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航天器结构健康监测技术研究进展

泰然健康网
2025-08-12 11:50

论文题目：航天器结构健康监测技术研究进展

录用期刊/会议：遥测遥控（中文核心期刊）

作者列表：

1）韩润奇中国石油大学（北京）人工智能学院自动化系教师

2）刘伟松中国石油大学（北京）石油工程学院油气井工程系博24级

3）陈茂银中国石油大学（北京）人工智能学院自动化系教师

4）马波华中科技大学机械科学与工程学院教师

5）王波北京空间飞行器总体设计部高级工程师

摘要:

随着空间碎片数量的逐年增加，以及航天器任务复杂度与极端环境适应性要求的不断提高，航天器结构的运行状况、损伤诊断、寿命预测与可靠安全性评估，显得尤为重要。航天器结构健康监测技术作为有效手段，通过布置于结构中的传感系统，获取结构特征信息并经算法处理，分析评估结构状态，从而确保航天器各阶段的安全稳定运行。本文聚焦于航天器结构健康监测的关键技术，首先从信息获取的传感端，综述了光纤传感、声发射传感、声表面波传感的技术特征、应用现状、当前问题与发展方向，随后介绍了传感系统部署方法与信息处理的诊断评估算法研究进展，最后总结展望了航天器结构健康监测技术的发展趋势与主要挑战。

背景与动机:

结构健康监测技术（Structural Health Monitoring，SHM）最早由美国提出相应概念，在1998年由美国国家航空航天局在航天飞机项目中，首次实现了低温油箱状态的监测管理，并随后迅速推广开来，在战斗机机翼与引擎结构损伤监测等多场景中得到了应用。结构健康监测技术是将传感系统布置于结构中，收集整体形变、局部应力应变、刚度模态、强度载荷、温度压力等依附于或作用于结构的状态信息，并根据数据信号特征，采用信号处理与人工智能等方法，反演评估结构运行状况、损伤诊断、寿命预测、可靠安全等“健康”特性，从而建立合适的维护策略。在航天器的研制阶段，健康监测技术可精准评估样件的损伤程度与复用可行性，降低研制成本；在总装阶段，长时封闭储存状态下的结构健康监测，为航天器发射的科学决策提供了数据支持；在空间运行阶段，真空、辐照、热交变、微重力的轨道环境，以及月尘、冲击、宽温域的月面环境，对于难以维修的航天器所产生的损伤与寿命影响，迫切需要健康监测技术提供的可靠状态信息。

主要内容:

本文综述了近年来航天器结构健康监测领域，在光纤传感、声发射传感、声表面波传感等感知技术方面的研究进展，以及提高感知效能的传感系统部署方法和诊断评估算法的研究现状，针对各技术类型的技术特征、应用案例、当前问题与未来展望进行了详细论述，结合人工智能领域的新兴浪潮，比较了经典与智能传感系统部署优化方法，分析了物理模型和数据驱动的两类诊断评估算法，为未来航天器结构健康监测技术发展提供借鉴。

图1 航天器结构健康监测技术研究进展组织结构图

挑战与展望:

现有的航天器结构健康监测技术已经在空间站等在轨型号得到了验证应用，但仍然以实验室与地面测试应用为主。未来，随着先进材料、微机电系统与人工智能等前沿技术的不断发展，航天器结构健康监测技术将面向极端恶劣高温高压环境适应性、高功能密度微型化集成、多源多模态多物理场融合感知、智能反演与精准评估等方向，开展深入研究。建立多模态融合诊断体系，集成光纤传感、声发射传感、声表面波传感等多技术手段，利用光纤传感器获取低频应变变化，通过声发射捕捉高频瞬态事件特征，建立多尺度损伤关联模型，实现多物理场信号的协同分析与交叉验证；基于神经网络算法处理时空分布数据，通过天地协同标定系统构建虚实结合的数字孪生反演平台，开发具有自主进化能力的智能诊断系统，实现对未知损伤模式的快速识别与精准定位。

结论:

本文综述了航天器结构健康监测的原理方法、研究进展以及应用情况，先从以技术类型的角度出发，介绍了光纤传感监测技术、声发射传感监测技术、声表面波传感监测技术的原理特征、应用现状、当前问题与发展方向，并细分到局部单点式、离散多点式与连续分布式光纤的不同光纤传感方式，以及基于微机电系统的MEMS声表面波多参数传感方式。随后，从传感系统部署维度，综述了智能传感系统部署优化方法研究现状、当前问题与发展方向，以实现更少数量、更精位置、更高效能、更准评价的健康监测。进一步基于传感信息，围绕物理模型与数据驱动的两类方法的原理与应用，综述了诊断与评估算法的研究进展，展望了发展趋势。

本文通过详细介绍航天器结构健康监测技术的研究现状与发展展望，旨在引起工业界与学术界的重视，推动该技术从实验室原理验证样机向工程实践的转化应用，促进我国航天器结构健康监测技术的进一步发展。

作者简介:

韩润奇，人工智能学院特任岗位副教授，主要从事智能感知微系统、智能钻井与控制、油气人工智能的教学与科研工作。