一種大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘缺陷的無損檢測(cè)方法①

白小平，王正安，屈文忠，魚 穎，羅 騰，安衛(wèi)軍

(1.西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司，西安 710025；2.武漢大學(xué) 工程力學(xué)系，武漢 430072)

0 引言

高溫、高壓、高速度、高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，需要建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，工藝的高質(zhì)量只能依靠無損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用予以發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)[1]，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是這方面最具代表性的產(chǎn)品之一，其燃燒室結(jié)構(gòu)通常由殼體、絕熱層、襯層、推進(jìn)劑、人工脫黏層組成，各粘結(jié)界面和推進(jìn)劑內(nèi)部質(zhì)量狀況是決定火箭飛行成敗的關(guān)鍵因素[2]。粘接失效是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的失效方式之一，粘接界面的失效模式及機(jī)理研究是評(píng)價(jià)和改善粘接界面質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較少[3]。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)各粘接界面中推進(jìn)劑/襯層界面活性組分多，化學(xué)物理過程復(fù)雜，粘接問題突出[4]，其出現(xiàn)弱粘接甚至界面脫粘，會(huì)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性和工作可靠性構(gòu)成威脅[5]，工作時(shí)極易發(fā)生躥火甚至爆炸事故[6]。由此可見，推進(jìn)劑/襯層粘接界面的好壞是決定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常工作的主要因素，其脫粘形成原因有襯層吸收水分的影響，有推進(jìn)劑、襯層及絕熱層間活性物質(zhì)遷移及反應(yīng)的影響，也有材料在粘接和貯存過程中粘接界面老化而引起的界面層變化，較為顯著的變化是力學(xué)性能和界面粘結(jié)性能[7]，長(zhǎng)期貯存時(shí)，由于藥柱自身重力的作用，藥柱蠕變產(chǎn)生過度變形，而發(fā)動(dòng)機(jī)殼體一般有足夠的剛度保持自身形狀，從而引起粘接界面脫粘[8]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射失敗的各類故障中，有多達(dá)1/3的事故出于粘接質(zhì)量[9]。有資料表明，固體發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)藥柱界面脫粘面積達(dá)到15 cm2，間隙達(dá)到0.38 mm時(shí)，脫粘處推進(jìn)劑燃燒時(shí)，可引起發(fā)動(dòng)機(jī)殼體燒穿，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸。因此，固體發(fā)動(dòng)機(jī)不允許在殼體、襯層和推進(jìn)劑三者之間各界面存在脫粘缺陷[10]。為此，固體發(fā)動(dòng)機(jī)在制造階段以及總裝后的整體產(chǎn)品服役貯存階段，需要定期跟蹤檢測(cè)掌握燃燒室各粘接界面的質(zhì)量信息。對(duì)于不同界面采用的無損檢測(cè)方法也不相同，殼體/絕熱層界面(也叫一界面)通常采用超聲波多次脈沖反射法進(jìn)行排查[11]，但該方法僅限于金屬殼體。對(duì)于非金屬殼體而言，由于非金屬材料具有異向性高、聲衰減大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特性，超聲探傷仍是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[12]。

對(duì)于推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面(也叫二界面)的檢測(cè)，早期僅能采用射線檢測(cè)排查。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行固體發(fā)動(dòng)機(jī)射線檢測(cè)及應(yīng)用研究[13]，尤其是對(duì)于直徑達(dá) 2 m以上的大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),一般使用能量在15 MeV以上的高能加速器進(jìn)行射線照相或工業(yè) CT(Computed Tomography,計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù))檢測(cè)[14]。國(guó)內(nèi)直到21世紀(jì)初,才相繼研制成功了以 9 MeV和15 MeV 高能直線加速器為射線源的工業(yè) CT 檢測(cè)系統(tǒng)[15]，可實(shí)現(xiàn)金屬殼體材料和非金屬殼體材料大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的檢測(cè)，通過燃燒室CT切片，準(zhǔn)確判斷推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面缺陷的性質(zhì)、位置、大小等信息。

近幾年，有提出采用掃頻超聲法進(jìn)行推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面檢測(cè)的可行性，但仍僅限于一定厚度的金屬殼體[16]。目前，大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體大部分為非金屬材料，僅能采用高能直線加速器和工業(yè) CT 進(jìn)行推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面粘接質(zhì)量檢測(cè)，但必須將已經(jīng)組裝的整體產(chǎn)品拆裝分解，再逐級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)至專門的射線工作場(chǎng)所，耗時(shí)費(fèi)力的同時(shí)，還存在較大的安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于非金屬殼體材料固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在服役貯存期間推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面的質(zhì)量排查，迫切需要一種能夠在產(chǎn)品服役貯存現(xiàn)場(chǎng)就能夠開展的野外機(jī)動(dòng)、高效便捷的無損檢測(cè)方法。

1 機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法系統(tǒng)組成及基本原理

機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法檢測(cè)系統(tǒng)主要由多通道高速數(shù)據(jù)采集器、轉(zhuǎn)換盒、PCB力錘、PZT傳感器(壓電主被動(dòng)傳感晶片)、電腦顯示器等組成。其機(jī)電阻抗法是一種公知技術(shù)，頻響函數(shù)法是一種數(shù)據(jù)處理方法，二者結(jié)合運(yùn)用目前沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)記載。固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘試驗(yàn)中，采用機(jī)電阻抗頻響函數(shù)方法，其原理如圖1所示[17]，利用力錘敲擊待測(cè)結(jié)構(gòu)表面給與脈沖狀的力，通過武漢大學(xué)研發(fā)的信號(hào)采集程序測(cè)得響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域波形，如圖2所示。通過Matlab程序制作各測(cè)點(diǎn)的界面頻率響應(yīng)曲線，以判定界面結(jié)構(gòu)是否完好。根據(jù)固有頻率公式：

式中ωn為第n階固有頻率；K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣。

圖1 機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法原理圖

當(dāng)界面結(jié)構(gòu)完好時(shí)，絕熱層/襯層/推進(jìn)劑之間緊密地粘接在一起，當(dāng)界面存在脫粘缺陷時(shí)，絕熱層/襯層/推進(jìn)劑之間會(huì)產(chǎn)生程度不同的分離，剛度矩陣和質(zhì)量矩陣發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)的阻抗和固有頻率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的固有頻率并分析其變化，可判斷界面結(jié)構(gòu)的脫粘損傷[18-19]。

圖2 力錘激勵(lì)信號(hào)采集程序采集的時(shí)域波形圖

2 試驗(yàn)過程

2.1 模擬試件試驗(yàn)

將固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥前的非金屬空殼進(jìn)行切割，模擬制作絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面完全分離狀態(tài)時(shí)的脫粘試件，在內(nèi)表面澆注假藥推進(jìn)劑，模擬制作界面結(jié)構(gòu)完好試件，如圖3和圖4所示。

圖3 空殼試件

圖4 模擬完好結(jié)構(gòu)的裝藥試件

將PZT傳感器粘貼在空殼試件與結(jié)構(gòu)完好試件的外表面，利用力錘在距離傳感器相同距離分別敲擊兩種試件，采集響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行頻響函數(shù)曲線的對(duì)比。圖5為兩種試件試驗(yàn)的頻響函數(shù)曲線。

圖5 模擬試件頻響函數(shù)曲線

由圖5可看到，結(jié)構(gòu)完好試件的頻響函數(shù)曲線(藍(lán)色)總體呈現(xiàn)較為平滑的拋物線狀，在相對(duì)低頻區(qū)(0～1000 Hz)出現(xiàn)2～3個(gè)較為平滑的小波峰。模擬脫粘的空殼試件頻響函數(shù)曲線(紅色)總體呈現(xiàn)為尖銳的鋸齒狀，波峰信息多而豐富，且從相對(duì)低頻區(qū)延伸至相對(duì)高頻區(qū)(約1000～3000 Hz)，兩者存在明顯差別。這是由于當(dāng)界面存在脫粘時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣較完整狀態(tài)時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生變化，表現(xiàn)為頻響函數(shù)曲線波峰增多，且向高頻段偏移，利用這種變化規(guī)律，采用機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法檢測(cè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面結(jié)構(gòu)脫粘存在可行性。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)封頭試驗(yàn)

以1臺(tái)殼體材料為非金屬?gòu)?fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭作為試驗(yàn)對(duì)象，如圖6所示。人脫分離面根部至裙根部區(qū)域可近似看作為結(jié)構(gòu)完好區(qū)域，人脫分離面根部至開口區(qū)域可近似看作為絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面脫粘區(qū)域，在兩個(gè)區(qū)域分別粘貼PZT傳感器，并采集頻響函數(shù)曲線。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)

圖7發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭人脫分離面根部?jī)?nèi)外兩個(gè)區(qū)域試驗(yàn)的頻響函數(shù)曲線?？煽闯觯Y(jié)構(gòu)完好區(qū)域的頻響函數(shù)曲線(藍(lán)色)呈現(xiàn)一條較為平滑的拋物線狀，在相對(duì)低頻區(qū)(0～1000 Hz)波峰較少且不明顯。界面脫粘區(qū)域頻響函數(shù)曲線(紅色)在低頻區(qū)波峰多而豐富，呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭頻響函數(shù)曲線

從發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭的頻響函數(shù)曲線和模擬試件的頻響函數(shù)曲線來看，二者結(jié)構(gòu)完好區(qū)域的頻響函數(shù)曲線(藍(lán)色)較為相似，均呈現(xiàn)一條較為平滑的拋物線狀。而界面脫粘區(qū)域的頻響函數(shù)曲線(紅色)差異較大，這可能與空殼試件尺寸、質(zhì)量以及有無絕熱層等因素有關(guān)，但二者在相對(duì)低頻區(qū)的頻響函數(shù)曲線存在相似性，均呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)筒體試驗(yàn)

2.3.1 PZT傳感器粘貼

以3臺(tái)殼體材料均為非金屬?gòu)?fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)作為筒體試驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)過射線檢測(cè)確認(rèn)，其中第1臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)筒體段絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面存在大面積的脫粘缺陷，將其編為Ⅰ號(hào)。第2臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體中段絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面存在一定面積的脫粘缺陷，將其編為Ⅱ號(hào)。第3臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面結(jié)構(gòu)完好，編為Ⅲ號(hào)。在Ⅰ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體中段脫粘中心部位粘貼PZT傳感器，在Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體中段脫粘中心部位及脫粘邊緣部位分別粘貼PZT傳感器，在Ⅲ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體中段結(jié)構(gòu)完好部位粘貼PZT傳感器，粘貼后如圖8所示。

圖8 PZT傳感器粘貼實(shí)物圖

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

利用力錘敲擊3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)距傳感器相同距離的殼體表面，采集響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行頻響函數(shù)曲線對(duì)比，為排除結(jié)果偶然性，每個(gè)傳感器敲擊并采集5次。

2.3.2.1 Ⅰ號(hào)大面積脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖9為Ⅰ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面大面積脫粘時(shí)的頻響函數(shù)曲線?？煽闯?，其呈現(xiàn)非常典型的鋸齒狀尖銳波形，在3000 Hz頻率范圍內(nèi)，波峰數(shù)量約在7～9個(gè)，這一點(diǎn)與前期空殼模擬試件的響函數(shù)曲線存在相似之處。

圖9 Ⅰ號(hào)筒體脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)的頻響函數(shù)曲線

2.3.2.2 Ⅱ號(hào)脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖10為Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面存在一定面積脫粘時(shí)脫粘中心的頻響函數(shù)曲線?？梢?，與Ⅰ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)相似，呈現(xiàn)非常典型的鋸齒狀尖銳波形，波峰數(shù)量也是約在7～9個(gè)，不同的是Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的頻響函數(shù)曲線波峰出現(xiàn)在約2000 Hz頻率范圍內(nèi)，間距較小，遞減的規(guī)律性更明顯，這可能是由于Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)脫粘面積較Ⅰ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)脫粘面積小的原因所導(dǎo)致的。

圖10 Ⅱ號(hào)筒體脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)的頻響函數(shù)曲線

2.3.2.3 Ⅲ號(hào)結(jié)構(gòu)完好發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖11為Ⅲ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面結(jié)構(gòu)完好時(shí)的頻響函數(shù)曲線?？煽闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完好時(shí)僅有1個(gè)主波峰，且非常平滑，與脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)的頻響函數(shù)曲線差別非常明顯。

圖11 Ⅲ號(hào)筒體結(jié)構(gòu)完好發(fā)動(dòng)機(jī)的頻響函數(shù)曲線

2.3.2.4 Ⅱ號(hào)脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)脫粘邊緣試驗(yàn)結(jié)果

圖12為Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體脫粘邊緣的頻響函數(shù)曲線。可看出，其既不同于脫粘發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)鋸齒狀曲線，也不同于完好發(fā)動(dòng)機(jī)的單個(gè)光滑曲線，而是兼具了兩種曲線的典型特征，具有一個(gè)非常大的主波峰曲線，在主波峰的相對(duì)低頻區(qū)(0～1000 Hz)存在多個(gè)鋸齒狀小波峰。

圖12 Ⅱ號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)筒體脫粘邊緣的頻響函數(shù)曲線

2.3.3 結(jié)果分析

通過發(fā)動(dòng)機(jī)筒體檢測(cè)試驗(yàn)可看出，當(dāng)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面結(jié)構(gòu)完好時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)頻響函數(shù)曲線僅有一個(gè)平滑的主波峰，最高幅值對(duì)應(yīng)在約1000 Hz處。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面出現(xiàn)脫粘時(shí)，頻響函數(shù)曲線在相對(duì)低頻區(qū)的波峰數(shù)量會(huì)急劇增加，出現(xiàn)非常典型的鋸齒狀波形，甚至?xí)由熘料鄬?duì)高頻區(qū)。

3 力錘敲擊影響分析

為分析力錘敲擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，建立了三維計(jì)算模型并開展計(jì)算。如圖13所示，當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)筒體中部施加50 N載荷時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力最大值出現(xiàn)在敲擊點(diǎn)處，其數(shù)值為0.089 6 MPa，此應(yīng)力水平不會(huì)對(duì)燃燒室造成影響。機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法輸入的脈沖激勵(lì)信號(hào)很小，操作規(guī)程中采用力錘敲擊發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊力要求小于10 N，如此小的沖擊載荷更不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不利影響。

圖13 殼體局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 應(yīng)用驗(yàn)證

采用機(jī)電阻抗頻響函數(shù)方法隨機(jī)對(duì)一批未知狀態(tài)的貯存產(chǎn)品筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行排查檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果通過工業(yè)CT進(jìn)行驗(yàn)證。圖14為采用機(jī)電阻抗頻響函數(shù)方法判定的筒體結(jié)構(gòu)完好的產(chǎn)品，其頻響函數(shù)曲線與前期筒體結(jié)構(gòu)完好的Ⅲ號(hào)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)非常一致，僅呈現(xiàn)一個(gè)平滑的主波峰，最高幅值對(duì)應(yīng)在約750 Hz處。圖15為該產(chǎn)品筒體結(jié)構(gòu)CT驗(yàn)證的圖像，可看出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)粘接良好、未見異常。

圖14 筒體結(jié)構(gòu)完好的頻響函數(shù)曲線

圖16為采用機(jī)電阻抗頻響函數(shù)方法識(shí)別的1臺(tái)筒體結(jié)構(gòu)異常的產(chǎn)品，其頻響函數(shù)曲線與前期Ⅱ號(hào)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)筒體脫粘邊緣的頻響函數(shù)曲線較為相似，在主波峰的相對(duì)低頻區(qū)出現(xiàn)了3個(gè)鋸齒狀小波峰，幅值對(duì)應(yīng)依次為345、745、1170 Hz。

圖15 筒體結(jié)構(gòu)完好的CT圖像

圖16 筒體脫粘的頻響函數(shù)曲線

圖17為該臺(tái)產(chǎn)品筒體結(jié)構(gòu)CT驗(yàn)證的圖像?？煽闯?，識(shí)別的結(jié)構(gòu)異常區(qū)域絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面存在明顯的脫粘。

圖17 脫粘部位的CT圖像

5 結(jié)論

機(jī)電阻抗頻響函數(shù)方法采用多通道高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備、壓電主被動(dòng)傳感晶片和激勵(lì)裝置等構(gòu)成固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，當(dāng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面結(jié)構(gòu)完好時(shí)，頻響函數(shù)曲線在相對(duì)低頻區(qū)(約0～1000 Hz)呈現(xiàn)較為平滑的拋物線狀，僅有一個(gè)明顯的主波峰；當(dāng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面出現(xiàn)脫粘缺陷時(shí)，頻響函數(shù)曲線的波峰信息會(huì)變的非常豐富，在相對(duì)低頻區(qū)的波峰數(shù)量明顯增加，呈現(xiàn)典型的鋸齒狀，甚至?xí)由熘料鄬?duì)高頻區(qū)(約1000～3000 Hz)。 機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法裝置便攜輕巧，通過該方法可以開展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面粘接質(zhì)量快速、便捷的野外機(jī)動(dòng)檢測(cè)，無需對(duì)多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解，尤其適用于已經(jīng)列裝的產(chǎn)品，在服役現(xiàn)場(chǎng)即可開展機(jī)電阻抗頻響函數(shù)法排查，對(duì)識(shí)別出缺陷的產(chǎn)品再進(jìn)行分解轉(zhuǎn)運(yùn)，通過射線檢測(cè)進(jìn)行缺陷位置、面積的最終確認(rèn)與質(zhì)量評(píng)估，從而能夠大幅提升服役產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的效率和問題產(chǎn)品排查的目的性。同時(shí)，傳感器晶片在不影響產(chǎn)品性能的情況下，可長(zhǎng)期予以保留，有利于進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面狀態(tài)長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)。