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国庆收假返程路,卫星帮你来“指路” 之航空航天结构声发射健康监测

发布时间:2025-10-09阅读:8


无损检测NDT


航空航天领域

引言:卫星发射为人类的生活方式带来了便捷服务。如通讯保障:可以对偏远山区救援提升网络信号质量;个人出行:手机导航(高德、百度地图等)依赖卫星定位,实时提供线路规划、拥堵提醒、准确定位,为大家解决长途出行“迷路问题”。由此可见,卫星发射的稳定性也与我们普通人息息相关。


卫星数千次的发射活动中,会产生大量的空间碎片,直径>10cm的数量已超过2.5w个,直径1~10cm区间的数量将近75w个,1cm以下的碎片更是数量上亿,未来会严重威胁航天器在轨运行安全。

据查阅资料了解,在2022年,我国清华科学卫星 (编号46026)与俄罗斯的宇宙1408碎片(编号49863) 发生了一次极危险的交会,最近距离仅14.5 m。因此,长期在轨运行的航天器都将面临相似的风险, 航天器结构的健康监测已然成为关乎航天器安全的重要话题。

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俄反卫星碎片距中国卫星仅14.5米

声发射AE


飞行器结构监测

由于飞行器长期服役于特殊环境工况下,关键部件会在空间运行阶段,受真空、辐照、热交变、微重力的轨道环境,长时间的内外动态载荷会造成疲劳损伤。这些损伤会在未察觉的情况下逐渐积累,形成疲劳裂纹,严重威胁飞行器使用寿命和安全性能,甚至结构上故障和破坏引发灾难性后果。国外最早利用声发射技术对国际空间站成功识别出气闸舱连通平衡阀的泄漏路径。

飞行器结构疲劳试验----声发射监测

声发射(Acoustic Emission, AE)技术主要通过捕捉材料内部损伤释放能量所产生的弹性波,实现结构健康监测,针对结构损伤的发生进行早期缺陷预警。主要组成部分包括硬件及软件两个方面,软件是AEwin系统软件,硬件包括传感器、放大器、电缆、PCI卡、计算机等。目前,主要的声发射监测定位方法包括时差定位法、三角测量法、区域检测法和能量监测法。


①时差定位法:

利用声发射信号到达不同传感器的 “时间差”,结合声速在介质中的传播特性,通过几何计算反推信号源位置。

②区域定位:

核心逻辑是通过单个或少量传感器的信号特征(如信号有无、信号强度、信号到达方向),判断信号源所在的 “大致区域”

③三角测量法:

三角测量法是声发射空间定位的经典技术,本质是 “时差定位在 2D/3D 场景下的具象化实现”—— 通过 3 个及以上传感器的信号到达时间差,结合几何三角关系反推信号源(损伤点)的精确坐标。

④能量检测法:

核心逻辑是通过计算声发射信号在一段时间内的 “能量值”,判断信号源的 “活跃度”(如损伤是否在发展)或 “大致区域”,而非精确坐标。它不直接用于定位,而是辅助损伤识别与区域筛查。

监测案例



在2020年5月,我国通过载人飞船试验船,首次成功开展利用声发射对航天器在轨泄漏与碰撞定位试验,系统由一台主机和8个声发射传感器组成可实时监测载人飞船舱壁内的微弱声信号,并提取与存储关键信号。

当轨道碎片撞击或舱体泄漏事件引发特征声波时,系统通过分布式传感器阵列,捕捉声波传播的时间序列差异,运用时差定位算法解算碰撞点或泄漏源的空间坐标,同时依据声波能量幅值,量化评估碰撞等级与泄漏程度。

航天器在轨运行环境复杂,声发射技术面临的首要难题是背景噪声的严重干扰。推进器点火、姿态调整等动作产生的高强度机械噪声与声发射信号频段存在部分重叠,导致有效信号被淹没,采声科技一体化声发射系统,为突破噪音抑制将发展自适应智能信号处理,识别噪音并增强有用信号,未来将为航天器全寿命主机安全评估提供有效手段。

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