人工脫粘層根部脫粘檢測及修復技術①

關 楨，陳永釗，鄧安華，曹勤峰，劉榮臻

(1.中國人民解放軍96630部隊，北京 102206；2.中國航天科工集團8610廠，宜昌 444299； 3.中國三江航天集團總部辦公室，武漢 430040)

0 引言

結構完整性是固體火箭發(fā)動機技術重要的研究課題之一，預防藥柱的裂紋與脫粘一直是固體火箭發(fā)動機研發(fā)人員的關注重點之一，人工脫粘結構技術有效解決了藥柱與內(nèi)絕熱層的脫粘問題[1]。人工脫粘的成敗在很大程度上取決于根部粘結的質(zhì)量。人工脫粘成型后，首先檢查其根部的粘結寬度及形式是否滿足設計要求，不得有漏粘。同時，要求脫層必須均勻脫開，不得粘連。因此，研究人工脫粘層根部的缺陷檢測及修復技術意義重大。田濟民等[2]提出了固體火箭發(fā)動機絕熱層及藥柱的可修復性，論述了界面脫粘和藥柱缺陷的危害性及修復缺陷的重要性，探討了界面脫粘和半脫粘修復，頭、尾端絕熱層脫粘修復等技術途徑。蘇昌銀等[3]根據(jù)復合推進劑界面特性，針對藥柱缺陷，采用界面化學反應修復，提出粘接模型，成功用于型號發(fā)動機推進劑內(nèi)部修復。

無損檢測技術是固體火箭發(fā)動機結構完整性和質(zhì)量檢驗的必要手段。工業(yè)CT影像易于識別和理解[4]，但檢測靈敏度低；X射線照相檢測靈敏度高，但影像是投影重疊的結果，不能定量缺陷沿射線方向的尺寸。本文將兩種檢測技術相互結合，研究人工脫粘層根部脫粘射線檢測與三維定位技術，并研發(fā)修復材料配方，設計定向定量遠距離大阻尼輸送修復材料的高壓活塞定量泵注裝置，以實現(xiàn)人工脫粘層根部脫粘的精確修復。

1 人工脫粘層根部脫粘檢測

綜合運用X射線照相和工業(yè)CT檢測方法，對某型號固體火箭發(fā)動機人工脫粘層根部脫粘進行檢測，完整、準確地確定缺陷三維位置和尺寸，為其精密修復提供準確的空間位置坐標。

1.1 X射線照相檢測

根據(jù)人工脫粘層根部結構特點，首先采用切向透照布置進行X射線照相檢測，透照參數(shù)如表1所示。

發(fā)動機人工脫粘層根部脫粘射線照相檢測影像如圖1所示，缺陷影像清晰，其位置、幾何形狀、光學密度分布等特征明顯。X射線照相檢測人工脫粘層根部脫粘檢測靈敏度非常高，優(yōu)于0.1 mm，準確定量缺陷軸向位置，但還不能定量缺陷沿圓周方向位置和弧長。

1.2 工業(yè)CT檢測

將發(fā)動機豎立安裝到工業(yè)CT轉臺，發(fā)動機軸線稍偏離轉臺中心，主要技術參數(shù)見表2。根據(jù)射線照相影像確定掃描位置，間隔10 mm，連續(xù)進行工業(yè)CT檢測，直到根部無脫粘。

發(fā)動機人工脫粘層根部脫粘工業(yè)CT檢測影像如圖2所示，缺陷影像清晰，其位置、幾何形狀、光學密度分布等特征明顯。工業(yè)CT對人工脫粘層根部脫粘的檢測靈敏度低于X射線照相，優(yōu)于0.4 mm，其優(yōu)點是不僅準確缺陷軸向定位，而且準確定量缺陷沿圓周方向位置和弧長。

表1 人工脫粘層根部X射線照相透照參數(shù)設置

表2 人工脫粘層根部工業(yè)CT檢測技術參數(shù)設置

圖1 人工脫粘層根部射線照相檢測影像

圖2 人工脫粘層根部脫粘工業(yè)CT檢測影像

2 人工脫粘層根部脫粘修復

2.1 總體技術要求

某型號人工脫粘層根部脫粘主要原因是底層、蓋層表面存在防粘粉。修復就是將異常脫開的底層和蓋層重新粘結，其總體技術要求如下：

(1)修復材料，不影響底層/蓋層粘結界面，各項性能滿足設計要求，與絕熱層相容且穩(wěn)定；

(2)修復技術，克服修復材料料漿粘度高、流動性差，脫層縫隙狹小，根部距離發(fā)動機開口遠(約1 000 mm)等難題，定向定量輸送，并保證脫層自由伸展、不粘連、結構完整；

(3)可操作性強和可靠性高，鑒于修復過程不可逆，修復技術應可行、可靠，修復無遺漏。

2.2 修復材料

2.2.1 修復材料配方

經(jīng)優(yōu)化的修復材料配方的基本配比見表3。該配方料漿常溫條件下失去流動性時間約為8 d，完全固化時間為20 d。

表3 修復材料基本配方

2.2.2 修復材料性能

修復材料與人工脫粘結構的底層、蓋層不發(fā)生異化反應，各項技術指標滿足人工脫粘底層和蓋層粘結性能要求。各項技術性能指標要求及實測性能如表4所示。

2.3 根部脫粘修復技術

某型號發(fā)動機人工脫粘層根部距離開口的母線距離約為1 000 mm，脫粘深度50～100 mm。修復的目的就是將這深度范圍50～100 mm的脫粘的底層和蓋層重新粘結起來，并保留設計規(guī)定的人工脫粘結構自由伸張界面不得被粘結。

該型號發(fā)動機人工脫粘結構的縫隙異常狹窄，而底層和蓋層表面粗糙，影響修復材料在其上的流動，從開口處直接灌注修復材料料漿，難于使料漿注入脫粘的部位，且將人工脫粘自由伸展界面粘結住。將1 000 mm遠處寬度小于0.1 mm的脫粘縫隙粘結起來，并保持原人工脫粘的結構不被粘結，需專門研究修復裝備和適用的修復技術。

表4 修復材料技術性能指標要求及實測結果

注： 1)采用0.5 mm間隙的玻璃板縫隙豎立進行流動性測試，72 h流動深度為252 mm。

2.3.1 高壓活塞泵注裝置

研制了專用手動高壓活塞泵注裝置，實現(xiàn)了定量定向輸送修復材料，加壓范圍為15～30 MPa，定量精度可達0.1g左右。

在母線方向，該裝置可深入至人工脫粘層根部設計位置±10 mm范圍，在圓周方向，可準確定位。該裝置對人工脫粘層根部的自由伸展界面無破壞，輸送修復材料，不粘連底層和蓋層，保證人工脫粘層自由狀態(tài)。

2.3.2 修復工藝流程及其質(zhì)量控制

修復工藝流程：

(1)發(fā)動機檢測與修復安裝。發(fā)動機豎立于工業(yè)CT轉臺，修復部位的開口向上；搭建空中平臺，方便修復操作。

(2)確定修復順序、材料用量。依據(jù)脫粘具體情況，按照先深后淺原則確定修復順序。依據(jù)工業(yè)CT檢測數(shù)據(jù)估計修復部位的脫粘縫隙容積，確定修復材料用量。

(3)檢測定位。高壓活塞泵注裝置至脫粘部位上方后，工業(yè)CT檢測定位。

(4)泵注修復。修復材料泵注到脫粘缺陷部位，在重力作用下填充脫粘縫隙，固化后，將脫開的底層和蓋層粘結。

質(zhì)量控制措施：

(1)控制材料泵注速度和泵注量。先深后淺、多次遞進修復，保證人工脫粘自由伸展界面無粘結，修復范圍無空氣栓塞。

(2)工業(yè)CT在線檢測。修復過程中每一次泵注修復材料后，均進行工業(yè)CT檢測，確認脫粘縫隙完全被灌實。

(3)隨機測試修復材料的粘結性能和力學性能。每次配制修復材料，均制作制作粘結性能和力學性能隨機試件，試件固化條件與泵注到發(fā)動機內(nèi)部的修復材料條件固化相同。

3 結果與分析

3.1 修復結果

某型號固體火箭發(fā)動機人工脫粘層根部射線檢測，發(fā)現(xiàn)了人工脫粘層根部脫粘的批次性質(zhì)量問題，脫粘深度在50～100 mm范圍，應用本技術進行了修復。

修復完成后，某發(fā)動機人工脫粘層根部工業(yè)CT檢測影像如圖3所示，原脫開的蓋層與底層已經(jīng)粘結為一體。

修復完成20 d后，某發(fā)動機人工脫粘層根部射線照相檢測影像如圖4所示，原脫開的蓋層與底層已經(jīng)粘結為一體。

圖3 人工脫粘層根部脫粘修復后工業(yè)CT檢測影像

圖4 人工脫粘層根部脫粘修復后射線照相檢測影像

3.2 試驗考核

批次性修復工作完成后，抽取2臺產(chǎn)品進行溫度試驗、運輸試驗，射線檢測，修復的根部無脫粘；隨后，進行地面靜止試驗，試驗獲得圓滿成功；試驗后，解剖修復位置，原脫開的縫隙已經(jīng)被修復材料粘結，燃氣未侵入。隨機抽取1臺產(chǎn)品進行飛行試驗，試驗獲得圓滿成功。

經(jīng)過全面的試驗考核，檢驗了本技術的可靠性。

3.3 技術分析

3.3.1 修復材料配方選擇

修復材料配方的選擇應基于如下考慮：與人工脫粘層根部的底層、蓋層具有良好的相容性，不影響原完好的粘結界面；與底層、蓋層材料的粘結性能優(yōu)異，工藝流動性好，失去流動性時間周期長且可調(diào)，固化周期長，且常溫下能夠固化。

3.3.2 應事先確定修復路徑

根據(jù)工業(yè)CT檢測影像，由開口沿殼體母線到修

復部位確定修復路徑，嚴格按修復路徑進行修復，修復路徑工業(yè)CT檢測確認。

3.3.3 泵注速度控制

通過試驗，調(diào)整手動高壓活塞泵注速度，控制泵注2次/min，保證泵注的修復材料在人工脫粘層內(nèi)不淤積阻塞，或不沿擴散到非修復部位。

3.3.4 注入量確定

控制手動高壓活塞泵注裝置的單次注入量小于1.0 ml，便于每次注入的修復材料料漿快速流動，填充到需修復的缺陷部位。

3.3.5 在線檢測

在每個部位多次遞進修復的過程中，每次修復前后均進行工業(yè)CT檢測，確認修復路徑的準確性，確認修復過程中泵注的修復材料填充到了該修復的缺陷位置。

4 結論

(1)提出了人工脫粘層根部脫粘高靈敏度檢測和準確定位方法；針對須保留人工脫粘自由伸展界面、脫粘縫隙狹小、脫粘距開口距離遠、修復材料黏度高、底層和蓋層表面粗糙等情況，提出了人工脫粘層根部脫粘的一種精準修復方法，已成功用于某型號固體火箭發(fā)動機批次性前人工脫粘層根部脫粘的修復，通過系列試驗考核。

(2)通過引入X射線檢測技術指導缺陷修復，實現(xiàn)了固體火箭發(fā)動機內(nèi)部缺陷修復過程的可視化。文中方法可對固體火箭發(fā)動機制造、儲存過程缺陷的檢測和修復提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1] 范同起,陳繼周.復合固體推進劑(導彈與航天叢書)[M].北京:宇航出版社,1994.

[2] 田濟民,王秀珍.固體火箭發(fā)動機絕熱層及藥柱的可修復性[R].航天科技集團公司四院情報研究報告(第8集),1999:84-88.

[3] 蘇昌銀,張愛科.復合固體推進劑整機修復技術[J].航天工藝,1997(5):10-13.

[4] 劉榮臻.固體火箭發(fā)動機工業(yè)CT檢測技術[J].戰(zhàn)術導彈技術,2008(5):92-96.