固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘高能X射線檢測技術(shù)

鄭偉，鄧安華，劉云峰，劉榮臻

（1.海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺264001；2.中國航天科工集團8610廠，湖北宜昌444200；3.中國航天科工集團389廠，呼和浩特010076）

固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘高能X射線檢測技術(shù)

鄭偉1，鄧安華2，劉云峰3，劉榮臻2

（1.海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺264001；2.中國航天科工集團8610廠，湖北宜昌444200；3.中國航天科工集團389廠，呼和浩特010076）

襯層與藥柱脫粘嚴(yán)重影響固體火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)完整性和工作安全性，該缺陷的可靠檢測至關(guān)重要。文章綜述了固體火箭發(fā)動機高能X射線檢測技術(shù)現(xiàn)狀?；谏渚€照相檢測和工業(yè)CT檢測手段，評述了固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘的圖像分析和缺陷評判技術(shù)。針對該類缺陷，提出了綜合應(yīng)用射線照相技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)進(jìn)行印證檢測的方法，評判結(jié)果表明能夠滿足缺陷檢測的可靠性與準(zhǔn)確性要求。

固體火箭發(fā)動機；襯層與藥柱脫粘；射線照相檢測；工業(yè)CT檢測

固體火箭發(fā)動機在生產(chǎn)、貯存、轉(zhuǎn)運和發(fā)射準(zhǔn)備期間，發(fā)動機的藥柱/襯層、襯層/殼體等界面由于受到溫度、振動、老化、燃?xì)鈨?nèi)壓、化學(xué)遷移以及晶析等因素的影響[1-2]，可能造成脫粘缺陷，導(dǎo)致發(fā)動機工作時產(chǎn)生“超”燃燒表面，甚至引起發(fā)動機內(nèi)彈道性能改變、躥火或轟爆等事故[3-4]。因此，發(fā)動機界面粘結(jié)質(zhì)量是影響其工作可靠性的關(guān)鍵因素之一，應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注包覆層與推進(jìn)劑界面的結(jié)構(gòu)完整性[5-7]。

本文針對固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘缺陷，闡述了X射線照相檢測和工業(yè)CT檢測技術(shù)，并綜合應(yīng)用2種檢測方法進(jìn)行缺陷的對比印證檢測，提出了提高檢測可靠性和準(zhǔn)確性的方法。

1 脫粘缺陷無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀

超聲脈沖反射法最早用于固體火箭發(fā)動機的無損檢測，但只限于殼體與襯層界面分離缺陷的定性檢測，對絕熱層/襯層、藥柱/襯層界面粘結(jié)質(zhì)量的檢測則無能為力[8-9]。國內(nèi)外用于裝藥發(fā)動機無損檢測的其他方法，如微波、紅外、激光全息等，由于對殼體材料、壁厚等條件要求較嚴(yán)格，對固體發(fā)動機多界面粘結(jié)質(zhì)量的檢測具有局限性[10]。目前，成熟且已規(guī)模應(yīng)用的大型固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘的無損檢測技術(shù)主要有高能X射線照相檢測和工業(yè)CT檢測。

1.1 脫粘缺陷的X射線照相檢測技術(shù)現(xiàn)狀

高能X射線照相檢測是目前應(yīng)用較為廣泛的固體發(fā)動機多界面粘結(jié)質(zhì)量檢測技術(shù)[11-13]。文獻(xiàn)[14-16]針對固體火箭發(fā)動機X射線照相檢測的工藝方法、靈敏度檢驗與質(zhì)量控制等問題進(jìn)行了研究。

界面脫粘缺陷的射線照相檢測，采用切向透照布置，射線中心束穿透襯層與藥柱界面。射線照相透照布置如圖1所示。

圖1 襯層與藥柱脫粘射線照相檢測透照布置Fig.1 Lay out of high energy radiographic testingtransillumination for debonds between propellant and liner

曝光劑量應(yīng)根據(jù)透照等效厚度確定，最終控制靠近藥柱的絕熱層光學(xué)密度在2.20±0.20范圍為宜。影像質(zhì)量用對比度、不清晰度和顆粒度來表征。對比度決定了在射線透照方向上可識別的細(xì)節(jié)尺寸，不清晰度決定了在垂直于射線透照方向上可識別的最小細(xì)節(jié)尺寸，顆粒度限制了影像可顯示的最小細(xì)節(jié)尺寸。

在射線照相檢測技術(shù)領(lǐng)域，廣泛采用射線靈敏度這個綜合性能指標(biāo)來評價影像質(zhì)量。對于脫粘缺陷，縫隙寬度的檢測靈敏度對應(yīng)于影像的不清晰度，脫粘沿圓周弧長的檢測靈敏度對應(yīng)于對比度。脫粘縫隙寬度和軸向長度的檢測靈敏度取決于射線照相透照布置、加速器和增感屏等因素，一般小于0.1mm，在檢測時能夠發(fā)現(xiàn)非常細(xì)的脫粘縫隙。

1.2 脫粘缺陷的工業(yè)CT檢測技術(shù)現(xiàn)狀

工業(yè)CT即計算機層析成像技術(shù)，由射線投影信息重建影像。計算機射線層析成像可顯示目標(biāo)細(xì)節(jié)的位置、形狀及大小，影像容易識別和理解[17]。某9MeV工業(yè)CT檢測設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 某型號9MeV工業(yè)CT檢測系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of a type of 9MeV industrial CT testing system composition

20世紀(jì)80年代，美國ARACOR公司為美國空軍研制了用于檢測固體發(fā)動機的工業(yè)CT系統(tǒng)，因其具有良好的空間分辨率和密度分辨率，在界面無損檢測領(lǐng)域顯示出獨特的優(yōu)點，并得到了廣泛地應(yīng)用。圖像重建算法是CT系統(tǒng)的核心技術(shù)，它決定了CT成像效果和重建時間。在圖像重建中常用的近似算法有：濾波反投影算法和Randon反變換算法[18]。前者在垂直平面的空間分辨率優(yōu)于后者，Randon反變換算法具有較高的密度分辨率。由于火箭發(fā)動機由鋼、包覆層、絕熱層等不同密度材料組成，可采用不同的濾波函數(shù)分別對殼體和藥柱進(jìn)行圖像分割，然后將兩者重建圖像合成，可有效消除偽影和改善圖像質(zhì)量[19]。由于圖像邊緣包含了豐富的缺陷信息，利用基于引力模型的邊緣檢測算子，能夠更準(zhǔn)確地檢測出CT圖像的界面脫粘缺陷[20]。

工業(yè)CT缺陷檢測能力，取決于CT影像的質(zhì)量、清晰程度、對細(xì)節(jié)的分辨能力等因素。影像質(zhì)量用空間分辯率、密度分辨率、偽像3方面來表征。受空間分辨率的影響，工業(yè)CT檢測對脫粘間隙小于0.25mm的缺陷難以檢測。

2 脫粘缺陷高能X射線檢測影像分析

2.1 脫粘缺陷射線照相檢測影像分析

觀察、分析不同型號發(fā)動機的X射線照相檢測影像，可以發(fā)現(xiàn)襯層與藥柱界面脫粘缺陷影像的共同特征是界面脫粘的走向始終平行于絕熱層邊緣，并隨絕熱層厚度變化而起伏。圖3、4是2種型號發(fā)動機脫粘射線照相檢測典型影像，影像顯示出：①缺陷定性。缺陷影像的光學(xué)密度明顯高于絕熱層，呈兩端尖細(xì)中間略寬的黑色條帶，且平行于粘結(jié)界面；②缺陷定位。依據(jù)檢測影像進(jìn)行脫粘缺陷的三維定位操作，可以確定其徑向定位、軸向定位和圓周定位；③缺陷定量。脫粘影像的長度和寬度，可在底片上直接量取和換算。缺陷沿圓周方向延伸的寬度可計算獲得。

圖3 型號A發(fā)動機襯層與藥柱脫粘射線照相檢測影像Fig.3 Radiographic testing image for debonds between propellant and liner of type Amotor

圖4 型號B發(fā)動機襯層與藥柱脫粘射線照相檢測影像Fig.4 Radiographic testing image for debonds between propellant and liner of type B motor

2.2 脫粘缺陷工業(yè)CT檢測影像分析

在固體火箭發(fā)動機工業(yè)CT檢測的斷層影像上，襯層與藥柱脫粘影像特征鮮明。圖5是襯層與藥柱脫粘粘結(jié)完好的型號A發(fā)動機工業(yè)CT檢測影像，圖6是存在脫粘缺陷的型號A發(fā)動機工業(yè)CT檢測影像。圖5、6影像顯示出：①缺陷定性。襯層與藥柱脫粘缺陷影像黑度明顯高于絕熱層，為緊貼絕熱層的黑色細(xì)條紋。②缺陷定位。斷層掃描位置已知，即確定襯層與藥柱脫粘缺陷在發(fā)動機上的軸向位置；其徑向位置一目了然，即緊貼絕熱層；其圓周位置及范圍在CT圖像上測量即得。③缺陷定量。軸向長度，由斷層厚度及斷層掃描數(shù)量確定；脫粘縫隙寬度通過影像放大的像素測量來估計；圓周方向的弧長，可應(yīng)用圖像測量軟件準(zhǔn)確獲得。

圖5 型號A發(fā)動機襯層與藥柱無脫粘工業(yè)CT檢測影像Fig.5 Industrial CT testing image for no debonds between propellant and liner of typeAmotor

圖6 型號A發(fā)動機襯層與藥柱脫粘工業(yè)CT檢測影像Fig.6 Industrial CT testing image for debonds between propellant and liner of typeAmotor

3 襯層和藥柱脫粘缺陷評判

正確識別評判缺陷影像，判斷影像所代表的缺陷類型，需豐富的實踐經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。襯層與藥柱脫粘缺陷，按缺陷影像位置特征、缺陷影像幾何形狀特征、缺陷影像黑度特點及分布3方面進(jìn)行分析評判。

3.1 射線照相檢測脫粘缺陷的評判技術(shù)

1）缺陷影像位置特征。脫粘多位于發(fā)動機前后封頭或自封頭到筒體段過渡范圍鄰近絕熱層的藥柱內(nèi)，一般起于人工脫粘層根部，止于絕熱層較薄處。

2）缺陷影像幾何形狀特征。缺陷影像呈縫隙狀，緊貼絕熱層或與之平行、隨絕熱層型面起伏，輪廓清晰，鄰近絕熱層的邊緣光滑或有起伏、鄰近藥柱的邊緣光滑或有起伏，上、下邊緣互補，起止兩端尖銳或緩慢變細(xì)。

3）缺陷影像黑度特點及分布。黑色縫隙狀影像鮮明，其黑度顯著高于絕熱層黑度，與空氣黑度相當(dāng)，影像整體黑度一致，縫隙寬者比細(xì)者黑度高。

3.2 工業(yè)CT檢測脫粘缺陷的評判技術(shù)

1）缺陷影像位置特征。斷層掃描位置多選在發(fā)動機前后封頭或自封頭到筒體段過渡范圍，脫粘缺陷位于斷層影像藥柱與絕熱層貼合處。

2）缺陷影像幾何形狀特征。與絕熱層貼合的弧線，兩端細(xì)小，中段稍粗，隨絕熱層厚度變化而起伏，輪廓清晰，連續(xù)或間斷分布絕熱層內(nèi)圓周，整體相對掃描旋轉(zhuǎn)中心不對稱。

3）缺陷影像黑度特點及分布。缺陷影像鮮明，黑度顯著高于絕熱層黑度，略低于空氣黑度或與之相當(dāng)，影像整體黑度一致，粗弧線黑度比細(xì)弧線黑度高。

4 襯層和藥柱脫粘缺陷兩種技術(shù)檢測印證

4.1 檢測靈敏度對比

高能X射線照相檢測技術(shù)和工業(yè)CT檢測技術(shù)均能夠可靠地檢測襯層與藥柱脫粘缺陷，但檢測靈敏度存在很大差別。對脫粘縫隙寬度，一般情況下射線照相檢測比工業(yè)CT檢測靈敏度高約10倍，且隨著發(fā)動機直徑的增大，工業(yè)CT對脫粘縫隙寬度的檢測靈敏度將變差，而射線照相檢測靈敏度幾乎沒有變化。對脫粘沿圓周弧長的檢測靈敏度差別則相反，一般情況下工業(yè)CT檢測比射線照相檢測靈敏度高約5倍。對脫粘在軸向或母線方向的長度，2種技術(shù)差別不大。

4.2 檢測印證

型號A發(fā)動機靠近前封頭的筒體段部位出現(xiàn)襯層與藥柱脫粘缺陷，分別進(jìn)行9MeV加速器射線照相檢測和工業(yè)CT檢測，對于一定縫隙寬度的脫粘，2種技術(shù)均能夠檢測出來，只是工業(yè)CT檢測技術(shù)對脫粘的檢測靈敏度遠(yuǎn)低于射線照相檢測技術(shù)。

圖7是某臺發(fā)動機某個位置的工業(yè)CT檢測影像，其中的標(biāo)記是射線照相檢測的中心，圖8是標(biāo)記部位射線照相檢測的影像，其中的黑色虛線即圖7工業(yè)CT檢測位置。分析脫粘缺陷影像的細(xì)節(jié)特征，不難看出，工業(yè)CT檢測靈敏度遠(yuǎn)低于射線照相檢測，反映不出缺陷的形貌特征，而射線照相檢測的影像清晰再現(xiàn)了脫粘缺陷沿母線分布的形貌特征。

圖7 型號A發(fā)動機某個斷層工業(yè)CT檢測影像Fig.7 Industrial CT testing image for some fault of type Amotor

圖8 型號A發(fā)動機對應(yīng)部位射線照相檢測影像Fig.8 Radiographic testing image for corresponding section of type Amotor

4.3 印證分析

型號A發(fā)動機工業(yè)CT檢測，發(fā)現(xiàn)了圖7所示的緊貼絕熱層的黑色弧線。為確定缺陷類型，在黑色弧線部位進(jìn)行高能X射線照相檢測，照相底片如圖8所示。綜合分析、評定該缺陷類型為襯層與藥柱脫粘。

固體火箭發(fā)動機缺陷檢測，可應(yīng)用2種射線檢測技術(shù)相互印證檢測：一是提高了缺陷檢測和評判的可靠程度；二是全面展示了缺陷完整的體貌特征；三是精確測量了缺陷在發(fā)動機上的三維分布位置及尺寸。

5 結(jié)論

高能X射線射線照相檢測和工業(yè)CT檢測技術(shù)，是固體火箭發(fā)動機襯層與藥柱脫粘檢測行之有效的技術(shù)手段。綜合應(yīng)用X射線射線照相檢測技術(shù)和工業(yè)CT檢測技術(shù)，印證檢測襯層與藥柱脫粘缺陷，發(fā)揮各自技術(shù)特點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，綜合評定缺陷影像特征，可滿足此類缺陷檢測的可靠性和準(zhǔn)確性要求。

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High Energy X--Rays Testing Technology of Solid Rocket Motor Debonds Between Propellant and Liner

ZHENG Wei1,DENG An-hua2,LIU Yun-feng3,LIU Rong-zhen2
（1.Department of Scientific Researche,NAAU,Yaitai Shandong 264001,China; 2.Factory No.8610 of CASI,Yichang Hubei 444200,China;3.Factory No.389 of CASI,Huhehaote 010076,China）

The debonds between propellant and liner seriously affect the structural integrity and working security of solid rocket motor,and reliable examination to this defect is crucial.In this paper,the research status of high energy X-rays testing technology of solid rocket motor was summarized.Based on radiography testing and industrial CT testing methods,the techniques of image analysis and defects evaluation were reviewed on debonds between propellant and liner of solid rocket motor.For this defect,the comprehensive application of radiography and industrial CT technology was presented by confirmation detection.The evaluation results showed that the reliability and accuracy could meet requirements of defect detection.

solid rocket motor;debonds between propellant and liner;radiography testing;industrial computed tomography testing

V435

A

1673-1522（2014）04-0355-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.012

2014-02-27；

2014-05-05

鄭偉（1973-），男，高工，碩士。