固体火箭发动机界面粘接质量检测系统研究

固体火箭发动机界面粘接质量检测系统研究

左群

西安现代控制技术研究所 陕西省西安市 710065

摘要：固体火箭发动机凭借其强度高、安全性好、储存运输方便等优点在航天飞行器和导弹类武器中得到了广泛应用。固体火箭发动机装药结构由外至内依次由壳体、绝热层、衬层、固体推进剂四部分粘接浇注而成。因此，对固体火箭发动机进行界面粘接质量检测对发动机的正常运转起着至关重要的作用。

关键词：固体火箭发动机；界面脱粘；局部共振谱

前言：在航空、航天和军工领域，固体火箭发动机发挥着不可或缺的作用。它具有结构简单、高机动性，高可靠性，易于维护等优点，非常适合现代战争和航天事业的需要。它主要是由壳体、绝热层、衬层和火箭推进剂粘接而成，这种结构具有比强度大、比模量高，减震性能优越和工艺简单的优点，然而，在粘接过程中由于各种因素的影响会产生界面脱粘的问题。发动机界面的脱粘与否对于发动机的性能和发射安全起着至关重要的作用。如果界面之间发生了脱粘，会导致火箭发动机结构不稳定，很容易引起火箭发动机的爆炸，造成不可挽回的后果。

1.脱粘检测方法研究现状

1.1红外热成像法

红外检测是利用红外辐射原理对材料表面进行检测的方法。它的热激励源是高功率的超声波，超声波在被检材料上传播的过程中会产生热量，而材料由于缺陷或者材料与材料之间的热不一致性会引起温度的变化，进而去确定物体的缺陷。该方法通常用于检测材料中的裂纹、空洞和夹杂物等缺陷。蒋淑芳等人通过红外热波技术检测出了钢与绝热层界面的脱粘。韦金凤利用长脉冲红外热像技术，构建了提高红外热图中缺陷分辨率的算法和消除激励源加热不均影响的图像处理方法，分析研究了界面缺陷尺寸特征对红外热图中缺陷处温度分布的影响规律，并对合金/陶瓷涂层的界面脱粘一维热传导模型进行解析，定量表征了涂层试样内的盲孔缺陷、界面缺陷横向尺寸。Renshaw等利用红外热成像检测了储罐和密封衬管试样的粘接状态，重建出了缺陷图像。Vinod PN通过脉冲热成像技术对铝和硅胶的粘接构件进行了检测，通过对缺陷处的热对比峰值时间和热对比度最大值可以检测到脱粘缺陷，深度约为距离表面1mm处。然而红外检测需要材料向外传播热辐射，而且设备一般都比较昂贵，对于火箭发动机多层粘接结构。绝热层的热量很难向外传播热辐射，这就对二界面脱粘检测造成了难度。

1.2工业CT检测

工业CT检测是目前应用领域最广泛的无损检测技术。它是根据物体的密度间的差异来进行成像的。将不同密度的物质放在X射线下，根据它们对X射线的衰减系数转换成物质的CT值，然后以灰度图的形式将其显示出来。温银堂等针对复合材料粘接界面缺陷问题,开展基于工业CT的粘接缺陷检测及量化表征方法研究。Li等利用微CT分析了复合材料在冲击剪切载荷作用下形成的树脂裂纹、脱粘和层间分层等损伤。陈庆贵通过分析火箭发动机粘接结构内部的微小缺陷，在现有的窄角束扫面算法进行优化设计，最终得到了准确的CT成像结果。史源源等提出了切向CT技术，利用滤波反投影法精确的将发动机断面图像重建了出来，为发动机的脱粘检测提供了理论基础。李朋等提出基于引力模型的固体发动机CT图像三维边缘提取方法，为发动机脱粘图像的精确成像奠定了基础。工业CT对于壳体内部的夹杂以及气孔缺陷检测比较有效，但对于结构中紧密贴合地缺陷无法识别，而且检测效率较低，对于发动机的多界面脱粘检测还需进行进一步的研究。

1.3超声波法

关于超声检测界面脱粘方面有许多学者对其进行了研究，对于一界面粘接质量检测方面，郑善朴等通过分析不同类型脱粘的超声波回波的特征实现缺陷的定性、定位和定量检测。凡丽梅等采用非线性超声检测技术对橡胶和铝合金的粘接构件进行界面脱粘检测，建立了缺陷面积与非线性系数的拟合曲线，解决了缺陷定量化的表征问题。袁红梅采用脉冲回波技术检测小厚度粘接结构，并提出了一种基于超声背散射回波包络积分成像法对粘接结构中的缺陷进行成像,结果表明，该方法能够检测到最小为52μm的缺陷。樊森利用脉冲回波法对固体火箭发动机的壳体/包覆层的粘接结构进行脱粘检测，并对脱粘的位置以及面积进行了计算，结果表明，脉冲回波法可以很好的检测壳体与包覆层之间的界面粘接情况。Li等推导了多层板中界面波的特征方程，对理论计算的群速度与实验群速度进行比较，得到了较好的结果，证明了多层板中界面波的存在。

2.界面粘接质量检测系统设计

2.1多模超声探头设计

纵波检测方法具有操作简便，适用范围广，检测精度高等优点。然而，由于单模式超声波检测多层粘接结构困难、无法进行界面分离等局限性，系统采出了横波与纵波相结合的多模超声的检测方式。纵波用于检测一界面脱粘，横波用于检测二界面脱粘，通过采用斜入射一发一收的方式使声程得到了增加，从而将一界面与二界面的超声信号分离并且提取界面粘接的特征信号，通过两者的优势互补，实现了火箭发动机的界面粘接质量检测。

2.2超声检测方式的选择

由于单模式超声波检测多层粘接结构困难、无法进行界面分离等局限性，系统采用横纵波协同工作的检测方式，纵波用于检测一界面脱粘检测，横波通过采用斜入射一发一收的方式使声程得到了增加，从而将一界面与二界面的超声信号分离，通过两种模式超声波的相互结合，实现界面信号的分离和提取。系统采用横纵波协同工作的检测方式对固体火箭发动机的界面粘接质量进行，需要对多模超声的检测方式进行分析，其中横波的检测方式主要分为圆周向检测和轴向检测。检测采用圆周向横波检测方法对火箭发动机进行检测。当探头角度、距离以及壳体厚度保持不变时，随着直径的增加，横波信号的幅值不断增加，当直径增加到100mm时，横波信号的幅值会迅速增加，增加到0.92V，这是因为当直径较小时，曲率的影响超声波扩散的影响较大，超声探头接收到的超声信号非常能量很微弱。随着直径的增加，曲率对超声波扩散影响越来越小，超声信号的能量越来越大。而且对于发动机而言，由于火箭发动机的检测范围为40-200mm，采用圆周向检测的方式，针对不同直径的火箭发动机，需要不停地调整探头的入射角度和距离以接收到较好的横波信号，具有一定的局限性。

2.3超声入射角度和距离分析

针对工件缺陷位置不同,超声探头方向也有不同的要求,当检测近表面缺陷或表面缺陷时,这里采用垂直入射的方式,将探头置于工件下表面,由于工件表面曲率对超声波束的散射和聚焦,要将超声回波能够准确可靠地投射到工件内的待检测区域,检测系统应根据实际情况而实时调节和控制探头姿态和运动轨迹,使探头在检测过程中跟随工件表面形状而变化,与构件表面法线方向保持重合,以保证纵波信号的接收。如果纵波探头入射角度不是90度，则会造成纵波入射的偏置，由于曲率的影响，入射角偏置较大时在试件中产生纵波的同时会出现折射横波，纵波和横波同时被试件表面或缺陷反射时，由于纵波和横波的传播速度不同，会同时出现相互干扰，不利于缺陷波的判断。

3.结束语：

综上所述，根据固体火箭发动机多层粘接结构的检测需要，开展防爆条件下界面粘接质量检测系统的超声数据实时获取与成像相关技术研究。首先根据检测对象的结构特点和检测系统的设计要求，进行系统总体方案设计，提出了系统实现过程中多界面粘接检测困难，下一步应对参数选择进行更多的研究，以提高脱粘检测的准确性。

参考文献：

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