一种火箭模拟发射过程中薄弱部件动态监测的装置及方法

本发明属于检测，具体涉及的是一种火箭模拟发射过程中薄弱部件动态监测的装置及方法。

背景技术：

1、火箭组合体外壳上存在着一定数量的薄弱部件，以火箭级间分离环（即v形薄弱槽结构）为例，该结构需要保证在静态及动态发射过程中径向易于受损，从而使火箭级间顺利完成分离，同时需要保证轴向可靠的承载性。因此，火箭外壳上这类薄弱部件成为火箭设计研发的重点与难点，关乎组合总装后的火箭发射任务的成败。

2、在火箭发射的最初几秒，其加速度大的环境易对火箭壳上的削弱槽这类薄弱部件造成破坏，故研发阶段需要在模拟实际发射时对此类薄弱部件进行远距离实时动态监测，如果使用电测法进行实时动态监测，则需布置较多线路连接部件，进而实现应变片传感的数据的采集、收集和分析，这在火箭发射的动态过程中无法实现。经过近几十年的发展，‌dic技术‌（digitalimagecorrelation）得到长足发展，‌dic技术是一种通过相关计算获取试件变形信息的测量方法，其基本原理是将试件变形前后的两幅数字图像进行相关计算，获取感兴趣区域的变形信息，这种方法对实验环境要求宽松，具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高等优点，广泛应用于材料科学、生物医学、航空航天等领域，但其监测所需的散斑制作取决于操作者的经验，尤其在复杂结构上很难实现对散斑的精准布置。限于火箭发射过程中的监测距离、高亮度环境和烟雾等复杂的情况，导致用于监测跟踪目标试样变形过程的dic用散斑标记方法难以在对火箭外壳上薄弱部件受力变形情况（尤其是火箭发射的最初几秒）进行准确有效的跟踪监测。

3、另一方面，在大量航天工程研发需求的推动下，陆续提出许多材料变形相关的理论模型，在进一步进行实验验证时，若使用有限元分析方法，其验证步骤复杂，并且可能与实际发射情况差异较大；若要增加实验验证次数，进行实际发射实验会受制于具有特殊结构的零部件造价昂贵，无法频繁进行大量发射实验充分验证这些理论模型，导致整个航天飞行器研发进度滞后。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决传统散斑标记方法与dic技术结合无法满足在火箭发射最初几秒场景中对火箭外壳上薄弱部件的变形情况进行远距离实时动态监测的技术问题，本发明提供一种火箭模拟发射过程中薄弱部件动态监测的装置及方法。

2、本发明的设计构思为：将量子点技术与dic技术结合，代替通常应用于火箭静态监测的dic-散斑形变监测技术，本发明将量子点贴矩阵粘贴在火箭外壳上的薄弱部件表面，当量子点贴在一定时间内受光激发发光后，通过适当远距离的位置上布置的多组高精度单目相机和高倍数望眼镜（视觉信号采集系统）对发光量子点贴的位置变化进行跟踪观测，在火箭发射最初几秒承受大推力、具有大加速度条件下，可以实现对火箭外壳上的薄弱部件表面形变程度和结构可靠性的及时监测与分析，加快火箭研发的周期，提高火箭的安全可靠性。

3、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

4、一种火箭模拟发射过程中薄弱部件动态监测的装置，它包括量子点贴矩阵和视觉信号采集系统，其中：若干所述量子点贴矩阵粘贴在火箭外壳上薄弱部件的表面位置处，在距薄弱部件预定距离位置处设置视觉信号采集系统；

5、所述量子点贴矩阵包括若干量子点贴，所述量子点贴包括量子点层、阻水阻氧材料层、离型纸、可见光过滤膜以及粘贴层，所述量子点层的内、外两侧表面上分别设置阻水阻氧材料层，所述可见光过滤膜粘贴在离型纸（即防粘纸）的外表面上，可见光过滤膜通过离型纸可拆卸地粘贴在靠近外侧的阻水阻氧材料层上，在靠近内侧的阻水阻氧材料层上设置粘贴层。薄弱部件动态监测前，可见光过滤膜可以有效遮挡可见光，使得量子点层不会被可见光激发而发光；当薄弱部件需要进行动态监测时，人工随离型纸一起撕去可见光过滤膜，量子点层受实验环境中可见光激发而发光，进而被视觉信号采集系统捕捉、采集；

6、所述视觉信号采集系统包括基座、透明罩体以及设置于透明罩体内的消振机构、高精度单目相机和高倍数望远镜，所述消振机构包括立柱、玻璃纤维绳、粘滞阻尼器、弹簧、圆形摆和矩形摆，所述圆形摆包括一级圆形摆和二级圆形摆，所述矩形摆包括一级矩形摆、二级矩形摆和三级矩形摆；所述立柱竖直向上固定安装在基座的四角位置处，一级圆形摆的四角位置处通过玻璃纤维绳柔性悬挂在四个立柱的顶部之间，二级圆形摆设置于一级圆形摆的下方，一级圆形摆与二级圆形摆之间的边缘位置处均布若干粘滞阻尼器，一级圆形摆与二级圆形摆之间的心部位置处均布若干弹簧；二级圆形摆的下方由上至下依次设置一级矩形摆、二级矩形摆和三级矩形摆，二级圆形摆与一级矩形摆的四角位置处以及相邻矩形摆的四角位置处均通过玻璃纤维绳柔性连接；在所述三级矩形摆的上表面上固定设置支架，若干高精度单目相机和若干高倍数望远镜均固定安装在支架上，高精度单目相机和高倍数望远镜对准量子点贴矩阵。

7、进一步地，所述量子点贴的厚度为3μm-4μm。

8、进一步地，火箭外壳上所述薄弱部件为火箭级间分离环。

9、进一步地，所述基座的材质为石材，所述透明罩体为双层防冲击真空玻璃罩。

10、一种采用上所述装置进行火箭发射薄弱部件动态监测的方法，包括以下步骤：

11、s1、制备量子点贴：根据实验环境选择量子点的种类进而制备量子点层，然后在量子点层的内、外两侧表面上分别制备阻水阻氧材料层，最后将可见光过滤膜通过离型纸粘贴在靠近外侧的阻水阻氧材料层上，在靠近内侧的阻水阻氧材料层上设置粘贴层，制得量子点贴；

12、s2、粘贴量子点贴矩阵：根据火箭外壳上薄弱部件的位置和面积，将步骤s1制备的量子点贴裁剪成若干规格的形状和尺寸，然后将量子点贴粘贴在薄弱部件有可能发生形变或者应变部位处，组成粘贴量子点贴矩阵；

13、s3、布置视觉信号采集系统：以火箭发射位置为圆心，在半径为300~3000m的范围内布置至少一个视觉信号采集系统，使每一个量子点贴矩阵至少对应一个视觉信号采集系统；

14、s4、薄弱部件变形/应变部位动态监测：动态监测之前由专人将全部量子点贴矩阵中离型纸及可见光过滤膜撕去，量子点贴矩阵受实验环境光激发而发光，调整高精度单目相机和高倍数望远镜对准对应的且发光的量子点贴矩阵，远距离实时动态监测薄弱部件变形/应变情况，高精度单目相机和高倍数望远镜将采集的量子点位置变化的视觉信号传送至dic技术软件，将薄弱部件变形/应变部位前、后的两幅数字图像进行计算，获取变形信息，确定薄弱部件表面形变程度，并对薄弱部件的结构可靠性进行实时分析。

15、进一步地，实验环境中的光源为太阳光或者可见光照明设备。

16、本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

17、本发明通过在适当范围内灵活布置的多组视觉信号采集系统，配合火箭壳体外部薄弱部件位置处粘贴的量子点贴矩阵，实现将量子点技术与dic技术结合，代替了对火箭静态分析的传统的dic-散斑形变监测技术，解决传统散斑标记方法与dic技术结合无法满足在火箭发射最初几秒场景中对火箭外壳上薄弱部件的变形情况进行远距离实时动态监测的技术问题，缩短了火箭研发的周期，提高了火箭的安全可靠性。