基于柔性傳感器的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)①

張松濤，金東暉，屈文忠，肖 黎，黃 凱

(武漢大學(xué) 工程力學(xué)系，武漢 430072)

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性具有重大意義，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)得到對(duì)結(jié)構(gòu)完整性準(zhǔn)確可靠的評(píng)估。2005年，Gregory Ruderman在一份關(guān)于美國空軍導(dǎo)彈健康管理報(bào)告中提出，固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)是一種具有定期監(jiān)測(cè)功能的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過嵌入力學(xué)、化學(xué)等監(jiān)測(cè)傳感器，能夠監(jiān)測(cè)與固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)力學(xué)、化學(xué)性能變化有關(guān)的參數(shù)，實(shí)時(shí)提供發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)[1]。通過發(fā)展固體儀器發(fā)動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估，為發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命預(yù)估提供大量的數(shù)據(jù)支持；通過掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)，進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性，提高發(fā)射的成功率。其中，固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)殼體/絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面的良好粘接是裝藥結(jié)構(gòu)完整性的保障，然而界面的粘接性能受到界面材料的差異、粘接工藝及環(huán)境條件等諸多因素的影響。在固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)中，由于推進(jìn)劑、襯層、絕熱層、殼體的熱膨脹系數(shù)相差較大，其中殼體的熱膨脹系數(shù)比推進(jìn)劑低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致降溫冷卻過程中界面受到推進(jìn)劑收縮引起的拉扯力，進(jìn)而使裝藥結(jié)構(gòu)各個(gè)界面在整個(gè)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生較高的界面正應(yīng)力；在裝藥結(jié)構(gòu)的端部區(qū)域還會(huì)存在剪切應(yīng)力分量。如今界面失效影響裝藥結(jié)構(gòu)性能的問題隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用日益增多，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)重要結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中，對(duì)界面力學(xué)性能的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，嵌入式柔性傳感器為裝藥結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力的實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)提供了可能，通過嵌入式傳感器實(shí)時(shí)反映界面狀態(tài)，同時(shí)獲得大量的傳感數(shù)據(jù)為界面力學(xué)性能研究提供數(shù)據(jù)支持。

國外學(xué)者針對(duì)嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)和表征結(jié)構(gòu)力學(xué)性能已經(jīng)做了許多相關(guān)研究[2-4]。2016年Giuseppe TUSSIWAND等研究人員通過在推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)中埋入應(yīng)變片式DBST(Dual Bond Stress and Temperature)傳感器，利用傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)而表征推進(jìn)劑的老化狀態(tài)，為裝藥結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。2015年，Craig Lopatin和Dan Grinstein提出一種基于磁感應(yīng)激勵(lì)和光纖傳感器的變形測(cè)量方法，利用主動(dòng)傳感技術(shù)表征相接觸材料的特性，并提出該方法用于檢測(cè)推進(jìn)劑老化的可能性[6]。Anhduong Q Le在2011年研究了兩種基于嵌入式傳感器徑向應(yīng)力讀數(shù)的脫粘檢測(cè)方法，得到了脫粘的面積大小與傳感器讀數(shù)之間的定量映射，通過傳感器輸出數(shù)據(jù)估計(jì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脫粘的程度[7]。

國內(nèi)利用嵌入式傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)研究方興未艾。2006年，火箭軍工程大學(xué)常新龍研究論證FBG 光纖傳感器應(yīng)用于復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可行性[8]，并于2018年將FBG傳感器埋入推進(jìn)劑/襯層界面進(jìn)行了粘接性能測(cè)試試驗(yàn)[9]。海軍航空工程學(xué)院董可海等于2013年設(shè)計(jì)了埋入界面應(yīng)力傳感器的粘接試件，研究并驗(yàn)證了嵌入式傳感器以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和選擇的膠粘劑的可行性，為嵌入式傳感器的研究提供技術(shù)支持[10]。

對(duì)于應(yīng)變片式DBST等粘接界面應(yīng)力傳感器，由于傳感器材料模量大于裝藥結(jié)構(gòu)界面材料模量，傳感器和界面不相容而影響界面的力學(xué)性能，且粘接界面應(yīng)力傳感器目前均用于界面正應(yīng)力的測(cè)量，而未涉及剪應(yīng)力的測(cè)量應(yīng)用。

本文提出一種基于低模量柔性傳感器的界面應(yīng)力測(cè)試方法，將柔性傳感器預(yù)先埋入裝藥結(jié)構(gòu)界面試件中，通過進(jìn)行扯離實(shí)驗(yàn)以及剪切拉伸實(shí)驗(yàn)，分別研究了柔性傳感器用于裝藥結(jié)構(gòu)界面正應(yīng)力和界面剪應(yīng)力監(jiān)測(cè)的可行性，驗(yàn)證了基于NI虛擬儀器系統(tǒng)和LabVIEW圖形化軟件的界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 柔性壓阻傳感器

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分由柔性傳感器、PXIe-4082數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。柔性傳感器如圖1所示。圖1中，1號(hào)柔性壓阻傳感器是一種薄膜聚合物傳感器，由導(dǎo)電介質(zhì)和柔性基底材料組成，有效區(qū)域?yàn)榘霃?.34 mm的圓，面積為169 mm2，厚度0.5 mm，測(cè)力最大能達(dá)到1000 N，具有高靈敏度和良好的穩(wěn)定性。

圖1 柔性傳感器Fig.1 Flexible sensors

式(1)[11]對(duì)壓阻材料的壓阻現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，傳感器的電阻變化主要是敏感區(qū)域的幾何變化以及壓阻材料之間隧道效應(yīng)的距離變化所致。

(1)

式中J為隧道電流密度；V為電勢(shì)差；e為電量；m為電子質(zhì)量；h為普朗克常數(shù)；d為壓阻材料之間的距離；λ為能量常數(shù)；A為隧道效應(yīng)發(fā)生的截面積。

由式(1)可知，隨著作用在壓阻傳感器表面的壓力增大，導(dǎo)電介質(zhì)材料間距d減小，其輸出電阻值R將相應(yīng)減小。因此，通過測(cè)量埋入界面試件的柔性壓阻傳感器的輸出電阻，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)界面正應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

1.2 柔性電容傳感器

圖1中，2號(hào)柔性電容傳感器由上下對(duì)稱的兩層保護(hù)層，兩塊電極層以及中間一層介電層組成，電極層長(zhǎng)30 mm，寬10 mm，厚0.5 mm，具有良好的線性度和高延伸性，拉伸應(yīng)變能達(dá)到100%，并仍保持良好的穩(wěn)定性。由于推進(jìn)劑/襯層/絕熱層等材料的粘彈特性，在冷卻固化等溫度變化過程中，材料將產(chǎn)生較大變形，適用于微應(yīng)變測(cè)量的常規(guī)應(yīng)變計(jì)無法滿足測(cè)試要求。

式(2)對(duì)平板電容器的電容大小進(jìn)行了解釋，傳感器的電容變化主要是兩塊電極層正對(duì)面積變化以及電極層間距變化所致。

C=εε0S/d

(2)

式中ε為相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；S為電極層的正對(duì)面積；d為電極層的間距。

由式(2)可知，隨著作用于上下電極層的剪切力增大，兩塊電極層正對(duì)面積S減小，導(dǎo)致傳感器輸出電容值C的減小。因此，通過測(cè)量埋入界面試件的柔性電容傳感器的輸出電容，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)界面剪應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)傳感器電阻電容數(shù)據(jù)的采集、顯示和儲(chǔ)存的目的，基于NI虛擬儀器系統(tǒng)和LabVIEW圖形化軟件開發(fā)并設(shè)計(jì)了固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集卡PXIe-4082開發(fā)LabVIEW應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)柔性傳感器的輸出電阻、輸出電容的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。軟件主要由三個(gè)模塊組成，分別是采集通道的配置、數(shù)據(jù)采集和顯示、數(shù)據(jù)文件自動(dòng)儲(chǔ)存。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板Fig.2 Monitoring system front panel

2 推進(jìn)劑/襯層界面正應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證柔性壓阻傳感器監(jiān)測(cè)界面正應(yīng)力的可行性，將壓阻傳感器嵌入圓形試件推進(jìn)劑/襯層界面，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)圓形試件在扯離過程中傳感器輸出電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合傳感器自身的標(biāo)定壓阻曲線，定量表征扯離過程圓形試件界面正應(yīng)力變化情況。

2.1 傳感器的標(biāo)定

柔性壓阻傳感器的壓阻特性受溫度、界面曲率、材料適應(yīng)性、材料差異性等因素影響較大，因而在嵌入界面前，為了測(cè)量并驗(yàn)證壓阻傳感器的壓阻性能，要對(duì)每一個(gè)傳感器在趨近于使用環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定，減小由于個(gè)體性的差異引入的實(shí)驗(yàn)誤差，確保實(shí)驗(yàn)中傳感器輸出電阻數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

本文利用BOSE壓力機(jī)(型號(hào)：1516DMW-100)對(duì)傳感器施加0～50 N的壓力荷載，根據(jù)傳感器的工作性能以及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，壓阻傳感器輸出電導(dǎo)率與施加的壓力呈線性關(guān)系，通過MATLAB在0～20 N范圍內(nèi)對(duì)輸出電導(dǎo)率進(jìn)行線性擬合得到傳感器在0～20 N荷載下的壓阻曲線如圖3所示。根據(jù)20～50 N的荷載大小對(duì)得到的壓阻曲線進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，利用壓阻傳感器0～20 N的壓阻關(guān)系線性外推應(yīng)用于扯離實(shí)驗(yàn)的正應(yīng)力量化計(jì)算中。由于傳感器標(biāo)定環(huán)境與試件內(nèi)受力環(huán)境不完全一致，實(shí)驗(yàn)值與真實(shí)值仍會(huì)存在一定誤差。

圖3 柔性壓阻傳感器擬合曲線Fig.3 Flexible piezoresistive sensor fitting curve

圖3中，曲線縱坐標(biāo)為電阻的倒數(shù)電導(dǎo)率G。在標(biāo)定過程中，隨著壓力的增大，電阻減小，電導(dǎo)率呈線性增大，電導(dǎo)率與壓力的函數(shù)關(guān)系如下式：

G=5.374 9×10-5F-7.660 1×10-5

(3)

2.2 圓形扯離試件制備

在粘接界面埋入傳感器，傳感器不能影響界面的正常工作和強(qiáng)度，同時(shí)傳感器埋入的位置要能準(zhǔn)確反映界面的力學(xué)特性。因此，參照GB 11211—1989 《硫化橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的測(cè)定 拉伸法》[12]制備了圓形扯離試件，實(shí)驗(yàn)將柔性壓阻傳感器埋入試件推進(jìn)劑/襯層界面。

按照工藝要求，準(zhǔn)備兩個(gè)貼有絕熱層的標(biāo)準(zhǔn)圓形金屬塊，直徑40 mm；利用銼刀對(duì)絕熱層表面進(jìn)行打磨處理使絕熱層與襯層貼合；打磨完成，于絕熱層表面均勻涂覆1 mm襯層；將壓阻傳感器粘貼于襯層表面，按壓使傳感器與襯層緊密貼合；最后進(jìn)行裝藥處理，并放置于工裝合模，此時(shí)外接萬用表測(cè)量試件中壓阻傳感器的輸出電阻值為149 Ω，確保傳感器嵌入界面后處于正常工作狀態(tài)，放入50 ℃恒溫烘箱進(jìn)行7 d固化。埋入柔性壓阻傳感器的圓形試件制備完成后，取出試件。圓形扯離試件制備過程如圖4所示。

(a) Embedding sensors

(b) Specimen curing圖4 圓形扯離試件制備Fig.4 Round tensile specimen preparation

2.3 扯離實(shí)驗(yàn)

利用MTS拉伸機(jī)控制位移施加荷載，持續(xù)對(duì)圓形試件扯離，最終達(dá)到破壞。扯離實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的全過程，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)柔性壓阻傳感器的輸出電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。實(shí)驗(yàn)裝置及破壞過程如圖5所示。

(a) Experiment device

(b) Undamaged state

(c) Damaged state圖5 扯離實(shí)驗(yàn)裝置及破壞過程Fig.5 Image of tensile experimental device and destruction process

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

拉伸機(jī)對(duì)圓形試件施加荷載過程中，荷載-位移曲線如圖6(a)所示。隨著扯離實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，荷載隨著位移的增大同步增大，位移達(dá)到0.338 2 mm時(shí)，荷載達(dá)到最大值608.8 N，圓形試件發(fā)生破壞。經(jīng)計(jì)算，試件的扯離強(qiáng)度為0.484 MPa。

(a) Load-displacement

(b) Output resistance-time

(c) Stress-time圖6 圓形試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.6 Round specimen experimental result curves

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序在扯離開始前運(yùn)行確保實(shí)現(xiàn)對(duì)扯離全過程的監(jiān)測(cè)，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的壓阻傳感器在扯離過程中的電阻數(shù)據(jù)，結(jié)合圖3標(biāo)定的壓阻曲線對(duì)界面正應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。圖6(b)為輸出電阻隨時(shí)間變化曲線，在0～31 s未拉伸時(shí)間內(nèi)，電阻傳感器于靜止未拉伸狀態(tài)的輸出電阻穩(wěn)定在374 Ω左右，零點(diǎn)漂移的最大值為5 Ω，遠(yuǎn)小于拉伸過程中輸出電阻3000 Ω的變化量級(jí)。因此，認(rèn)為壓阻傳感器的零點(diǎn)漂移問題對(duì)于扯離試件正應(yīng)力測(cè)試的影響很小，所測(cè)電阻變化仍能真實(shí)反映扯離過程正應(yīng)力的變化情況。隨著扯離的進(jìn)行，在31～154 s電阻由374 Ω逐漸增大至最大值3705 Ω，154 s后電阻值的下降是拉伸機(jī)在試件破壞后再次下降壓上柔性傳感器所致；圖6(c)為界面正應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，在0～31 s未拉伸期間界面正應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，應(yīng)力大小為0.408 5 MPa；在54～141 s的扯離過程中，界面正應(yīng)力緩慢減小至最小值，正應(yīng)力大小為0.029 7 MPa；在154 s圓形試件完全破壞。

圖6(c)在扯離過程中，前后半段正應(yīng)力下降速率差別明顯，分析原因?yàn)榍鞍攵螘r(shí)間拉伸機(jī)施加拉力導(dǎo)致工裝并固化后的試件中襯層/推進(jìn)劑界面的壓應(yīng)力逐漸減小，界面正應(yīng)力下降明顯；后半段時(shí)間拉伸機(jī)施加拉力，試件中襯層/推進(jìn)劑界面的壓應(yīng)力減小至零，由于推進(jìn)劑/襯層間的粘結(jié)強(qiáng)度的存在，施加的拉力不影響界面的粘結(jié)強(qiáng)度，但界面的粘接性能隨著扯離的進(jìn)行逐漸降低，直至破壞，因而后半段界面正應(yīng)力下降速率遠(yuǎn)低于前半段。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，圓形試件扯離強(qiáng)度不低于0.8 MPa，本文中扯離實(shí)驗(yàn)得到試件扯離強(qiáng)度為0.484 MPa。分析原因?yàn)?，在圓形試件的制備過程中，由于制備工藝的不完善導(dǎo)致圓形試件初始強(qiáng)度降低，扯離強(qiáng)度無法達(dá)到要求。需要深入完善裝藥結(jié)構(gòu)試件的制備過程，提高試件的制備工藝，如襯層的均勻化涂覆、傳感器與襯層/推進(jìn)劑的壓緊貼合、恒溫箱內(nèi)工裝固化等，提高試件的粘接強(qiáng)度以達(dá)到廠家的強(qiáng)度要求綜合以上扯離實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，埋入圓形試件推進(jìn)劑/襯層界面的柔性壓阻傳感器，能夠很好的感知同一界面的不同狀態(tài)，并定量的表征界面正應(yīng)力的變化情況。圓形試件推進(jìn)劑/襯層界面埋入柔性壓阻傳感器后，相較于殼體/襯層界面以及殼體、襯層、推進(jìn)劑材料的自身粘接強(qiáng)度，試件從嵌入柔性壓阻傳感器的推進(jìn)劑/襯層界面發(fā)生斷裂破壞，證明該界面的粘接強(qiáng)度最低；由于扯離強(qiáng)度低于廠家標(biāo)準(zhǔn)，說明嵌入傳感器后，導(dǎo)致推進(jìn)劑/襯層界面的粘接強(qiáng)度受到影響，有一定程度的降低。在以后的實(shí)驗(yàn)中，另外還需要提高試件的制備要求，進(jìn)一步提升嵌入式傳感器圓形試件的扯離強(qiáng)度。

3 界面剪應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證柔性電容傳感器監(jiān)測(cè)界面剪應(yīng)力的可行性，將電容傳感器嵌入矩形試件絕熱層/絕熱層界面，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)矩形試件在剪切過程中傳感器輸出電容進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定性表征剪切過程矩形試件界面剪應(yīng)力變化情況。

3.1 矩形剪切試件制備

參照GB/T 13936—1992 《硫化橡膠與金屬粘接拉伸剪切強(qiáng)度 測(cè)定方法》[13]制備了矩形剪切試件，剪切實(shí)驗(yàn)將柔性電容傳感器嵌入絕熱層/絕熱層界面。

按照工藝要求，準(zhǔn)備兩塊長(zhǎng)100 mm，寬25 mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形金屬片，兩塊相同大小的絕熱層，長(zhǎng)50 mm，寬22 mm，厚2 mm。為了使界面粘接緊密，分別對(duì)金屬片以及絕熱層進(jìn)行打磨。膠粘劑730-1∶730-2以1∶4.5的混合比例進(jìn)行混合，充分混合后，對(duì)打磨好的金屬片和絕熱層進(jìn)行粘接；于絕熱層表面貼上柔性應(yīng)變傳感器，利用730膠粘劑粘接絕熱層、傳感器、絕熱層，置于工裝壓實(shí)固化3 d。埋入柔性傳感器的矩形剪切試件制備完成，外接萬用表測(cè)量試件中傳感器的輸出電容值為300 pF，確保傳感器嵌入后處于正常工作狀態(tài)。矩形剪切試件如圖7所示。

(a) Embedding sensor

(b) Specimen curing圖7 矩形剪切試件制備Fig.7 Rectangular shear specimen preparation

3.2 剪切實(shí)驗(yàn)

利用MTS拉伸機(jī)控制位移施加荷載，持續(xù)對(duì)矩形剪切試件進(jìn)行剪切拉伸，最終試件發(fā)生破壞。剪切實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的全過程，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)柔性電容傳感器的輸出電容進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。實(shí)驗(yàn)裝置及試件破壞過程如圖8所示。

(a) Experiment device (b) Stretching process圖8 剪切實(shí)驗(yàn)裝置及破壞過程Fig.8 Image of shear experimental device and destruction process

(a) Load-displacement

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

拉伸機(jī)對(duì)矩形試件施加荷載過程中，荷載-位移曲線如圖9(a)所示。隨著剪切實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，荷載隨著位移的增大同步增大，位移達(dá)到2.188 mm時(shí)，荷載達(dá)到最大值428.4 N，矩形試件發(fā)生破壞。經(jīng)計(jì)算，試件的剪切強(qiáng)度為0.389 MPa。

(b) Output capacitance-time圖9 矩形試件實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Rectangular specimen experimental result curves

由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序?qū)崟r(shí)采集到的柔性電容傳感器在剪切拉伸過程中的電容數(shù)據(jù)，得到傳感器輸出電容隨測(cè)試時(shí)間變化曲線如圖9(b)所示。

由圖9(b)可知，在0～50 s未拉伸期間，電容傳感器于靜止未拉伸狀態(tài)輸出電容穩(wěn)定于298 pF，零點(diǎn)漂移的最大值0.2 pF，同樣小于拉伸過程中輸出電容2 pF的變化量級(jí)。因此，認(rèn)為電容傳感器的零點(diǎn)漂移問題對(duì)于剪切試件剪應(yīng)力監(jiān)測(cè)的影響較小，所測(cè)電容變化仍然能夠真實(shí)反映剪切過程中剪應(yīng)力的變化情況；運(yùn)行至50 s，電容值逐漸減小，減小的原因認(rèn)為是隨著剪切的進(jìn)行，絕熱層/絕熱層界面的剪應(yīng)力逐漸增大，電容傳感器上下電極層產(chǎn)生相對(duì)位移，正對(duì)面積減小導(dǎo)致輸出電容相應(yīng)減??；拉伸至70 s，電容穩(wěn)定于296 pF。在70 s，矩形剪切試件在絕熱層/絕熱層界面發(fā)生破壞。

綜上剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，埋入矩形試件絕熱層/絕熱層界面的柔性電容傳感器，能夠感知同一界面的不同粘接狀態(tài)，并定性的表征界面剪應(yīng)力的變化情況。矩形試件絕熱層/絕熱層界面埋入柔性電容傳感器后，相較于殼體/絕熱層界面的粘接強(qiáng)度，試件從嵌入柔性電容傳感器的絕熱層/絕熱層界面脫開并破壞，說明絕熱層/絕熱層界面的粘接強(qiáng)度在矩形試件中最低。根據(jù)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，矩形試件剪切強(qiáng)度不低于0.4 MPa，文中剪切拉伸試驗(yàn)得到試件剪切強(qiáng)度為 0.389 MPa。剪切強(qiáng)度略低于廠家標(biāo)準(zhǔn)，說明絕熱層/絕熱層界面強(qiáng)度在嵌入電容傳感器后降低，但受到的影響較小。在以后的實(shí)驗(yàn)中，需要進(jìn)一步提高試件的制備要求，提升嵌入式傳感器矩形試件的剪切強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文提出一種基于柔性傳感器的裝藥結(jié)構(gòu)試件界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，結(jié)合NI虛擬儀器系統(tǒng)和LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)設(shè)計(jì)界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了兩種柔性傳感器對(duì)于試件界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)的可行性，有以下結(jié)論及展望：

(1)設(shè)計(jì)并制備了裝藥結(jié)構(gòu)界面試件，基于柔性傳感器、NI虛擬儀器系統(tǒng)和LabVIEW圖形化編程軟件自主開發(fā)設(shè)計(jì)了一套裝藥結(jié)構(gòu)試件的界面應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)設(shè)計(jì)并開展扯離實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝藥結(jié)構(gòu)試件的界面應(yīng)力，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入推進(jìn)劑/襯層界面的柔性壓阻傳感器在扯離過程中輸出電阻隨界面正應(yīng)力減小而增大，結(jié)合標(biāo)定曲線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓形扯離試件界面正應(yīng)力的監(jiān)測(cè)和定量表征；嵌入絕熱層/絕熱層界面的柔性電容傳感器在剪切過程中輸出電容隨界面剪應(yīng)力增大而減小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形剪切試件界面剪應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)和定性表征。

本文只針對(duì)柔性傳感器監(jiān)測(cè)試件級(jí)界面應(yīng)力的可行性進(jìn)行了研究，裝藥結(jié)構(gòu)試件與實(shí)際固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)存在一定的差異，后續(xù)將繼續(xù)在本文的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)開展大量實(shí)驗(yàn)，研究溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素對(duì)嵌入式傳感器測(cè)試的影響，進(jìn)一步考察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)界面應(yīng)力進(jìn)行長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)的可靠性。在將來的工程應(yīng)用中，通過將柔性傳感器埋入固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)的襯層/推進(jìn)劑界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面應(yīng)力隨老化程度的變化情況，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)的壽命進(jìn)行初步的預(yù)測(cè)評(píng)估，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性研究有著重要參考意義。