随着飞行器中复合材料的使用占比逐年增加，对其安全性的要求也日益严苛。复合材料的损伤部位隐蔽且情况复杂，使预测失效模式和使用寿命变得困难。因此，需要实时监测结构响应，收集状态信息，评估运行情况，判断损伤和剩余寿命，以确保飞行器结构的安全稳定运行。本文瞄准航天飞行器对复合材料结构健康监测的需求，首先简述了复合材料结构在典型飞行器结构应用情况以及复合材料结构健康监测技术的研究及应用情况，随后分别对常见的结构健康监测技术进行了详细的讨论，包括光纤传感监测技术、超声导波监测技术、声发射监测技术、机电阻抗监测法等技术的研究进展，接着针对结构健康监测技术在航天飞行器的各种结构如燃料贮箱结构、热防护结构、发动机结构以及机翼前缘结构等其他结构的应用情况进行了分析讨论，然后对典型的结构健康监测技术评估方法的研究进展进行了分析总结，最后讨论总结了航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势与面临的挑战。

刘青旭^{1, 2} ，陈海峰³ ，BRYANSKY Anton¹,  熊健^{1, 2},  韦兴宇^{1, 2}

1.哈尔滨工业大学　复合材料与结构研究所，哈尔滨 150001

2.哈尔滨工业大学　特种环境复合材料技术国家级重点实验室，哈尔滨 150001

3.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

基金项目: 国家自然科学基金(12302170)；黑龙江省青年人才托举基金(2022QNTJ002)

先进复合材料因其本身比强度高、比刚度高、在高温、疲劳与腐蚀等环境中耐受性优良、减震抗损、安全可靠且可设计性强而被广泛地运用于航空航天工业的主要和次要结构件中，包括火箭发动机铸件、天线罩、天线盘、发动机短舱、水平和垂直安定面、中心翼盒、飞机机翼、压力舱壁、起落架门、发动机罩、襟翼轨道板、垂直和水平稳定器等^[1-2]，高强度以及可设计性强的复合材料极大程度上地降低了航空航天结构的维护成本。在早期的航空航天结构中，高强度钢以及后来的铝合金结构是最常用的结构材料，占结构自身重量的90%以上，而随着先进复合材料相关研究的不断深入，轻质的复合材料逐渐替代了各种金属材料成为了结构的主体，为航空航天结构减重提供了一种行之有效的手段。波音公司所研制的波音787飞机复合材料使用率达到了50wt%，燃油节省了20%~22%，同时，空客公司推出了A350 XWB系列飞机，从而使结构维护和机身检查频率降低了50%^[3]。除了提高燃料利用效率，降低维护成本，复合材料可以实现复杂结构的一体化制造，材料与结构可同时成型，一定程度上减少了二次加工以及复杂的连接装配工作，提高了结构的制造效率，降低了制造成本^[4]。 

在航天结构方面，美国所制造的通信卫星“GSAT-702”的天线罩就采用了复合材料制造，重量仅有5 kg左右，并且具有较好的透波能力，使得卫星的通讯能力得到了极大的提升^[5]。SpaceX在2016年研制“行星际运输系统”火箭(后改名为“星舰”)时采用碳纤维复合材料制备了直径为12 m液氧贮箱，使液氧贮箱的自重大大降低，但结构能够承受的内压力大大提高了^[6]。波音公司研制的轨道试验飞行器如X-33、X-37等均采用了高性能的双马树脂基复合材料，应用的部位包括机身蒙皮、机翼面板蒙皮以及梁等，在降低了结构自重的同时，也极大地提升了机体的耐高温性能 ^[7]。国际通讯卫星V-A号采用了碳纤维复合材料替代了铝合金材料，质量减少了约30%，增加了有效的电话线路约为450条^[8]。而我国的许多航天器如风云二号、风云三号卫星以及神舟系列飞船的承力结构都采用了碳纤维/环氧树脂结构，大大降低了航天器的重量，降低了发射成本^[9]。 

当各种先进复合材料不断地被研发出来，其所覆盖的性能也逐渐增多，在航空航天结构中的使用量占比也随之增大：2000年，波音公司研制的可搭载300名乘客的远程双发喷气式飞机波音777中复合材料占比仅为11%，而到了2007年，波音公司推出了波音787梦想飞机，其结构中先进复合材料的用量超过了50%，总重达到了32000 kg^{[2, 10]}。因此，复合材料结构的稳定与可靠直接影响了航空航天结构的能否实现安全、高效地长期运行这个目标。与金属材料不同的是，复合材料内部存在大量的非线性及分散性结构因素，其结构本身的强度以及破坏失效模式难以预测，并且复合材料的损伤具有隐蔽性，许多损伤情况如冲击导致的分层损伤、内部微裂纹等均无法通过外部观察的方式进行判断分析，这也严重影响了航空航天结构的安全运行