用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置及方法

本技术涉及飞行器陶瓷隔热瓦结构，特别涉及一种用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置及方法。

背景技术：

1、可重复使用空天飞行器在再入大气层时会出现严重的气动加热现象，为保证空天飞行器机体结构及其内部仪器设备工作在许可的温度范围内，一般须在其表面安装热防护系统(thermalprotectionsystem，tps)。一种典型的热防护系统如粘接式大面积热防护系统，通常是由大量的陶瓷隔热瓦粘贴在飞行器承力结构表面后拼接而成的。防热瓦在极端空天服役环境下易发生损坏，严重影响飞行器的安全性和维修性。因此，在可重复使用空天飞行器服役过程中，必须要具备有效的检测或监测技术手段，以便能及时发现陶瓷隔热瓦结构中的主要损伤，确定隔热瓦健康状态，从而降低地面周转维护周期与费用，提高空天飞行器安全性与使用成本。

2、当前，以美国航天飞机服役时期的维护技术为代表，对空天飞行器热防护系统的检测工作仍主要依赖于地面无损检测手段(trivedia,mitrak,subramanianc.numericalandexperimentalstudyofnon-destructivedetection ofthermaltilesystemdebondingusingshort-pulselaser[c]//36thaiaa thermophysicsconference.2013:3488.)。虽然无损检测技术可以在地面很好的检测出热防护结构的各种损伤，但其使用的仪器设备大都体积大、检测周期长和部分要求拆解等，都很难满足可重复使用空天飞行器的快速周转维护要求。2003年，milos等人考虑到大量布线会降低系统的可靠性，放弃了在线数据采集系统，分别研制了无源标识器和有源标识器，其中无源标识器主要用于判断缝隙温度是否超过阈值，有源标识器可以在任务结束后读取隔热瓦底部的温度历程，但是其都不支持在线实时监测，同时没有给出具体的实现方式(milosfs,karunaratnek.activewirelesstemperaturesensorsforaerospace thermalprotectionsystems[c].smartnondestructiveevaluationandhealth monitoringofstructuralandbiologicalsystemsii,2003.)。

3、近年来，快速发展的结构健康监测技术(structuralhealthmonitoring，shm)为热防护系统的维护提供了新思路。结构健康监测是一种结合了传感器、信号处理和分析的原位实时在线监测技术。通过将传感器阵列与热防护结构一体化永久集成形成监测网络，可在空天飞行器地面和飞行中采集多种参数，能快速、准确地识别出热防护系统中的损伤。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置及方法，针对可重复使用空天飞行器陶瓷隔热瓦结构，进行长期服役环境下的结构健康状态监测，实现对该类飞行器长期服役环境下陶瓷隔热瓦结构进行健康监测的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

3、本技术实施例公开了一种用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置，包括隔热瓦终端节点、区域路由器节点以及飞行器协调器节点，

4、所述隔热瓦终端节点集成于待测陶瓷隔热瓦底部，定期采集隔热瓦温度数据并将其发送给所述区域路由器节点；

5、所述区域路由器节点用于接收汇总一定区域内各所述隔热瓦终端节点的温度数据，打包后发送给所述飞行器协调器节点；

6、所述飞行器协调器节点布置在飞行器内部，并与主控计算机相连，用于组建网络、指令发送及收集节点信息。

7、优选的，在上述的用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置中，所述隔热瓦终端节点包括微处理器模块、射频收发模块、温度测量模块、数据储存模块以及电源模块。

8、优选的，在上述的用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置中，所述微处理器模块以及所述射频收发模块中，均使用ti公司的cc2530芯片，集成了可编程闪存、mcu处理器以及zigbee射频模块，配合小型化的陶瓷贴片天线实现无线数据通讯，最远传输距离达100m；

9、所述温度测量模块中，数字化温度测量芯片为htu21d，温度测量范围为-40-125℃，与所述微处理器模块采用两线制iic通讯，同时预留四个ad采样接口，用于连接热电偶以及热电阻，用于采集隔热瓦内部或者底部的温度数据；

10、所述数据存储模块中，选用小型化的flash芯片w25q128，储存容量为128m，与所述微处理器模块采用四线制spi通讯方式，用于存储一定的温度数据，增强系统的冗余性和可靠性；

11、所述电源管理模块中，使用耐高温纽扣电池，焊接在电路板背面。

12、优选的，在上述的用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置中，所述区域路由器节点在硬件上与所述隔热瓦终端节点相同，区别为程序设计中被配置为路由器节点，用于指令传递和信息中继，接收汇总一定区域内各节点的温度数据，打包后发送给所述飞行器协调器节点。

13、优选的，在上述的用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测装置中，所述飞行器协调器节点硬件设计较所述隔热瓦终端节点增加了串口通讯模块，用于与上位机进行通讯。

14、相应地，还公开了一种用于空天飞行器陶瓷隔热瓦结构在线健康监测方法，依次包括如下步骤：

15、步骤1：在飞行器安装表面陶瓷隔热瓦结构前，将隔热瓦终端节点放置在隔热瓦底部，将区域路由器节点布置在区域中心的隔热瓦底部或者飞行器内部，将飞行器协调器节点连接至飞行器机体内部的控制计算机上；

16、步骤2：飞行器协调器节点建立通讯网络，区域路由器节点和隔热瓦终端节点加入网络，测试通讯功能，测试通过后进入休眠模式等待唤醒；

17、步骤3：在飞行器再入返回前，控制计算机通过串口通讯向飞行器协调器节点发送采集指令，飞行器协调器节点将指令通过无线网络将唤醒指令和采集指令传输给区域路由器节点，区域路由器节点将唤醒指令和采集指令再传递给隔热瓦终端节点，终端节点开始按照指定间隔定期采集温度数据；

18、步骤4：在飞行器再入返回时，此时隔热瓦受到严峻的气动加热，终端节点按照指定间隔定期采集温度数据后，一方面以设定好的数据格式将温度信息和节点标签即时传递给区域路由器节点，一方面将信息储存在自身的数据存储模块中备份，区域路由器节点同时接收区域内所有的终端节点发送的信息，将其打包后即时传递给飞行器协调器节点，飞行器协调器节点收到信息后，进行识别解算，将各终端节点的温度随时间的变化曲线实时显示在中控计算机上，等待处理；

19、步骤5：在接收到各终端节点的温度数据后，就得到了隔热瓦底部温度随时间的变化曲线，由于隔热瓦结构大部分损伤导致的结果为防热性能下降，因此通过监测飞行过程中隔热瓦内部温度的变化就可以间接反映隔热瓦的损伤情况，通过比较相邻测点数据、所测温度数据与标准温度数据、同一点前后数据，得到异常数据后，将该节点所处隔热瓦进行标记，等待地面周转期间对其进行详细复查；

20、步骤6：在飞行器返回地面一定时间后，控制计算机通过串口通讯向飞行器协调器节点发送测试指令，对各个节点进行通讯测试，对无法建立通讯的节点所处的隔热瓦进行标记，之后对正常通讯的节点发送休眠指令，等待下一次唤醒；

21、步骤7：在飞行器检修阶段，跳过对大面积热防护瓦逐一检查，仅对步骤5和步骤6所标记的隔热瓦进行详细检查，根据检查情况对结构进行修复和更换，这样在较短的时间内即可完成对大面积隔热瓦的检修，减少地面周转维护时间，等待下一次起飞任务。

22、与现有技术相比，本发明各节点的硬件设计完成后，根据功能进行相应的程序设计，最终布置在相应的位置，实现基于zigbee网络对飞行器长期服役环境下的陶瓷隔热瓦进行结构健康监测。