Page 98 - 无损检测2022年第十一期
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朱相丽, 等:

   超声无损检/监测技术军事应用领域的发展动向与展望

   速冲压发动机应用相关材料及温度的原理证明, 第                           术, 为核工业提供一种可靠的超声换能器解决方案。
   二阶段将致力于实际高超声速试验台和飞行平台的                            该项目开发了一系列原型超声探头, 以满足特定的
   系统加固和自动化。                                         在役检测需求。
       美国空军和航空航天工业迫切需要能够在涡轮                               日本 NEDO 先导研究项目———具有流量监控
   发动机 环 境 中 提 供 实 时 监 控 的 恶 劣 环 境 传 感 器。            功能的实 时 超 声 波 多 相 流 量 计 研 制 ( 2019~2020
   2015 年 美 国 空 军 资 助 美 国 环 境 技 术 公 司                年, 北海道大学承担) 共分为 3 个子课题, 分别是: 结
   ( Environetix ) 研发可提供实时监测且可靠的恶劣环                  合超声信号和多相流体动力学定律的数据同化流量


   境传感器。该项目第一阶段验证了在 1000 ℃ 高温                        计的研制; 使用超声多普勒测量多相流体的脉动特
   环境中无线声表面波硅酸镧镓( LGS ) 温度传感器原                       性; 使用超声脉冲回波扫描测量流体界面。 JSPS 的
   型的稳定性, 第二阶段对无线 LGS 声表面波传感器                        国际联合研究基金项目———联合开发在线超声多普

   技术进行了成熟度 TRL4 ( 技术成熟度等级) 确认,                      勒测定技术( 2018~2021 年, 北海道大学、 瑞士联邦

   并在涡轮发动机 测试单 元 中 进 行 了 TRL6 验 证。                   技术学院承担), 重点开展 3 个主题研究, 主题 1 是
   在该项目设计的恶劣环境下, 无线无源小型传感器                           流速分布测量技术和流变控制方程的数据同化, 主


   能够在 1000 ℃ 以上对涡轮发动机进行监测, 可 对                      题 2 是通过超声波和光可视化调节空间分布的流变

   航空航天工业产生重大影响, 其优势有: ① 可靠运                         学, 主题 3 是假定使用机器学习的流变大开发数据
   行数千小 时 甚 至 更 长 时 间, 并 且 可 在 测 试 单 元 的             构建系统。 2018 年该项目已经开发了一种根据超

   热区轻松运行最少 4000h ; ② 通过在其他传感器                       声波多普勒流速分布仪获得的流速分布来测量不透


   技术无法工作的位置无线监测发动机状况来验证                             明流体压力分布的方法。 2019 年, 项目开发出一种

   发动机的建模和运行状况; ③ 小尺寸 和 无 线 传 感                      通过水、 油和气三相流中的超声波脉冲来测量相分
   器操作, 保证了密封、 护罩和其他关键发动机位置                          布和流量的技术。日本防卫厅资助了 MUT ( 超声

   的完整性; ④ 去除用以提供所需传感信息的电线,                          换能器) 声学超材料的声阻抗研究( 2018 年, 日立制
   节省了大量人力 成 本 ( 传 感 器 安 装 在 涡 轮 机), 减               作所), 该项目基于声阻抗匹配的物理模型, 研发利
   轻了重量, 同时提高性能和可靠性; ⑤ 通过更可靠                         用 MEMS ( 微机电系统) 技术实现主动控制声学特

   的温度监测, 降低 发 动 机 运 行 ( 或 飞 行) 成 本 的 同              性的声学超材料。
   时, 提高燃 油 效 率 和 增 加 功 率。 除 此 之 外, 无 线              2.4  用于爆炸物和弹药的无损超声实时检测技术
   SAW 传感器 技 术 也 有 许 多 商 业 应 用, 如 在 发 电、                含能材料方面取得的最新成果为开发了铅的替
   石油 / 天然气勘探、 制造过程控制和其他高温恶劣                         代品, 替代弹药配方中传统的苯甲酸铅和叠氮铅。
   环境中的应用。                                           然而, 这些无铅高能材料可能对传统的弹药筒黄铜
       辐射条件下的超声传感技术研发也受到关注。                          和其他弹药部件具有意想不到的腐蚀性。因此, 在
   在核工业中, 受限的接触和高厚度部件通常限制了                           未来的部署中, 从弹药生命周期( 即从生产时间到使
   无损检测技术的应用。商用 UT ( 超声检测) 传感器                       用时间) 的角度, 对弹药部件进行实地测试对于确保

   的辐射耐受性局限在 1~2mG y 的累积剂量, 难以                       武器系统的有效性至关重要。 2020 年, 美国陆军资
   满足应用需求。英国创新署部署了由英国创新技术                            助林泰克公司与美国西南研究院传感器系统和无损
   和科学有限公司承担的“ 耐辐射超声波传感器” 研                          检测技术部合作研究了一种基于涡流和超声波检测
   究。该公司主要致力于探索新型辐射弹性探测器的                            的手持式设备, 用于对小型武器弹药部件进行现场
   构建和测试, 为核工业提供一个可靠的 UT 解决方                         快速无损腐蚀检测。该研究分为 3 个阶段, 第一阶
   案, 以延长检测和监测时间。该研究成果有两种应                           段是在实验室条件下确定对现代爆炸物和弹药外壳

   用场景: ① 在裂变核反应堆附近进行高辐射检测;                          进行无损检测的有效性和方法; 第二阶段根据第一

   ② 在核废料处理场进行低辐射检测。                                 阶段确定的方法, 开发手持式测试单元原型, 并根据
       在核工业中, 超声波换能器在放射性环境下响                         适当的军事标准、 规格要求进行认证, 并进行实地测
   应减弱, 难以正常工作。针对该情况, 英国精密声学                         试; 第三阶段预期将用于现代爆炸物和弹药壳的无
   有限公司开展耐辐射超声传感器的开发, 建造和测                           损检测, 并推广到民用领域。军事应用包括小型武

   试新型抗辐射超声换能器以及各种探头的 装配技                            器部件 ( 5.56 , 7.62 mm 口径)、 爆炸 性 弹 药 ( M42 、
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          2022 年 第 44 卷 第 11 期


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