熱防護系統的無線溫度監測技術發展

　　1 引言

　　具有競爭力的商業可重復使用運載飛行器(RLV)代替老化的航天飛機是NASA和美國航空、航天工業的一個主要目標[1]。為了達到這個目標，NASA追求創新技術的發展，降低成本、增加飛行的安全性和可靠性，需要提高的一個主要方面就是地面操作。如果每架航天飛機按能完成一百次飛行計算，地面操作所占的費用大約占生產周期費用的25%－30%。當前的程序依賴于人力來完成整個外部表面的詳細的檢測，需要人為的識別損傷的位置、尺寸，并作判斷是否應該忽略、修補、替換，其中最耗時、最單調的工作就是檢測20000多片防熱瓦間的縫隙[2]。檢測者必須檢測每一個瓦縫隙是否存在填料，以及填料的質量，對于那些不符合要求的縫隙，或者有跡象表明會有熱氣流進入的地方，就必須拿掉防熱瓦，以便檢查內部的損傷。與當前的航天飛機程序相比，將來的RLV地面操作需要更低的維護人員費用，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，因此必須開發一種全新的健康監測技術。

　　對于熱防護系統(TPS)而言，它的最主要的功能就是保證內部結構不超過設計的溫度極限，因此，對于TPS的健康監測而言，最主要的參數就是溫度，而TPS特殊的應用背景，使得對應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的生產費用、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、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，因為線的存在不僅會增加質量，而且難以安放線的位置、難以修理破壞的線。為此出現了一種叫做SensorTag[2]的裝置，它的設計思想是不在飛行器內部收集傳感器數據，而是依賴于外部入口處或者便攜式的讀數器收集數據。從類型上看共有兩種類型的SensorTag，一種是被動式的，一種是主動式，主動式的利用電池提供能量來完成數據采集/傳輸，而被動式不需要內部的電池。NASA Ames一直被認為是開發TPS檢測和健康管理技術的領導核心，被動式的SensorTag方面的研究工作是由NASA Ames和國際斯坦福研究中心聯合開展的，主動式的研究工作是由NASA Ames和Koreks公司負責[3]。

　　本文對國外熱防護系統溫度健康監測進行了充分的調研，概述了被動式和主動式的溫度無線傳感技術，介紹了發展的歷史和現狀，總結兩種方法優缺點，為我國外來的相關方向的研究設計、制造提供了依據。

　　2 被動式的SensorTag

　　2.1 工作原理

　　圖1給出了SensorTag系統的原理圖，包括外部的微讀數器和一定數量的SensorTag微裝置。傳感器之間都是彼此獨立的。每個傳感器都貼在一個射頻調諧電路上，該電路上包含一個射頻識別微片。這個裝置叫做SensoTag，因為這個微片可以用獨一無二的識別號標記電路,因此也可以叫做“標識傳感器”。

　　這個系統的操作可以這樣描述：首先射頻（RF）收發器[4]（或者稱為讀數器）激發埋在內部的微傳感器。輻射在微傳感器上的能量經整流后產生直流電(DC)以供完成微傳感器操作。接下來，SensorTag上的射頻識別微片(RFID)根據存儲在記憶中的ID碼和傳感器狀態調整后經微傳感器的天線反向散射回去。最后，接收器解調接受到的反向散射，將ID和傳感器的狀態報告給計算機。這些傳感器的數據可能是傳感器的當前狀態（比如：現在你還能夠防水嗎？），也可能是前一傳感器記錄的狀態（比如：這次飛行的最大溫度是?），或者是飛行數據的具體曲線圖。如果存在問題，那么計算機就更新監測的數據庫，并為未來的檢測和維修標記此特別位置。

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

　　2.2 SensorTag技術發展

　　第一代的SensorTag[2]是1999年生產出來的，如圖3所示。主要組成零件都是商用成品包括：一個鐵氧體磁棒，絕緣的銅絲，兩個電容器，一個硅的微片，一個熱保險絲。他們被安裝在一塊電路板底片上。這些元件都能經受200℃的溫度，除了熱保險絲會在187℃時熔斷。為了將這些元件封裝保護起來，普通商用上可以將他們封裝在玻璃內，但是對于TPS而言顯然是不行的，因此在1999年的試驗中利用Kapton聚酰亞胺進行了封裝。