固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相缺陷定位法

賈慶龍，蘇志軍，成 曙，楊 明

（中國人民解放軍96630部隊(duì)，北京 102206）

射線檢測(cè)中，缺陷定位的方法主要有黑度法、體視法、工業(yè)CT和視差法等，其中視差法應(yīng)用最為廣泛?！睹绹鵁o損檢測(cè)手冊(cè)·射線卷》提出了射線照相缺陷定位的視差法［1]；楊飛等通過數(shù)字成像實(shí)現(xiàn)視差法對(duì)缺陷定位，并分析了影響視差法定位精度的因素［2]；張勤儉等提出了材料缺陷的三維定位模型，主要為斷裂力學(xué)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)［3]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相因工件和射線源的獨(dú)特性，缺陷定位方法區(qū)別于一般工件，不能直接套用基本視差法公式。筆者簡單介紹發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相的透照工藝，給出了界面脫粘的定位方法，推導(dǎo)了推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷定位的二次成像法計(jì)算公式，創(chuàng)造性提出了幾何作圖法，方法簡單，突出實(shí)用性，指導(dǎo)實(shí)踐工作。

1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相透照工藝

1.1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與缺陷

固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室一般為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的空心結(jié)構(gòu)，主要由殼體、絕熱層、推進(jìn)劑和人工脫粘層等組成。內(nèi)絕熱層位于燃燒室殼體內(nèi)表面和推進(jìn)劑藥柱之間，主要起到保護(hù)殼體，防止殼體過度升溫及保持結(jié)構(gòu)完整性的作用，制作工藝有手工逐層貼片法和噴涂法，可能形成的缺陷有界面脫粘和絕熱層內(nèi)分層、孔洞、疏松等缺陷。旋轉(zhuǎn)切線照相法可最大化地穿過脫粘延伸面，檢測(cè)靈敏度達(dá)到1%，是檢測(cè)界面脫粘缺陷的有效方法。推進(jìn)劑藥柱一般為內(nèi)孔星型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，多采用帖壁式澆注工藝，其內(nèi)部易形成氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部缺陷一般采用徑向照相方法，可將膠片放置在星孔內(nèi)或星孔外部兩種方式。

1.2 典型透照工藝

根據(jù)固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測(cè)技術(shù)要求，一般將透照工藝分為兩類，即切線照相和徑向透照。

切線照相是射線束與燃燒室截面圓相切，主要用于檢測(cè)界面脫粘或材料分層，如圖1所示。徑向照相又分為單壁徑向透照和雙壁徑向透照，主要用于檢測(cè)推進(jìn)劑的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。單壁徑向透照是將膠片放在藥柱芯孔內(nèi)，射線穿透單側(cè)藥柱在膠片上成像，如圖2（a）所示；雙壁徑向透照是將膠片放在燃燒室外側(cè)，射線穿透整個(gè)藥柱在膠片上成像，如圖2（b）所示。

圖1 切線照相

圖2 徑向透照工藝

2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相缺陷定位法

2.1 界面脫粘的定位方法

發(fā)動(dòng)機(jī)的界面脫粘或分層包括一、二、三界面脫粘和絕熱層內(nèi)部分層等，圖3（a）所示為發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭的襯層與藥柱脫粘（即第三界面脫粘），通常采用切線照相方法檢測(cè)。一般情況下，某角度的界面脫粘缺陷會(huì)直接反映在底片相應(yīng)界面結(jié)構(gòu)上，其它角度的缺陷影像因黑度反差小而不易被發(fā)現(xiàn)。特殊情況下，其它角度脫粘可投影到該角度底片上，影像較清晰，評(píng)定時(shí)注意排除干擾。

建立發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)系ζ（x，r，θ），發(fā)動(dòng)機(jī)軸線為X軸，半徑方向?yàn)閞軸，周向方向?yàn)棣容S。以封頭某角度的粘接界面脫粘F1F2（F1為起始點(diǎn)，F(xiàn)2為終點(diǎn)）為例，對(duì)其進(jìn)行定位，如圖4所示。定位步驟為：

圖3 固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘和藥柱氣孔缺陷

圖4 界面脫粘缺陷定位方法

（1）選取產(chǎn)品上易識(shí)別部位的影像作為參考點(diǎn)C（若底片上無產(chǎn)品易識(shí)別部位的影像，則可以在產(chǎn)品表面放置鉛制標(biāo)記，將其在底片上的影像作為參考點(diǎn)），再在底片上用量具測(cè)量缺陷至參考點(diǎn)的弧長CF1，然后除以放大倍數(shù)，得出缺陷起始點(diǎn)至參考點(diǎn)的實(shí)際距離。

（2）以產(chǎn)品Ⅰ象限刻度線為角度坐標(biāo)零點(diǎn)，檢測(cè)部位過發(fā)動(dòng)機(jī)軸線切面OCF1F2與Ⅰ象限刻度線的夾角φ作為缺陷的角度坐標(biāo)。

（3）根據(jù)缺陷F1F2至產(chǎn)品殼體內(nèi)表面（或產(chǎn)品軸線）的距離判定其所在界面。

2.2 藥柱內(nèi)缺陷二次成像定位方法

射線照相方法是把工件的三維信息反映在底片上，一次照相無法確定空間信息，可通過多次照射反推缺陷的空間位置，理論上照射次數(shù)越多定位精度越高，但工程上兩次照射就能夠滿足基本要求。固體發(fā)動(dòng)機(jī)一般為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，結(jié)合射線源的特點(diǎn)，兩次照相可分別通過移動(dòng)X射線源和旋轉(zhuǎn)工件實(shí)現(xiàn)，即平移二次成像法和旋轉(zhuǎn)二次成像法。藥柱內(nèi)缺陷一般包括氣孔、夾雜、裂紋等，圖3（b）為星型藥柱內(nèi)氣孔缺陷，氣孔與夾雜為非方向性缺陷，兩種方法都可以使用，并對(duì)平移距離和旋轉(zhuǎn)角度沒有嚴(yán)格要求。裂紋為方向性缺陷，不適用該方法。2.2.1 平移二次成像法

如圖5所示，以燃燒室縱軸線和橫截面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系ζ（x，y）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，通過垂直平移焦點(diǎn)位置，以相同工藝二次透照，根據(jù)缺陷在底片上的位置變化及照相參數(shù)確定缺陷在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)位置f（x，y）。

圖5 平移二次照相定位方法

缺陷P的位置坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：D為焦點(diǎn)至燃燒室軸心的距離；F為焦點(diǎn)至膠片的距離D＋T；y0為兩次照相焦點(diǎn)垂直移動(dòng)距離；y1為一次照相時(shí)的缺陷影像相對(duì)X軸的偏移量；y2為二次照相時(shí)同一缺陷影像相對(duì)X軸的偏移量。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)二次成像法

圖6 旋轉(zhuǎn)二次照相定位

如圖6所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)某軸切面中心為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系。在第一次照相發(fā)現(xiàn)缺陷的情況下，保持加速器焦點(diǎn)位置和發(fā)動(dòng)機(jī)軸切面不變，將發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度θ，進(jìn)行二次照相，通過對(duì)底片缺陷和照相參數(shù)的測(cè)量，計(jì)算缺陷的極坐標(biāo)值（R，α）。

缺陷P的位置坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：a＝DFn＋F2h－m（Fcosθ－nsinθ）；

b＝m（Fsinθ＋ncosθ）－DE；

m＝DH＋HT；

n＝H＋d－h(huán)；

F＝D＋h；

E＝H－h(huán)。

A，B面分別為兩個(gè)垂直方向的軸心面；h為焦點(diǎn)至A面距離；D為焦點(diǎn)至B面距離；T為膠片至B面距離；H為一次照相缺陷在底片上的影像距離A面距離；缺陷兩次成像之間距離為d；旋轉(zhuǎn)角度θ。

2.2.3 幾何作圖法

幾何作圖法利用射線照相的幾何原理，可快速確定缺陷位置，適用于定位精度要求不高的工程應(yīng)用。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相工藝一般要求D/T不小于3，焦距較大，可以假設(shè)射線束為平行束。這樣，某一照相角度θ1的底片上測(cè)量缺陷中心至發(fā)動(dòng)機(jī)水平軸線的距離d，根據(jù)幾何原理反推缺陷位置，一定在以發(fā)動(dòng)機(jī)軸線為中心，以d為半徑的圓的切線上，且在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，如圖7所示的L1＋L2線段。同樣原理，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)至角度θ2時(shí)，也可以得到L′1＋L′2線段。將兩個(gè)角度幾何作圖合成，兩線段的交點(diǎn)c即為缺陷位置。測(cè)量c點(diǎn)距離圓心O的距離R，以及OC連線與I－Ⅲ象限線的夾角α，缺陷C位置坐標(biāo)為（R，α），如圖8所示。

圖7 幾何作圖法原理

一般情況，兩個(gè)角度的底片即可確定缺陷位置。若有n個(gè)角度底片均能反映同一缺陷，幾何作圖產(chǎn)生的n條線段相交產(chǎn)生n（n－1）/2個(gè)交點(diǎn)，用涵蓋所有交點(diǎn)的最小包絡(luò)圓的圓心表示缺陷位置，測(cè)量圓心的坐標(biāo)（R，α），如圖8所示。該方法可以減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差。

圖8 幾何作圖法對(duì)缺陷定位

3 結(jié)論

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷分為界面脫粘缺陷和推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷，兩類缺陷分別需要采用切線照相和徑向透照工藝。界面脫粘可通過一次切線照相進(jìn)行三維定位，推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷通常采用平移二次成像法和旋轉(zhuǎn)二次成像法，幾何作圖法可作為一種實(shí)用的工程方法被應(yīng)用于實(shí)踐。

［1]美國無損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國無損檢測(cè)手冊(cè)·射線卷［M].上海：世界圖書出版公司，1992.

［2]楊飛.X射線數(shù)字成像中的缺陷定位檢測(cè)技術(shù)研究［D].山西：華北工學(xué)院，2003.

［3]張勤儉，張建華，李敏，等.射線照相缺陷三維定位的數(shù)學(xué)模型［J].無損檢測(cè)，2001，23（2）：59－61.