基于標(biāo)樣比對(duì)測(cè)試的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)CT檢測(cè)工藝

王正安 劉 賓 華俊偉

（西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司，西安 710025）

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無損檢測(cè)技術(shù)是固體火箭總體高可靠性的核心保障技術(shù)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室各粘接界面和推進(jìn)劑內(nèi)部的質(zhì)量狀況是決定火箭飛行成敗的關(guān)鍵因素，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中準(zhǔn)確可靠地定量檢測(cè)出粘接界面的脫粘及推進(jìn)劑內(nèi)部的氣孔、裂紋、夾雜等缺陷對(duì)保證火箭的發(fā)射成功意義重大［1］。

采用傳統(tǒng)射線照相法檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)只能得到發(fā)動(dòng)機(jī)的二維投影圖像，缺陷的形狀、位置與大小只能進(jìn)行近似測(cè)算。而工業(yè)CT 檢測(cè)可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)斷層的二維灰度重建圖像，實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位與定量。CT的使用可大幅提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部缺陷的發(fā)現(xiàn)和定性、定量能力，對(duì)指導(dǎo)裝藥工藝改進(jìn)、提升固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平具有重要意義［2］。

美國是應(yīng)用CT檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最早的國家，ARACOR公司研制的15 MeV工業(yè)CT系統(tǒng)，用于“民兵”、“三叉戟”等型號(hào)的大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)［3］，但其相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)無法查詢到，目前，國外公開的CT相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括美國ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)E1695—1995《計(jì)算機(jī)層析成像（CT）系統(tǒng)性能測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM E1672—1995《計(jì)算機(jī)層析成像（CT）系統(tǒng)選擇的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》。前者主要規(guī)定了CT系統(tǒng)空間分辨力和密度分辨力的測(cè)試方法，后者主要規(guī)定了對(duì)CT成像系統(tǒng)的選用原則，兩份標(biāo)準(zhǔn)皆不涉及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)方法。

隨著國內(nèi)首臺(tái)大型直線加速器工業(yè)CT 系統(tǒng)在西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司完成安裝調(diào)試，突破國外技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)高能直線加速器工業(yè)CT 系統(tǒng)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)CT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)成為必然。

本文通過預(yù)置不同類型的缺陷來設(shè)計(jì)制作標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)，使用工業(yè)CT系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。對(duì)已經(jīng)利用射線照相確定存在缺陷的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行CT檢測(cè)和解剖試驗(yàn)，確定工業(yè)CT系統(tǒng)檢測(cè)各類型缺陷的能力。

1 標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

研究工作的總體流程如圖1 所示。通過模擬脫粘缺陷和推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷來設(shè)計(jì)制作標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，開展標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)CT 檢測(cè)的基本參數(shù)和方法，從而建立檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工業(yè)CT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)建立流程圖Fig.1 Flow chart of industrial CT detection standard establishment for solid rocket motor combustion chamber

在無損檢測(cè)過程中，通常需要設(shè)計(jì)與檢測(cè)對(duì)象相同或相近的標(biāo)準(zhǔn)樣件，作為檢驗(yàn)設(shè)備性能、調(diào)整設(shè)置參數(shù)、對(duì)比判斷缺陷的依據(jù)［4］。標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊的假藥發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊模擬界面脫粘缺陷及推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷，用于測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)是否滿足要求，測(cè)試切片的掃描重建時(shí)間、掃描場(chǎng)范圍、尺寸測(cè)量精度和角度定位精度等，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各類缺陷的實(shí)際檢測(cè)能力，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自校準(zhǔn)。遇到復(fù)雜疑難影像難以評(píng)判時(shí)，可通過標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)影像進(jìn)行對(duì)比判讀，確保評(píng)判的準(zhǔn)確性。這些是測(cè)試設(shè)備功能、檢測(cè)精度和缺陷識(shí)別能力所必須的，是確定探傷參數(shù)和制訂檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由外向內(nèi)依次為殼體、絕熱層、人工脫粘層、襯層、推進(jìn)劑，還包括人工脫粘層根部鼓包等構(gòu)件，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)各類型缺陷準(zhǔn)確識(shí)別的研究目標(biāo)，必須設(shè)計(jì)制作標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)［5］。

圖2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of combustion chamber for solid rocket motor

研究人員選擇具有代表性的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，按內(nèi)絕熱的工藝順序，將模擬界面脫粘缺陷標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊分別粘貼在殼體和絕熱層界面、絕熱層內(nèi)部和絕熱層、襯層和推進(jìn)劑界面；在裝藥工序前將模擬藥柱內(nèi)部缺陷標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊預(yù)置在推進(jìn)劑內(nèi)指定位置。

由于各型缺陷的分布具有一定的規(guī)律性，不同檢測(cè)部位的檢測(cè)靈敏度存在一定的差異，所以在標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)的制作中，需根據(jù)具體情況對(duì)各類型缺陷的分布位置和缺陷的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣孔、夾雜和裂紋類型的缺陷的尺寸與射線的透照厚度緊密相關(guān)，因此這類缺陷的分布需考慮不同的射線透照厚度以及CT環(huán)狀偽影的影響，總體分布見圖3。

圖3 標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體缺陷布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of general defect arrangement for standard sample solid rocket motor

標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)模擬缺陷的規(guī)格一般應(yīng)滿足檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)能力和型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室對(duì)最小檢出缺陷的設(shè)計(jì)要求。

1.1 模擬脫粘缺陷的設(shè)計(jì)

最為理想的模擬脫粘缺陷在CT 檢測(cè)時(shí)，其影像應(yīng)盡量接近自然脫粘缺陷，由于絕熱層為彈性材料，在其內(nèi)部制造尺寸精確的人工缺陷較為困難，能夠被精確加工的正密度材料的使用很好地解決了上述問題。正密度材料是一種模擬界面脫粘空氣層的材料，正密度材料與絕熱層材料的底片襯度和絕熱層材料與空氣層的底片襯度大致相同。因?yàn)闃?biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)中設(shè)置的脫粘模擬是一種“正密度缺陷”（缺陷本身的密度大于母材的密度），而普通發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)的自然脫粘缺陷是空氣間隙，即“負(fù)密度缺陷”。所以在CT 檢測(cè)影像中，只要能識(shí)別出正密度材料，亦可識(shí)別出同樣尺寸的脫粘缺陷。

1.2 模擬推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷的設(shè)計(jì)

由于標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱是一次澆注成型，直接在藥柱內(nèi)部加工氣孔、裂紋和夾雜等缺陷工藝上無法實(shí)現(xiàn)，因此需要選擇密度和衰減系數(shù)接近推進(jìn)劑，且剛性較強(qiáng)易于機(jī)械加工成型的材料作為缺陷的載體。采用了與固體推進(jìn)劑吸收系數(shù)相近的合金材料加工一系列孔和狹縫，模擬推進(jìn)劑內(nèi)部的氣孔和裂紋缺陷。用不同密度的材料放置在不同尺寸的孔洞中模擬推進(jìn)劑內(nèi)部的夾雜缺陷。

2 標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

在標(biāo)樣固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，開展標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)CT 檢測(cè)試驗(yàn)，通過對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊的檢測(cè)、判定、測(cè)量，評(píng)估標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)的制作質(zhì)量，確定直線加速器工業(yè)CT對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各型缺陷的發(fā)現(xiàn)判定能力和定位定量能力。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，對(duì)各種缺陷尺寸的測(cè)量均采用“半高寬”法進(jìn)行。

以照相檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)并判定缺陷的燃燒室作為試驗(yàn)件，進(jìn)行實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)，用照相檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)積累的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)對(duì)CT圖像中缺陷影像的認(rèn)定。通過對(duì)缺陷影像灰度、形狀、尺寸、位置等特征數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過檢測(cè)試驗(yàn)確定的各型缺陷的發(fā)現(xiàn)判定能力和定位定量能力。使用以下設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行掃描：射線源能量為15 MeV；采用線陣列探測(cè)器；重建場(chǎng)半徑為1 m；重建矩陣為4 096×4 096。

2.1 標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 模擬脫粘缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部正密度材料模擬脫粘缺陷的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊開展CT 檢測(cè)試驗(yàn)，判定模擬脫粘缺陷影像，并進(jìn)行定位、定量測(cè)量。標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層和絕熱層界面模擬脫粘缺陷CT檢測(cè)如圖4所示。模擬脫粘缺陷CT影像測(cè)量值與設(shè)計(jì)值對(duì)比見表1。

圖4 標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層及界面正密度材料模擬脫粘缺陷CT檢測(cè)圖Fig.4 CT picture of simulating debonding defects with normal density material at the interface between thermal insulation layer and thermal insulation layer of motor

表1 模擬脫粘缺陷CT檢測(cè)結(jié)果Tab.1 CT test result of simulating debonding defects

對(duì)比標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)文件，檢測(cè)誤差滿足發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)工藝要求，脫粘模擬缺陷的發(fā)現(xiàn)、判定能力是：最小可分辨20 mm×20 mm、0.4 mm的模擬脫粘缺陷。

2.1.2 推進(jìn)劑內(nèi)部模擬缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑內(nèi)部模擬氣孔、夾雜、裂紋缺陷的合金標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊開展CT 檢測(cè)試驗(yàn)，并進(jìn)行定量測(cè)量（圖5）。模擬推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷CT 影像測(cè)量值與設(shè)計(jì)值對(duì)比見表2。

圖5 標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部模擬缺陷CT檢測(cè)圖Fig.5 CT test picture of simulating defects inside standard sample solid rocket motor

表2 推進(jìn)劑內(nèi)部模擬缺陷CT檢測(cè)結(jié)果Tab.2 CT test result of simulating defects inside propellant

對(duì)比標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)文件，檢測(cè)誤差滿足發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)工藝要求，推進(jìn)劑內(nèi)部模擬缺陷的發(fā)現(xiàn)、判定能力是：最小可分辨直徑5 mm 氣孔；最小可分辨0.4 mm寬度裂紋；最小可分辨直徑5 mm夾雜。

2.2 標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試塊的檢測(cè)、判定、測(cè)量，確定了直線加速器工業(yè)CT 對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各型缺陷的發(fā)現(xiàn)判定能力、定位定量能力。通過對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部人工制作的空氣間隙、包裝材料、襯層片等的檢測(cè)和判定，為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)影像的準(zhǔn)確定性提供了對(duì)比依據(jù)。標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制作完全滿足研究需要。技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況對(duì)比如表3所示。

表3 技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況Tab.3 Realization of technical indicators

2.3 實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)

以照相檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)并判定缺陷的燃燒室作為試驗(yàn)件，進(jìn)行CT 檢測(cè)，用照相檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)CT 檢測(cè)積累的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)對(duì)CT 圖像中缺陷影像的認(rèn)定。通過對(duì)缺陷影像灰度、形狀、尺寸、位置等特征數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)CT 檢測(cè)試驗(yàn)確定的內(nèi)部各型缺陷的發(fā)現(xiàn)判定能力和定位定量能力。

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的襯層和推進(jìn)劑界面脫粘缺陷進(jìn)行了照相與CT 檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)脫粘缺陷進(jìn)行了解剖取樣，證實(shí)了對(duì)缺陷的判定。照相、CT檢測(cè)結(jié)果與解剖結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室后開口肩部的氣孔缺陷進(jìn)行了照相與CT 檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)氣孔缺陷進(jìn)行了挖藥取樣，證實(shí)了對(duì)缺陷的判定。氣孔缺陷照相與CT檢測(cè)對(duì)比如圖7所示。

圖6 照相檢測(cè)、CT檢測(cè)與解剖對(duì)比圖Fig.6 Contrast pictures of photographic test，CT test and anatomy

圖7 氣孔缺陷照相與CT檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Result of photographic test and CT test result for blowhole defects

2.3.2 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過與照相檢測(cè)結(jié)果對(duì)比和挖藥取樣驗(yàn)證，驗(yàn)證了直線加速器工業(yè)CT 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)缺陷的檢測(cè)能力，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 工藝流程和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定

通過標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的CT 檢測(cè)試驗(yàn)，積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工藝經(jīng)驗(yàn)，可以確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CT 檢測(cè)的工藝參數(shù)、工藝流程（圖8）；通過對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有代表性的結(jié)構(gòu)和缺陷特征的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脫粘和氣孔、裂紋、夾雜缺陷的定性識(shí)別與定量分析。

圖8 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)工藝流程Fig.8 CT inspection process of solid rocket motor

在總結(jié)研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員認(rèn)為建立固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高能X射線CT探傷標(biāo)準(zhǔn)的條件已經(jīng)基本成熟，于2013 年1 月完成了中國航天科技集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工業(yè)CT 檢測(cè)方法》（Q/QJA 114—2013）［6］的發(fā)布，目前已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)。

4 結(jié)論

采用預(yù)置在固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面的正密度材料作為模擬界面脫粘缺陷和在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部加工合金試塊作為模擬藥柱內(nèi)部缺陷解決了發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷無法定量加工的難題。通過對(duì)標(biāo)樣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，確定工業(yè)CT 系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力：脫粘面積20 mm×20 mm，寬度0.4 mm，氣孔和夾雜直徑5 mm，裂紋寬度0.4 mm；再結(jié)合實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)及解剖取樣驗(yàn)證，掌握了缺陷影像特征，總結(jié)出工業(yè)CT 檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝流程，建立了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。