大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維纏繞殼體超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

周 娥 劉 凱 王曉勇 熊建平

大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維纏繞殼體超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

周 娥 劉 凱 王曉勇 熊建平

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432000）

采用超聲波穿透法對(duì)大型纏繞殼體進(jìn)行大量C掃描成像檢測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)積累，驗(yàn)證該方法可有效檢測(cè)出大型纏繞殼體直筒段內(nèi)部分層、脫粘等缺陷，得出超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)可對(duì)大型纏繞殼體內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估的結(jié)論，有利于大型纏繞殼體設(shè)計(jì)優(yōu)化與可靠使用。

穿透法；纏繞殼體；內(nèi)部質(zhì)量

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體既是推進(jìn)劑貯箱又是燃燒室殼體，同時(shí)還是火箭或?qū)椀膹楏w，其強(qiáng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用可靠性影響極大[1]。因此，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法評(píng)估纏繞殼體內(nèi)部質(zhì)量尤為重要。以某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞殼體為例，運(yùn)用大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)介紹碳纖維纏繞殼體內(nèi)部粘接質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)——超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

2 超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

超聲波C掃描檢測(cè)是基于超聲波A掃原理，提取垂直于聲束截面的穿透波信息而形成二維圖像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。所得到的C掃描圖以色階的形式反映工件穿透波幅值，圖像上的每一點(diǎn)與被檢工件上的相應(yīng)位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，當(dāng)工件中存在分層、脫粘等缺陷時(shí)，超聲波無(wú)法穿透該位置，該位置的C掃圖即以與其他完好位置不同的顏色直觀顯現(xiàn)。因此，超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)具有定性、定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3 超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 待檢產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體由碳纖維纏繞固化而成，其內(nèi)壁粘貼有絕熱層橡膠，殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。碳纖維纏繞層間、碳纖維與絕熱橡膠層間常見(jiàn)分層、脫粘等缺陷。需檢測(cè)碳纖維纏繞層間、碳纖維與絕熱橡膠層間的粘接質(zhì)量。

圖1 大型發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維纏繞殼體示意圖

3.2 檢測(cè)儀器及探頭

水壓試驗(yàn)前、后對(duì)燃燒室殼體上裙區(qū)域、筒段進(jìn)行超聲波C掃描成像檢測(cè)，采用常規(guī)超聲波探傷儀、水耦合、一發(fā)一收兩只探頭，實(shí)現(xiàn)燃燒室殼體穿透法檢測(cè)。

3.3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.3.1 01#燃燒室殼體檢測(cè)結(jié)果

a. 水壓試驗(yàn)前超聲波C掃描檢測(cè)01#燃燒室殼體上裙區(qū)域、筒段，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，電纜罩部位（圖2上、中部位兩條整塊深色矩形區(qū)域）不予評(píng)定。

圖2 01#燃燒室殼體水壓前超聲波C掃描檢測(cè)圖

距前裙端面180～210mm無(wú)穿透波；距前裙端面320mm存在兩處缺陷，面積分別為45mm×240mm和65mm×72mm，缺陷面積約占該環(huán)帶總面積的10.6%，其余部位未見(jiàn)異常。

距后裙端面150～180mm無(wú)穿透波；距后裙端面285mm有一處異常，缺陷面積為22mm×904mm，約占該環(huán)帶總面積的8.1%，其余部位未見(jiàn)異常。

b. 水壓試驗(yàn)后超聲波C掃描檢測(cè)01#燃燒室殼體上裙區(qū)域、筒段，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，電纜罩部位（圖3上、中部位兩條整塊深色矩形區(qū)域）不予評(píng)定。

圖3 01#燃燒室殼體水壓后超聲波C掃描檢測(cè)圖

距前裙端面180～225mm無(wú)穿透波；距前裙端面330mm環(huán)帶存在局部缺陷，其中兩處較明顯缺陷面積分別為110mm×245mm和100mm×180mm，缺陷面積約占該環(huán)帶的24.5%，其余部位未見(jiàn)異常。

距后裙端面150～185mm無(wú)穿透波；距后裙端面290mm環(huán)帶存在局部異常，其中兩處較明顯缺陷面積分別為92mm×380mm和25mm×900mm，缺陷面積約占該環(huán)帶的25.9%，其余部位未見(jiàn)異常。

3.3.2 02#燃燒室殼體檢測(cè)結(jié)果

a. 水壓試驗(yàn)前超聲波C掃描檢測(cè)02#燃燒室殼體上裙區(qū)域、筒段，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，電纜罩部位（圖4中、下部位兩條整塊不均勻亮色矩形區(qū)域）不予評(píng)定。

圖4 02#燃燒室殼體水壓前超聲波C掃描檢測(cè)圖

后半段有兩處修補(bǔ)產(chǎn)生的脫粘顯示，面積分別約為300mm×316mm和460mm×460mm。

b. 水壓試驗(yàn)后超聲波C掃描檢測(cè)02#燃燒室殼體筒段，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，電纜罩部位（圖5中、下部位兩條整塊深色矩形區(qū)域）不予評(píng)定。

圖5 02#燃燒室殼體水壓后超聲波C掃描檢測(cè)圖

前裙、筒段均顯示有不同程度的脫粘，較水壓前脫粘面積增加了57%。兩處修補(bǔ)部位去除真空膜后，一處未見(jiàn)脫粘，另一處脫粘面積為70mm×85mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用超聲波C掃描成像檢測(cè)方法檢測(cè)碳纖維纏繞殼體，能有效檢測(cè)出其中的分層、脫粘缺陷，并可通過(guò)觀察C掃描圖像準(zhǔn)確定量、定位分析缺陷；通過(guò)對(duì)水壓試驗(yàn)前、后的碳纖維纏繞殼體進(jìn)行超聲波C掃描檢測(cè)，可直觀對(duì)比水壓試驗(yàn)前、后纏繞殼體的變化情況，為纏繞殼體的設(shè)計(jì)、制造工藝優(yōu)化及后續(xù)應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐數(shù)據(jù)。大量試驗(yàn)表明，超聲波C掃描成像檢測(cè)方法可用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞殼體內(nèi)部質(zhì)量的批量檢測(cè)。

1 邱哲明. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料與工藝[M]. 北京：宇航出版社，1995

Application of Ultrasonic C-scanning Technology for Carbon Fiber Winding Shell of Large Solid Rocket Motor

Zhou E Liu Kai Wang Xiaoyong Xiong Jianping

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432000)

This paper introduces a long-term practice of ultrasonic penetration method for C scanning imaging detection in the internal quality inspection of carbon fiber winding case of a large solid rocket motor with a large amount of data accumulation. It is proved that this method can effectively detect the internal delamination and debonding defects of the large-scale winding shell in the straight cylinder section. It is concluded that ultrasonic C-scanning technology can be used to detect and evaluate the internal quality of large-scale winding shell, which is beneficial to the design optimization and reliable use of large-scale winding shell.

penetration method；winding shell；internal quality

周娥（1989），碩士，儀器儀表工程專業(yè)；研究方向：無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用研究。

2018-09-12