基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的密封舱壁穿孔损伤识别技术

刘治东，贾东永，庞宝君，刘 刚，刘 源

（1. 哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001；2. 中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京100094）

0 引言

日益恶化的空间碎片环境对航天器尤其是载人航天器的在轨安全构成严重威胁[1]。利用空间碎片超高速撞击感知系统，实时探测撞击位置并识别撞击损伤模式，可帮助航天员采取合理的应急措施。目前，基于声发射技术的空间碎片超高速撞击定位技术已取得了一定进展[2]，但对损伤模式仍不能有效识别。因此，本文针对载人密封舱壁损伤模式的识别技术开展研究。

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电薄膜不仅具有压电及热电效应，当受到超高速撞击时还会发生去极化效应，产生快速电荷脉冲信号（亚μs量级）。因此，可通过采集该信号去感知物体被高速撞击事件[3]。此外，PVDF压电薄膜具有稳定的物理化学特性，可适用于如 DUCMA、DFMI、SPADUS等多种微小空间碎片的探测[4-6]。中国科学院空间科学与应用研究中心的曹光伟等人[7]利用PVDF的去极化效应研制了微小空间碎片探测器。

本文利用 PVDF压电薄膜的去极化效应设计了一种针对密封舱壁穿孔损伤的实时监测方案，开展了如下试验研究工作：首先，利用PVDF探头采集超高速撞击的去极化信号并识别其频率特征；其次，用扳手敲击PVDF探头及其支撑结构，以模拟在轨运行阶段可能遇到的碰撞干扰信号，测试并分析干扰信号的频率特征；最后，比较这两种信号时频特征的差异，从而判断撞击损伤模式。

1 PVDF压电薄膜的去极化效应及其制作

1.1 去极化效应

碎片云以极高速度撞击并击穿PVDF探头，如图1所示。探头在被撞击时会产生去极化效应，形成的正负电荷分别聚集于其PVDF压电薄膜正、反表面。利用信号采集设备采集正电荷信号。该信号是一个脉冲信号，其电荷量为

式中：D为PVDF薄膜的穿孔直径；p为去极化强度。根据文献[7]可知，p值范围 4～6 μC/cm2。一般取中间值，即p＝5 μC/cm2，代入式(1)得

由式(2)可知，碎片撞击 PVDF探头产生的电荷量取决于穿孔直径，也可理解为被去极化物质的量。

图1 高速粒子撞击PVDF的示意图Fig. 1 PVDF impacted by hypervelocity particles

1.2 PVDF探头的制作

本文使用厚度为30 μm的PVDF薄膜，其表面镀有铝箔。在封装之前，选取两片薄铜片作为PVDF薄膜的电极；用胶将环氧树脂薄膜粘贴在PVDF薄膜的外侧，即将PVDF薄膜封装在内，起到绝缘和保护PVDF薄膜的作用。PVDF探头的结构如图2所示。

图2 PVDF探头的结构示意Fig. 2 Structure of PVDF detector

2 PVDF探头的撞击试验及结果分析

2.1 试验原理及工况设计

当载人密封舱壁被空间碎片击穿后，碎片云飞入舱内，再撞击布置在舱壁内侧的PVDF探头并使其发生去极化效应。若利用信号采集设备获取到PVDF探头去极化效应脉冲信号，就可由此判定舱壁发生穿孔损伤。图3所示是空间碎片撞击带有防护屏的载人密封舱壁和PVDF探头的示意图。

图3 空间碎片撞击带有防护屏的载人密封舱和PVDF探头的示意图Fig. 3 Schematic diagram of the manned capsule with shield and PVDF detector impacted by space debris

在工程应用中，PVDF探头去极化效应信号中可能掺杂有航天员活动干扰信号。因此，需要通过试验识别出两种信号的特征，以免引起误判。为此，试验设计了4种工况：单个弹丸超高速撞击PVDF探头；碎片云超高速撞击 PVDF探头；快速敲击PVDF探头；快速敲击探头的支撑结构。

2.2 超高速撞击试验

空间碎片超高速撞击舱壁穿孔，将形成不同形式的碎片云：1）碎片未破裂，穿孔后的产物由发生塑性变形的空间碎片、少量的防护屏和舱壁碎片组成；2）空间碎片未充分破裂，碎片云由少量较大尺寸弹丸碎片和防护屏、舱壁碎片组成；3）空间碎片充分破裂，碎片云由大量小碎片组成。本文利用二级轻气炮分别进行了单个弹丸超高速撞击PVDF探头试验和碎片云超高速撞击PVDF探头试验。

试验所用的PVDF探头尺寸为50 mm×50 mm，并将探头置于两块中空铝合金平板中间，由螺栓夹紧固定，如图4所示。使用铝合金平板的目的主要是在超高速撞击过程中形成碎片云。利用NI-5105高速数据采集系统获取去极化效应脉冲信号。试验前，把PVDF探头正电极直接接入NI-5105高速数据采集系统的采集卡输入端，采集卡内电阻设置为1 MΩ，采样频率为20 MHz。

图4 撞击试验时PVDF探头的固定示意图Fig. 4 Installation and fixing of the PVDF sensor in the impacting test

共进行了4次单个弹丸撞击试验及1次碎片云撞击试验，试验情况如图5所示。碎片云撞击试验中，在PVDF探头的前方100 mm处放置了一块厚度为3 mm的5A06铝合金平板；为了获取弹丸撞击铝合金平板的时刻，又在平板正面粘贴了一个PVDF探头。试验参数及结果见表1。

图5 PVDF探头超高速撞击试验的撞击情况Fig. 5 Impacting of PVDF detector by hypervelocity projectile

表1 PVDF探头超高速撞击试验参数及结果Table 1 Parameters and results of PVDF sensor impacted by hypervelocity projectile and debris cloud

图6 (a)为典型单个弹丸撞击穿孔信号，其头部具有陡峭的上升沿（上升时间μs级，如图6 (b)所示），且该上升沿峰值为整个信号的最大强度值。对其头部附近波形进行小波变换得到如图 6(c)所示的小波谱图，其中上升沿附近波形的快速起伏在小波谱图中也得到体现，如图中300 μs附近小波系数强度所示。

撞击后形成的碎片云飞行100 mm距离后再撞击PVDF探头，因此碎片云撞击信号（图7(a)）具有一定的持续时间，且持续时间与碎片云形状及飞行速度有关。针对本次碎片云撞击试验，两个PVDF探头所探测到的时间差为47.01 μs，碎片云持续撞击时间为37.20 μs。进一步分析碎片云撞击信号，求取该信号小波谱，如图7(b)所示，可知碎片云撞击信号频率范围主要处于1 MHz以下；但也包含了少量高频成分（3～10 MHz），对应于碎片云击穿第2个探头所形成的阶跃信号。

图6 单个弹丸超高速击穿PVDF穿孔信号Fig. 6 Typical signal of single projectile hypervelocity impact on PVDF sensor

图7 碎片云撞击PVDF信号及小波谱Fig. 7 Signal and wavelet spectrum of PVDF sensor impacted by debris cloud

2.3 干扰信号测试试验

利用扳手快速敲击 PVDF探头及其支撑结构以模拟在轨运行期间可能的干扰信号，如图 8所示。

图8 干扰信号测试试验Fig. 8 Testing of interference signal

图9是敲击PVDF探头表面所产生的干扰信号，可见该信号具有较高强度但衰减缓慢（ms级），与超高速撞击信号具有不同的频域特征，容易区分。图10为敲击PVDF探头的支撑结构所产生的干扰信号及其频谱，与图9相比，该信号强度相对较弱，但衰减较快，其频率成分主要在20 kHz以下，也与超高速撞击信号具有明显不同的频域特征。

图9 扳手敲击PVDF表面的干扰信号Fig. 9 Interference signal generated from knocking the PVDF detector with spanner

图10 扳手敲击支撑结构的干扰信号及其频谱Fig. 10 Interference signal and its frequency spectra generated from knocking the support structure with spanner

3 结论

本文针对空间碎片撞击载人航天器密封舱造成的损伤，利用PVDF探头开展了在超高速撞击和低速敲击下信号频率特性识别的模拟试验研究。当采样频率为20 MHz时，得到如下结论：

1）单个弹丸撞击并穿透PVDF探头所产生的信号具有一个陡峭上升沿，上升沿时间为亚μs量级；

2）碎片云撞击PVDF探头所产生的信号主要由1 MHz以下频率的信号成分组成，但也包含有少量的3～10 MHz高频成分；

3）敲击PVDF探头表面及其支撑结构产生的干扰信号的频率在20 kHz以下。

由此可知，超高速撞击所获得的去极化效应信号与敲击所产生的干扰信号在频率上有明显的差异，可根据此差异对撞击损伤模式作出判断。

（References）

[1]朱毅麟. 空间碎片环境近况[J]. 中国空间科学技术,1996(6): 19-28 Zhu Yilin. Recent developments of space debris environment[J]. Chinese Space Science and Technology,1996(6): 19-28

[2]庞宝君, 刘治东, 张凯, 等. 空间碎片撞击在轨感知技术研究综述[J]. 航天器环境工程, 2010, 27(4): 412-419 Pang Baojun, Liu Zhidong, Zhang Kai, et al. Technology research review of on-orbit sensing technology for space debris impact[J]. Spacecraft Environment Engineering,2010, 27(4): 412-419

[3]Tuzzolino A J. Response and transmission characteristics of thin PVDF copolymer dust detectors[C]//Lunar and Planetary Science Conference. Houston, USA, 1992

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[6]Tuzzolino A J, Economou T E. Dust mass and flux measurements on Cassini and Stardust Missions with PVDF[C]//Workshop on Cometary Dust in Astrophysics.Crystal Mountain, USA, 2003

[7]曹光伟, 袁庆智, 梁金宝. 空间微小碎片探测器设计[J].科学技术与工程, 2007, 7(9): 1976-1980 Cao Guangwei, Yuan Qingzhi, Liang Jinbao. Design of micro-debris direct detector[J]. Science Technology and Engineering, 2007, 7(9): 1976-1980