光纤形状传感在航空航天和国防工业领域的应用


    光纤形状传感在航空航天和国防工业中得到了广泛的应用。它使工程师能够应对新的设计挑战,简化飞机维护。
 
光纤形状传感应用于飞机创新研究
    航空航天领域,越来越注重优化商用和军用飞机的燃油效率、噪音降低、以及飞行器的寿命和安全性。为了实现这些目标,工程师们正在引入越来越灵活的结构设计。由于这些结构的形状决定了新一代飞机的控制和性能,因此光纤形状传感被认为是实现和加速这些创新的有力工具。
    光纤形状传感在分布式环境中确定位置、曲率和扭曲的能力为气动弹性表征和反馈控制提供了理想的测量解决方案。光纤形状传感结合其体积小、环境鲁棒性强、疲劳寿命长等优点,提供了传统技术无法实现的测量结果。
 
光纤形状传感应用于发动机检修过程
    光纤形状测量为保持飞机长期稳定的飞行设计增加了价值。喷气发动机需要大量的持续维护,以最大限度地延长其使用寿命,并以最大的安全性运行。
现阶段,更多的情况是使用手动和机器人内窥镜对发动机内部部件进行目视检查,甚至进行维修。光纤形状传感正在被集成到这些检测和维修设备中,以使操作人员能够跟踪他们所处的位置,快速返回到先前发现的故障位置,并将其位置信息进行存储。 

光纤形状传感技术在航空航天领域的应用背景
    美国宇航局于2008年开始使用光纤形状和应变传感系统进行飞行验证。该技术,使其能够在飞机飞行期间,进行分布式应变传感和实时结构健康监测。与传统传感器相比,光纤传感技术提供了前所未有的结构监测能力。
    一根长达几十米的光纤传感器,可以与数千甚至数万个应变计达到一样测量效果,而无需笨重的仪器和导线。除应变外,光纤传感还可用于测量温度、挠度、应力、载荷、刚性和其他各种关键物理参数。通过在Ikhana无人机的机翼上安装3000多个光纤布拉格光栅(FBG),NASA能够在每次无人机飞行任务中实时监测机翼的应力和偏转。这是实现亚音速固定翼飞机形状控制的第一步。
    光纤传感系统所展示的能力,也为完成结构健康和载荷监测提供了一种实用方法。光纤传感系统符合环境要求,并集成在Ikhana的航空电子设备舱中。除了3000个FBG传感器外,还使用了16个应变计来验证FBG应变测量值。八个热电偶连接到飞机上翼,用于应变计热补偿。
    随后,美国宇航局在许多不同的飞机上使用了这项技术,包括X-56无人机,以研究与高度灵活、轻型机翼相关的挑战。与现今商用飞机上的刚性机翼相比,X-56配备了长且高展弦比的机翼。该类型机翼在飞行过程中通常会发生显著弯曲,但使用更灵活的机翼被认为是下一代节能飞机的关键。商用飞机目前不使用这种性质的机翼,因为它们容易受到称为颤振的高度破坏性气动弹性不稳定性的影响。美国宇航局正在利用光纤传感数据,检测颤振的起始,并驱动主动颤振抑制系统。

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