中国空间科学技术
A u g
.25 2022 V o l .42 N o .4 69-76C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
I S S N 1000-758X C N 11-1859/V h t t p :ʊz g k j
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.c n k i .1000-758X .2022.0054基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测 束嘉俊1，周登1，严刚1,*
，李干2，王永伟1
1.南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016
2.陆军工程大学国防工程学院爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京210007
摘 要：针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题，对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行
研究㊂提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力，结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别㊂采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击，在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流，根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像，从而提供有关撞击和损伤的信息㊂试验结果表明，基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好，重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数㊁位置和近似尺寸，验证了所提出技术方法的有效性，为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段㊂
关键词：蜂窝夹层结构；超高速撞击；碳纳米管薄膜；电学成像；损伤识别中图分类号:V 414.6 文献标识码:A
收稿日期:2021-05-28；修回日期:2021-06-23；录用日期:2021-09-30；网络出版时间:2021-10-28 17:28基金项目：航空科学基金(2017Z A 52005)；南京航空航天大学基本科研业务费项目(N S 2021002
)*通信作者.E -m a i l :y a n g a n g
@n u a a .e d u .c n 引用格式：束嘉俊，周登，严刚，等.基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测[J ].中国空间科学技术,2022,42(4):69-76.
S HU J J ,Z H O U D ,Y A N G ,e t a l .M o n i t o r i n g o f h y p e r v e l o c i t y i m p a c t d a m a g e t o h o n e y c o m b s a n d w i c h s t r u c t u r e s b y u s i n g e
l e c t r i c a l t o m o g r a p h y [J ].C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
,2022,42(4):69-76(i n C h i n e s e ).M o n i t o r i n g o f h y p e r v e l o c i t y i m p a c t d a m a g e t o h o n e y
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难忘的教诲
o s e d m e t h o d a n d p r o v i d i n g a n e w t e c h n i c a l m e t h o d f o r s p a c e c r a f t t o m o n i t o r h y p e r v e l o c i t y i m p
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70中国空间科学技术A u g.252022V o l.42N o.4 K e y w o r d s:h o n e y c o m b s a n d w i c h s t r u c t u r e;h y p e r v e l o c i t y i m p a c t s;c a r b o n n a n o t u b e f i l m s;e l e c t r i c a l t o m o g r a p h y;d a m a g e i d e n t i f i c a t i o n
1引言
现代卫星等航天器结构广泛采用蜂窝夹层复合材料结构，在达到减轻结构质量的同时也可为其他功能器件的安装提供空间[1]㊂但太空环境复杂，充满了大量的空间碎片以及天然固体尘埃(又名微流星体)[2-4]㊂它们的尺寸虽然微小，但速度极高，当以超高速撞击航天器时，会产生巨大的动能，从而贯穿蜂窝夹层结构，对航天器在轨运行安全构成严重威胁[5-6]㊂因此对超高速撞击进行实时在线监测，及时获取有关撞击时刻㊁位置以及损伤尺寸等信息，一方面可为及时做出维护和任务调整决策提供依据，另一方面也可获得超高速撞击的样本信息，供未来航天器的防护设计参考和借鉴㊂
当前超高速撞击监测的主要途径是在结构中安装压电材料制备的传感器，通过接收撞击发出的声发射信号实现对撞击时刻和位置等信息的识别㊂如黄洁等人基于P V D F压电薄膜敏感器感应碎片超高速撞击W h i p p l e结构发出的声发射信号，通过时差定位法确定了撞击的位置[7]；刘治东等人对声发射信号在W h i p p l e防护结构屏/舱结构中的传播时序特性进行了分析，从而定位超高速撞击事件[8];S i m o n e等人通过在间隔一定距离的双层复合材料层板中嵌入压电陶瓷元件，分析所感应的声发射信号识
别出碎片撞击的角度㊁位置及速度[9]㊂但基于声发射的方法通常对规则的平板或曲板结构比较有效，当航天器结构形式较为复杂时，大量结构细节会对声发射信号产生散射和折射作用，影响撞击监测和识别的效果㊂
近年来随着材料和电子技术的发展，研究者提出了采用集成在结构中的新型传感材料和器件，直接对撞击的碎片和微流星体进行感应的方法㊂如B r a n d o n等人采用了柔性电容传感元件夹入充气展开结构，通过碎片撞击引起的电容值变化来感应超高速撞击事件[10];G o l a等人以碳纳米管和石墨纳米片为填料，以柔性环氧树脂为
资管软件开发基体，制备了混杂纳米复合材料用于空间充气结构中超高速撞击的监测[11];G b a g u i d i等人将碳纳米管制备的墨水通过喷墨打印机喷印在柔性基底形成感应层，通过感应层电阻变化实现对碎片超高速撞击的监测[12]㊂
虽然这些感应器件能够监测到超高速撞击的发生，但只能将撞击定位到感应器件，而不能识别出超高速撞击的准确坐标位置，也不能提供有关损伤尺寸的信息㊂近来一种在医学领域发展起来的电学成像技术被用于复合材料结构撞击损伤的定量监测和识别[13-15]㊂通过在物体边界上布置的电极输入微小电流并测量相应的电压数据，结合一定的重建算法，电学成像能够获得物体损伤前后电导率的变化，从而实现对损伤位置和尺寸的识别㊂如B a l t o p o u l o s等人采用碳纳米管对环氧树脂改性，使玻璃
纤维复合材料具有导电性，通过电学成像识别了复合材料中的孔洞损伤[16];D a i等人通过浸涂工艺将碳纳米管沉积在无纺纤维织物上并粘贴在复合材料层板表面，使其具有导电感知能力，通过电学成像监测和识别撞击损伤[17]㊂
基于以上国内外研究，提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面，形成具有自感应能力的复合材料结构，结合电学成像技术对超高速撞击及其造成的损伤进行监测和识别㊂通过二级轻气炮超高速撞击试验研究，验证了所提出技术方法的有效性㊂
2自感应蜂窝结构制备
采用的碳纳米管薄膜通过浮动催化化学气相沉积(F C C V D)法制备获得[18]㊂碳纳米管薄膜实物图如图1(a)所示，电镜扫描图如图1(b)所示㊂图中可以看出碳纳米管无规则地交错缠结，具有很高的孔隙率，有利于固化时基体树脂的浸润，提高结合力㊂
如图2(a)所示，制备的蜂窝夹层结构由蜂窝芯和上㊁下面板通过胶层连接㊂上㊁下面板采用的是平纹高强玻璃纤维布预浸料；蜂窝芯采用
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束嘉俊，等：基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测
71
图1 F C C V D 法制备的碳纳米管薄膜
日本气象厅F i g .1 C a r b o n n a n o t u b e f i l m f a b r i c a t e d b y F
C C V
D 图2 蜂窝夹层板结构
F i g .2 H o n e y
c o m b s a n
d w i c h p a n
e l s t r u c t u r e 的是N o m e x 芳纶纸蜂窝;
胶层采用环氧树脂胶膜㊂蜂窝夹层结构自上而下的铺层顺序分别为:
[(ʃ45)/(0,90)/(ʃ45)/(0,90)/(ʃ45)/(0,
90)/(ʃ45)/(0,90)/C 15/(0,90)/(ʃ45)/(0,90)/(ʃ45)/(0,90)/(ʃ45)/(0,90)/(ʃ45)]，其中C 表示蜂窝芯，下标表示蜂窝芯以毫米为单位表示的厚度，面板织物的经纬方向用 () 示出，每一层用 / 隔开㊂将碳纳米管薄膜铺设在上面板的表面居中处，将其与蜂窝夹层结构一起共固化成型㊂蜂窝夹层结构和碳纳米管的尺寸分别为300mmˑ300mm 和200mmˑ200mm ㊂
碳纳米管薄膜的加入使得蜂窝夹层结构具有自感应能力㊂当遇到超高速撞击时，薄膜撞击位置的电导率将发生显著变化㊂通过电学成像方法，可以重建这种变化，实现对超高速撞击损伤的监测和识别㊂如图2(b
)所示，为了进行电学测量，在碳纳米管薄膜四周边界处均匀布置20个电极，并用导电银胶将导线与电极点相连㊂3 电学成像原理
正问题和逆问题是电学成像的两大核心问题㊂正问题是已知场域内的电导率，在边界注入
电流的情况下计算场域内电势分布㊂当注入的电流为直流时，可得到拉普拉斯方程及边界条件，即:
Ω: ㊃(σ φ)
=0(1
)Γ1:φ=φ0
(2
)Γ2:σδ
φδn
=-J n (3
)式中:φ为场域Ω内电势分布函数;σ为内部电导率分布;φ0为给定边界Γ1上的电势;n 为边界Γ2的单位法向矢量;J n 为给定边界Γ2上的电流密度㊂
逆问题是已知边界电压数据，重建场域内电导率的变化分布㊂边界电压是关于电导率的函数，将此函数进行线性化可得到边界电压变化和场域内电导率变化之间的关系，即:
ΔV =S Δσ(4)式中:V 为场域边界电压;S 为灵敏度矩阵㊂
采用相邻激励 相邻测量方式，灵敏度矩阵可以由式(5
)计算，即:S i j =
ʏΩ
u i
㊃ u j
d
Ω(5
)式中:S i j 为第j 个测量电极对对第i 个测量电极对的灵敏度系数;u i 为单位电流激励下第i 个测量电极对的电势;u j 为单位电流激励下第j 个测量电极对的电势㊂
由于灵敏度矩阵具有病态性，式(4)
不能直接求逆计算电导率变化㊂一般采用最小二乘法来进行优化求解，即:
Δσ*
=a r g m
i n Δσ
( S Δσ-ΔV 2
)(6
) 但式(6
)具有不适定性，要想获得稳定的解需要加入一个正则化项㊂采用T i k h o n o v 正则
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72中国空间科学技术A u g.252022V o l.42N o.4
化方法，则式(6)转化为[19]:
Δσ*=a r g m i nΔσ( SΔσ-ΔV 2+ LΔσ 2)
(7)式中: LΔσ 2为正则化项,L=λI,λ为大于零的正则化参数,I为单位矩阵㊂
对式(7)右端关于Δσ的光滑函数进行求导，并使其等于零，求得函数极小值对应的Δσ作为近似解，即:
Δσ*=(S T S+λ2I)-1S TΔV(8) T i k h o n o v正则化中正则化参数λ的选择是十分重要的，它不仅会影响算法的计算速度，同时还会影响图像重建的质量㊂本文采用L曲线法确定正则化参数的值[19]㊂4超高速撞击试验
采用二级轻气炮对蜂窝夹层结构进行超高速撞击试验，验证所提出技术和方法的有效性㊂如图3所示，将蜂窝夹层结构面向轻气炮口固定在撞击室内，并将导线与电学成像测试系统相连接，在撞击前后对碳纳米管薄膜边界电压进行监测㊂超高速撞击采用的铝弹丸直径为8mm，质量为0.72g，发射时由弹托包裹㊂试验中，弹丸的速度由安装在轻气炮口的两个激光遮断测速仪测得，弹丸经气动脱壳后撞向蜂窝夹层结构，超高速撞击过程由高速摄像机拍摄记录㊂
图3超高速撞击试验现场
F i g.3 S e t u p f o r h y p e r v e l o c i t y i m p a c t t e s t
试验中使用的电学成像测试系统由机箱㊁控
制器㊁可编程电源㊁数字万用表以及矩阵开关组
成㊂试验中，在超高速撞击前，采用相邻激励
相邻测量方式，使用可编程电源结合矩阵开关依
次向20个电极中的相邻电极对注入100m A电流，同时由数字万用表测量其他与电流激励无关
的17组相邻电极对之间的电压，共测得17ˑ20 =340个边界电压值作为基准数据集㊂
基准数据集采集完毕后，二级轻气炮发射弹
支付网关丸分别对两个试件(试件1和试件2)进行超高速撞击试验㊂试件1试验中弹丸经过两个激光测速计的时间差为162μs，两个测速计的间距为311mm，计算可得弹丸离开轻气炮口的速度约为1.92k m/s㊂图4所示为高速摄像机记录下的弹丸超高速撞击蜂窝夹层结构的瞬间㊂超高速撞击结束后，采用与撞击前相同大小的电流和激励 测量方式，再次测量边界电压值用于撞击监测和损伤识别㊂如图5所示，检视被撞击的试件1，其正面共出现三处贯穿损伤㊂
正中间为弹
图4弹丸超高速撞击蜂窝夹层结构瞬间
F i g.4 T h e m o m e n t w h e n t h e p r o j e c t i l e i m p a c t s t h e h o n e y c o m b s a n d w i c h s t r u c t u r e a t h y p e r v e l o c i t y
丸撞击损伤，其余两处为弹托残余撞击损伤；背面则出现分层损伤，损伤面积较正面大很多㊂中心的两处损伤相当接近，在识别分析时可以归为一处损伤；边缘的损伤较小，在识别分析时归为另一处损伤㊂
试件2的试验过程与试件1相同，但撞击速度略有减小㊂弹丸经过两个激光测速计的时间差为225μs，计算可得弹丸速度约为1.38k m/s㊂图6所示为试件2正面和背面损伤情况㊂其正面共出现两处接近的贯穿损伤，分别为弹丸撞击和弹托残余撞击造成，在识别分析时可以归为一处损伤；背面则出现分层损伤，损伤面积较正面
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束嘉俊，等：基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测
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图5 试件1超高速撞击损伤
F i g .5 H y p e r v e l o c i t y i m p a c t d a m a g e t o t e s t s p
e c i m e n #
1图6 试件2超高速撞击损伤
F i g .6 H y p e r v e l o c i t y i m p a c t d a m a g e t o t e s t s p
e c i m e n #2大很多㊂为了探究试件2内部损伤情况，对其进行了X 射线C T 扫描检测，扫描结果如图7所示㊂从图中可知，超高速撞击后的损伤不仅包含面板和蜂窝芯的损伤，面板和蜂窝芯之间也存在脱粘损伤㊂图中对于试件2沿厚度方向的损伤分布和分层损伤长度进行了清晰的显示㊂通过
计算，上面板分层损伤面积为17.12c m 2
，下面板分层损伤的面积为34.87c m 2,
可以看出分层损伤面积是大于表面损伤尺寸
㊂图7 试件2内部损伤C T 检测图像
F i g .7 I n t e r n a l d a m a g e i m a g e s f o r t e s t s p e c i m e n #2b y C
T 5 超高速撞击损伤监测结果
通过T i k h o n o v 正则化方法对超高速撞击下损伤前后的碳纳米管薄膜感应层的边界电压数据进行处理，从而重建出有关损伤的电导率变化图像㊂图8(a )为试件1损伤前后边界电压数据变化量的归一化图㊂通过L 曲线法，选取相应的正则化参数为λ=6.07ˑ10-5㊂图8(b )
为T i k h o n o v 正则化方法重建的试件1碳纳米管薄膜电导率变化图，从图中可以看出重建的损伤情况与实际情况是大致接近的㊂
对重建图像图8(b
松柏高立图 篆书四言联)
进行二值化处理并提取其边缘信息可得到有关损伤位置和大致尺寸的信息㊂如图9所示，通过最小二乘算法将轮廓边缘拟合为椭圆，以椭圆的中心点和面积分别作为
损伤位置和尺寸的识别值㊂图中也分别标出了实际损伤的边缘轮廓曲线㊂从图中可以看出识别出的损伤位置与实际位置基本一致，识别损伤的面积介于试件正面损伤与背面损伤面积大小之间，可以近似地表征损伤的程度㊂
用同样的方法对试件2重建了有关损伤的
电导率变化图像㊂图10(a
)为试件2损伤前后边界电压数据变化量的归一化图㊂试件2正则
化参数选取为λ=4.15ˑ10-6
㊂图10(b
)为试件2电导率变化重建图,
从图中可以看出重建的损伤情况与实际情况也是大致接近的㊂
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