熱防護(hù)系統(tǒng)的無線溫度監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

　　1 引言

　　具有競爭力的商業(yè)可重復(fù)使用運(yùn)載飛行器(RLV)代替老化的航天飛機(jī)是NASA和美國航空、航天工業(yè)的一個(gè)主要目標(biāo)[1]。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，NASA追求創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，降低成本、增加飛行的安全性和可靠性，需要提高的一個(gè)主要方面就是地面操作。如果每架航天飛機(jī)按能完成一百次飛行計(jì)算，地面操作所占的費(fèi)用大約占生產(chǎn)周期費(fèi)用的25%－30%。當(dāng)前的程序依賴于人力來完成整個(gè)外部表面的詳細(xì)的檢測，需要人為的識(shí)別損傷的位置、尺寸，并作判斷是否應(yīng)該忽略、修補(bǔ)、替換，其中最耗時(shí)、最單調(diào)的工作就是檢測20000多片防熱瓦間的縫隙[2]。檢測者必須檢測每一個(gè)瓦縫隙是否存在填料，以及填料的質(zhì)量，對(duì)于那些不符合要求的縫隙，或者有跡象表明會(huì)有熱氣流進(jìn)入的地方，就必須拿掉防熱瓦，以便檢查內(nèi)部的損傷。與當(dāng)前的航天飛機(jī)程序相比，將來的RLV地面操作需要更低的維護(hù)人員費(fèi)用，但是卻要更快的返回周期，下一代RLV的飛行周期將是以天為單位，而不是月，因此必須開發(fā)一種全新的健康監(jiān)測技術(shù)。

　　對(duì)于熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)而言，它的最主要的功能就是保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)不超過設(shè)計(jì)的溫度極限，因此，對(duì)于TPS的健康監(jiān)測而言，最主要的參數(shù)就是溫度，而TPS特殊的應(yīng)用背景，使得對(duì)應(yīng)用于其中的傳感器必須：足夠小、足夠輕、不能反向影響TPS的熱、力性能、必須最小的增加TPS的生產(chǎn)費(fèi)用、使用壽命必須高于TPS的使用壽命，或者必須容易替換和維護(hù)、具有較大的工作溫度范圍、必須是無線通訊。無線通訊是大勢所趨，因?yàn)榫€的存在不僅會(huì)增加質(zhì)量，而且難以安放線的位置、難以修理破壞的線。為此出現(xiàn)了一種叫做SensorTag[2]的裝置，它的設(shè)計(jì)思想是不在飛行器內(nèi)部收集傳感器數(shù)據(jù)，而是依賴于外部入口處或者便攜式的讀數(shù)器收集數(shù)據(jù)。從類型上看共有兩種類型的SensorTag，一種是被動(dòng)式的，一種是主動(dòng)式，主動(dòng)式的利用電池提供能量來完成數(shù)據(jù)采集/傳輸，而被動(dòng)式不需要內(nèi)部的電池。NASA Ames一直被認(rèn)為是開發(fā)TPS檢測和健康管理技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)核心，被動(dòng)式的SensorTag方面的研究工作是由NASA Ames和國際斯坦福研究中心聯(lián)合開展的，主動(dòng)式的研究工作是由NASA Ames和Koreks公司負(fù)責(zé)[3]。

　　本文對(duì)國外熱防護(hù)系統(tǒng)溫度健康監(jiān)測進(jìn)行了充分的調(diào)研，概述了被動(dòng)式和主動(dòng)式的溫度無線傳感技術(shù)，介紹了發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，總結(jié)兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)，為我國外來的相關(guān)方向的研究設(shè)計(jì)、制造提供了依據(jù)。

　　2 被動(dòng)式的SensorTag

　　2.1 工作原理

　　圖1給出了SensorTag系統(tǒng)的原理圖，包括外部的微讀數(shù)器和一定數(shù)量的SensorTag微裝置。傳感器之間都是彼此獨(dú)立的。每個(gè)傳感器都貼在一個(gè)射頻調(diào)諧電路上，該電路上包含一個(gè)射頻識(shí)別微片。這個(gè)裝置叫做SensoTag，因?yàn)檫@個(gè)微片可以用獨(dú)一無二的識(shí)別號(hào)標(biāo)記電路,因此也可以叫做“標(biāo)識(shí)傳感器”。

　　這個(gè)系統(tǒng)的操作可以這樣描述：首先射頻（RF）收發(fā)器[4]（或者稱為讀數(shù)器）激發(fā)埋在內(nèi)部的微傳感器。輻射在微傳感器上的能量經(jīng)整流后產(chǎn)生直流電(DC)以供完成微傳感器操作。接下來，SensorTag上的射頻識(shí)別微片(RFID)根據(jù)存儲(chǔ)在記憶中的ID碼和傳感器狀態(tài)調(diào)整后經(jīng)微傳感器的天線反向散射回去。最后，接收器解調(diào)接受到的反向散射，將ID和傳感器的狀態(tài)報(bào)告給計(jì)算機(jī)。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能是傳感器的當(dāng)前狀態(tài)（比如：現(xiàn)在你還能夠防水嗎？），也可能是前一傳感器記錄的狀態(tài)（比如：這次飛行的最大溫度是?），或者是飛行數(shù)據(jù)的具體曲線圖。如果存在問題，那么計(jì)算機(jī)就更新監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫，并為未來的檢測和維修標(biāo)記此特別位置。

　　微傳感器的工作電壓來自于讀數(shù)器與SensorTag間的互感作用，如圖2所示，互感應(yīng)系數(shù)為M21。讀數(shù)器中的線圈通過電感作用使得電路中的電流達(dá)到最大值，這樣使得SensorTag中的線圈產(chǎn)生最大磁場。相反，在SensorTag電路中，自感線圈與電壓并聯(lián)。這樣可以得到最大的射頻電壓，并經(jīng)過整流后供RFID片使用。

　　2.2 SensorTag技術(shù)發(fā)展

　　第一代的SensorTag[2]是1999年生產(chǎn)出來的，如圖3所示。主要組成零件都是商用成品包括：一個(gè)鐵氧體磁棒，絕緣的銅絲，兩個(gè)電容器，一個(gè)硅的微片，一個(gè)熱保險(xiǎn)絲。他們被安裝在一塊電路板底片上。這些元件都能經(jīng)受200℃的溫度，除了熱保險(xiǎn)絲會(huì)在187℃時(shí)熔斷。為了將這些元件封裝保護(hù)起來，普通商用上可以將他們封裝在玻璃內(nèi)，但是對(duì)于TPS而言顯然是不行的，因此在1999年的試驗(yàn)中利用Kapton聚酰亞胺進(jìn)行了封裝。