòng)機(jī)壽命問題同樣是目前學(xué)者們考慮的一個(gè)重要問題。

4.1 診斷評(píng)估與預(yù)測(cè)

AMRDEC 長(zhǎng)期開發(fā)名為遠(yuǎn)程戰(zhàn)備資產(chǎn)預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)（RRAPDS）的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［76］。通過集成的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)和腐蝕（化學(xué)品）參數(shù)。然后，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以用于開發(fā)部件健康和完整性的診斷和預(yù)測(cè)模型，并確定導(dǎo)彈在發(fā)射時(shí)是否能成功運(yùn)行。2005 年，AMRDEC 的Stephen 等［77］描述了使用RRAPDS 中傳感器數(shù)據(jù)和損傷機(jī)制預(yù)測(cè)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的方法，通過概率模型量化健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模型中存在的所有不確定性，從而提供現(xiàn)實(shí)的可靠性評(píng)估。2008 年AMRDEC 開發(fā)了一種集成的固體推進(jìn)劑壽命預(yù)測(cè)分析工具mLIFE?［78］。該工具不僅集成了許多不同的壽命預(yù)測(cè)方法，如熱應(yīng)力誘導(dǎo)蠕變和線性損傷累積，還添加了使用有限元分析、非線性損傷累積、化學(xué)過程效應(yīng)和概率分析的額外模塊。該軟件以分層模塊化格式設(shè)計(jì)，允許更新的模塊（lifing 模型、融合算法、數(shù)據(jù)管理庫(kù)等）與現(xiàn)有預(yù)測(cè)以及計(jì)算模型集成或融合。其他功能包括直觀的圖形界面，該界面結(jié)合了用于管理數(shù)據(jù)（輸入和輸出）、可視化和報(bào)告生成等工具。Orbital ATK 公司Hyde 認(rèn)為分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合從而評(píng)估及預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)老化需要的實(shí)際數(shù)據(jù)的基本類型為：誘導(dǎo)載荷，機(jī)械性能和化學(xué)性能。其中機(jī)械性能數(shù)據(jù)分為2 類：材料響應(yīng)數(shù)據(jù)和材料失效數(shù)據(jù)。而原位傳感器無法獲取上述類型數(shù)據(jù)，但是其對(duì)于模型驗(yàn)證來說非常重要，可以基于現(xiàn)場(chǎng)材料特性數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證或校準(zhǔn)［79］。B.GENOV 等［80］提出一種綜合分析方法，綜合分析方法流程如圖21 所示，具體做法是對(duì)同一批次貯存的導(dǎo)彈進(jìn)行抽樣，對(duì)樣品進(jìn)行諸如化學(xué)分析、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等破壞性實(shí)驗(yàn)，獲取化學(xué)性能參數(shù)、穩(wěn)定性參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)等結(jié)果數(shù)據(jù)。對(duì)相同樣品進(jìn)行諸如X 射線以及超聲波無損檢測(cè)，獲取缺陷的位置及擴(kuò)展規(guī)律、推進(jìn)劑的孔隙率、界面黏結(jié)性能以及根據(jù)超聲評(píng)估的老化性能等信息。后將破壞性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和無損檢測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合經(jīng)過訓(xùn)練后的可靠性數(shù)據(jù)，對(duì)這一批次的導(dǎo)彈進(jìn)行可靠性評(píng)估，如符合要求則進(jìn)行后續(xù)的延壽研究工作，如不符合則需綜合考慮其可修復(fù)性及成本效益提出高效的維修方案。其將傳統(tǒng)的破壞性標(biāo)準(zhǔn)化分析方法和非破壞性無損檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控方法相結(jié)合，結(jié)合后能夠提高其可靠性并且信息能夠相互補(bǔ)償。

圖21 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥使用壽命評(píng)估的綜合分析過程［80］Fig.21 Comprehensive analysis process for evaluating the service life of SRM propellant［80］

筆者根據(jù)資料總結(jié)了發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)完整性分析和壽命評(píng)估應(yīng)用構(gòu)想如圖22 所示，在多個(gè)方面都需要不同類型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于以推進(jìn)劑為典型分析對(duì)象其材料特性會(huì)隨貯存時(shí)間發(fā)生老化退化，表現(xiàn)在強(qiáng)度、模量以及化學(xué)性質(zhì)等。這種退化除了時(shí)間的影響外還有環(huán)境載荷，如溫度、濕度、氣壓等，因此環(huán)境載荷的監(jiān)測(cè)能夠有效判斷材料特性退化。要了解材料特性準(zhǔn)確的退化程度就需要監(jiān)測(cè)特性的手段，如化學(xué)監(jiān)測(cè)以及模量監(jiān)測(cè)。材料特性退化建立模型統(tǒng)稱為老化模型，最終要輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性計(jì)算。材料除了自身特性的退化外，其因?yàn)槭艿介L(zhǎng)期不同形式外載，材料會(huì)發(fā)生以損傷為主導(dǎo)的失效，如以重力為誘導(dǎo)載荷會(huì)發(fā)生蠕變，以溫度變化為誘導(dǎo)載荷會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。而發(fā)動(dòng)機(jī)所處的環(huán)境直接影響誘導(dǎo)載荷，因此有必要監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、振動(dòng)等。上述損傷都是受力影響的，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行力學(xué)測(cè)量，實(shí)際力學(xué)狀態(tài)的掌握能夠更準(zhǔn)確計(jì)算損傷。考慮更真實(shí)的損傷模型和老化模型后對(duì)于結(jié)構(gòu)完整性的計(jì)算也必然會(huì)更加準(zhǔn)確，將力學(xué)測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，如果是一致的，證明計(jì)算準(zhǔn)確，可以與無損檢測(cè)結(jié)果等進(jìn)行綜合特性分析。如果結(jié)果不一致，說明計(jì)算模型中還存在某些參數(shù)是不準(zhǔn)的，可以通過測(cè)量數(shù)據(jù)反分析進(jìn)行參數(shù)修正，即本文4.2 節(jié)應(yīng)用。因此監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)為建立老化和損傷模型提供了必要的數(shù)據(jù)支持，而完整的老化和損傷模型又是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性精確計(jì)算的重要基礎(chǔ)。最后結(jié)合無損檢測(cè)手段從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)健康狀態(tài)與壽命進(jìn)行診斷與評(píng)估。

發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于評(píng)估和診斷只能針對(duì)材料和組件當(dāng)前狀態(tài)具備相應(yīng)能力，而系統(tǒng)故障在系統(tǒng)中也是存在的，并且在經(jīng)歷故障或系統(tǒng)性能受到影響之前是無法被發(fā)現(xiàn)的。預(yù)測(cè)是指根據(jù)影響未來狀態(tài)的假設(shè)邊界條件來處理和預(yù)測(cè)材料或組件未來狀態(tài)的能力。

當(dāng)系統(tǒng)的行為隨時(shí)間變化且對(duì)未來行為的不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)無法接受時(shí)，需要使用診斷和預(yù)測(cè)健康管理（PHM）系統(tǒng)。診斷的重要性不容小覷，因?yàn)樗鼈冇糜诖_認(rèn)和驗(yàn)證PHM 系統(tǒng)，并通常在PHM 系統(tǒng)開發(fā)之前進(jìn)行。PHM 系統(tǒng)通常是通過過去和當(dāng)前的系統(tǒng)行為基于趨勢(shì)外推法預(yù)測(cè)未來的系統(tǒng)行為。然而，通常這種方法是不準(zhǔn)確的，對(duì)未來的誤判可能導(dǎo)致重大事故。

Orbital ATK 的DeVries 等［81］使 用 系 統(tǒng) 的 工 程 方法來開發(fā)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的PHM 系統(tǒng)。在了解導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)變化的根本原因的理論基礎(chǔ)上，基于多學(xué)科系統(tǒng)工程方法來開發(fā)機(jī)械PHM 系統(tǒng)來對(duì)壽命進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。系統(tǒng)工程方法就是結(jié)合了數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)和包含力學(xué)演化理論的力學(xué)模型預(yù)測(cè)，其原理如圖23。

圖23 基于系統(tǒng)工程方法的壽命預(yù)測(cè)Fig.23 Life prediction based on system engineering methods

4.2 有限元模型更新

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析時(shí)，由于建模中引入了各種假設(shè)、理想化、離散化和參數(shù)化，所獲得的數(shù)值模型可能并不總是反映實(shí)際的結(jié)構(gòu)行為?？梢酝ㄟ^結(jié)合動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究和有限元模型更新（FEMU）方法，對(duì)有限元模型中不準(zhǔn)確的參數(shù)進(jìn)行反演修正，盡量減少實(shí)際和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性能之間的差異［82］。

用于更新有限元模型的實(shí)驗(yàn)方法及其結(jié)果主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試或作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一部分獲取的數(shù)據(jù)和結(jié)果?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有限元模型更新在混凝土、橋梁以及建筑領(lǐng)域有著非常久的發(fā)展，并且研究已經(jīng)較為深入［83-85］，雖然在使用FEMU 過程中存在不確定性［87］，但它仍是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用最有潛力的應(yīng)用發(fā)展途徑之一，是以虛實(shí)交互為主導(dǎo)的數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。

基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的FEMU 在固體發(fā)動(dòng)機(jī)以及固體推進(jìn)劑領(lǐng)域目前還沒有學(xué)者提出并展開研究，原因有2 個(gè)：一是固體發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)力學(xué)監(jiān)測(cè)手段還非常有限，其只能通過將傳感器埋入的方法進(jìn)行，這對(duì)于傳感器的體積、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、安全性都有很高的要求，當(dāng)前僅有DBST 傳感器成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力的監(jiān)測(cè)；二是由于固體推進(jìn)劑的高阻尼特性使得動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量獲取成為困難。因此當(dāng)前只有對(duì)固體推進(jìn)劑試件借助如數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的測(cè)試工具進(jìn)行參數(shù)修正實(shí)現(xiàn)FEMU［88］。隨著傳感技術(shù)的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取逐漸得到發(fā)展，因此基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)FEMU 在未來有著廣闊的研究前景。筆者根據(jù)FEMU 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，整理出在固發(fā)中進(jìn)行參數(shù)反演從而實(shí)現(xiàn)FEMU 的思路。

當(dāng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)在載荷下力學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果偏差較大時(shí)，可以認(rèn)為由于以固體推進(jìn)劑藥柱為主的結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的粘彈材料，材料參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷的復(fù)雜載荷工況及真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生變化，并難以通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲取藥柱粘彈參數(shù)，最終導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大差異，因此有必要通過實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行修正，從而完成FEMU 過程。對(duì)材料進(jìn)行參數(shù)反演修正可以分為2 類方法：（1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)修正方法，如：對(duì)所有材料參數(shù)在特征載荷下進(jìn)行敏感度分析［89］，選擇最敏感的幾類材料參數(shù)作為待修正參數(shù)。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)理論［90］對(duì)待修正參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得待修正材料參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表，將表內(nèi)的所有待修正材料參數(shù)帶入發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型中或利用響應(yīng)面法［91］進(jìn)行計(jì)算，得到與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)相同點(diǎn)位的計(jì)算響應(yīng)；后以計(jì)算響應(yīng)為輸入，材料參數(shù)為輸出，訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將各點(diǎn)位真實(shí)響應(yīng)帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到修正后的材料參數(shù)。將修正后材料參數(shù)帶入有限元模型進(jìn)行同載荷有限元計(jì)算，得到修正后計(jì)算響應(yīng)，后與真實(shí)響應(yīng)進(jìn)行差異性分析，若差異超過閾值則需加密材料參數(shù)重新構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，若小于等于閾值則修正結(jié)束，更新過程如圖24。（2）基于計(jì)算優(yōu)化算法的固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱材料參數(shù)修正方法［92］：對(duì)所有材料參數(shù)在特征載荷下進(jìn)行敏感度分析，選擇最敏感的材料參數(shù)作為待修正參數(shù)。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)理論對(duì)待修正參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得待修正材料參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表。將表內(nèi)的所有待修正材料參數(shù)帶入發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型中或利用響應(yīng)面法進(jìn)行計(jì)算，得到與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)相同點(diǎn)位的計(jì)算響應(yīng)；根據(jù)計(jì)算響應(yīng)和實(shí)測(cè)響應(yīng)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，后將表內(nèi)各組參數(shù)通過計(jì)算優(yōu)化算法進(jìn)行迭代，進(jìn)行判斷得出迭代結(jié)果，完成參數(shù)的更新。直至最后參數(shù)更新的值進(jìn)行計(jì)算得到的響應(yīng)與實(shí)測(cè)響應(yīng)小于等于閾值則迭代結(jié)束，更新過程如圖25。

圖24 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱材料參數(shù)修正方法更新過程Fig.24 Update process of material parameters for SRM propellant based on neural network

圖25 基于計(jì)算優(yōu)化算法的固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱材料參數(shù)修正方法更新過程Fig.25 Update process of material parameters for SRM propellant based on computational optimization algorithm

5 結(jié) 論

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究未來具有十分廣闊的研究前景，然而由于我國(guó)起步較晚，發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制進(jìn)展緩慢。當(dāng)前研究遇到的難點(diǎn)主要是：系統(tǒng)硬件制造工藝水平不高；傳感器應(yīng)用性研究不夠深入；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)不容易開發(fā)等。本文通過對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展水平及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究，提出幾點(diǎn)開展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究建議。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方面：

（1）相容性技術(shù)研究。傳感器嵌入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥界面黏結(jié)強(qiáng)度影響、推進(jìn)劑與傳感器本體或黏結(jié)劑化學(xué)作用問題等，都對(duì)傳感器正確、安全嵌入造成了困擾。因此，需要開展內(nèi)嵌式傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性技術(shù)研究，從而保證在不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)完整性的前提下對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

（2）新理念傳感技術(shù)開發(fā)。目前用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的傳感器多為內(nèi)嵌或粘貼式，并且多數(shù)都需要有電流輸入，考慮安全等因素目前真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的概率較小。應(yīng)注重新理念傳感技術(shù)的開發(fā)如MEMS 技術(shù)，無線傳輸技術(shù)和非接觸感知技術(shù)等。

（3）長(zhǎng)壽命技術(shù)研究。由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作歷程需要伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)固化、長(zhǎng)期貯存、長(zhǎng)途運(yùn)輸、勤務(wù)處理和點(diǎn)火發(fā)射的整個(gè)階段，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量供應(yīng)、大容量信息存儲(chǔ)也是未來需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用發(fā)展方面：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研究。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)用、邏輯診斷、診斷信息存儲(chǔ)等都要依靠數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的條件，通過多源傳感數(shù)據(jù)的融合，極大地提高了所監(jiān)測(cè)信息的價(jià)值。由此可見，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)損傷信息的存儲(chǔ)、分析和評(píng)估起著重要作用。

（2）PHM 系統(tǒng)。由于PHM 系統(tǒng)的構(gòu)建涉及到結(jié)構(gòu)完整性分析、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等多個(gè)方面的研究，當(dāng)前PHM 系統(tǒng)還只停留在概念層面。在了解導(dǎo)致固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥狀態(tài)變化根本原因及理論的基礎(chǔ)上，基于多學(xué)科系統(tǒng)工程方法開發(fā)機(jī)械PHM 系統(tǒng)，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壽命精確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

（3）數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)依靠大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助基于固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的有限元模型更新技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)“以實(shí)修虛”。而當(dāng)前的人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字孿生技術(shù)“以虛映實(shí)”提供重要的計(jì)算工具。