航天固体发动机在长期储存或长途运输过程中,由于复杂的环境载荷,其内部推进剂以及药柱会发生不可预测的变化,极端情况下有可能发生推进剂脱粘或药柱断裂,航天固体发动机存在点火失败的风险。研究航天固体发动机健康监测系统对其内部推进剂状态与寿命进行监控或评估具有重要的科研意义。目前航天固体发动机健康监测方法主要通过理论计算或仿真方法,对固体发动机的健康状况与预期寿命进行评估与预测。然而,由于推进剂成分和环境载荷十分复杂,其内部应力变化难以精确模拟,这种理论计算或仿真方法的结果缺乏可靠性。因此研究基于新型传感器的健康监测系统对航天固体发动机的健康状况与预期寿命的评估与预测是该领域亟待解决的关键问题。针对该问题,本论文提出了一种基于浸入式三维力传感器与柔性大应变传感器的固体发动机推进剂内部三维应力与药柱应变的健康监测系统。该健康监测系统通过对航天固体发动机推进剂内部埋入多个浸入式三维力传感器实现对推进剂内部三维应力的实时监测,同时通过对药柱内部粘贴多个柔性大应变传感器实现对药柱应变的实时监测。通过分析推进剂三维应力与药柱应变的实测数据可实现对典型运输与储存条件下固体发动机健康状况的实时监测。本论文研究内容主要包括:对航天固体发动机推进剂浸入式三维应力传感器以及航天固体发动机推进剂药柱柔性大应变传感器的原理和结构进行了研究;随后,根据航天固体发动机三维应力以及药柱应变测量需求,结合本项目的尺寸要求选择并制备了传感器的中间层和衬底材料以及敏感材料,最后制备了传感器原理样机。接着,研究了航天固体发动机推进剂浸入式三维应力传感器的环境屏蔽方法以及航天固体发动机推进剂药柱柔性大应变传感器的柔性电极材料。随后设计了实验测量平台,并通过实验进行了两种传感器性能测试;最后,将两种传感器放入固体发动机中,并设计了典型运输环境和典型储存环境的模拟实验,测量传感器在实验中得到的真实数据。研究结果表明,本文设计的航天固体发动机推进剂浸入式三维应力传感器具有6mm × 6mm × 12mm的微小尺寸,可以检测0-354KPa范围内的正压力和0-177KPa范围内的剪切力,正压力重复性误差为14.9%。灵敏度为4.9 × 10-5pF/KPa,剪切力重复性误差为11.78%。灵敏度为3.67 × 10-5pF/KPa。设计的航天固体发动机推进剂药柱柔性大应变传感器具有10mm × 8mm × 1mm的微小尺寸,可以测量0至20%的应变,线性度为3.79%,迟滞性误差为4.15%。在模拟实验中,可以准确的测量固体发动机在外部载荷变化时,内部推进剂三维应力的变化和药柱的应变。航天固体发动机推进剂浸入式三维应力传感器正压力以及剪切力的电容值变化量与外界压力正向线性相关,航天固体发动机推进剂药柱柔性大应变传感器的阻值变化量与传感器应变正向线性相关。本文设计的航天固体发动机推进剂浸入式三维应力传感器以及航天固体发动机推进剂药柱柔性大应变传感器在测量范围和尺寸上都满足航天固体发动机的测量需求,且在模拟实验中也可以实时反馈固体发动机内部推进剂三维应力和药柱应变在外部载荷变化时产生的响应。因此,这两种传感器可实现对航天固体发动机的健康监测。本文的研究结果可提高固体发动机健康监测的可靠性,对固体发动机健康监测有着重大意义,不仅可以减少发射失败概率,还可以节省大量经费,更可以为未来制作的新型固体发动机提供数据支持,推动国家在固体发动机方面的整体发展,提高综合效益。