基于錯位散斑干涉的固體推進劑包覆層脫粘缺陷檢測

周偉武，任志忠，周 杰

(江南工業(yè)集團有限公司，湖南 湘潭 411207)

固體火箭發(fā)動機在現(xiàn)代導彈武器系統(tǒng)中應用廣泛，為導彈安全可靠飛行提供動力支持。固體火箭發(fā)動機由裝藥、燃燒室、噴管和點火裝置等組成。固體火箭發(fā)動機工作期間無法停止，而推進劑作為發(fā)動機的能源，發(fā)動機裝藥的性能決定了發(fā)動機工作的使用安全性，因此在加工過程中需要對發(fā)動機裝藥的穩(wěn)定性及可靠性提出嚴格的要求，從而保證導彈等飛行器運行的安全可靠[1-2]。為了保證發(fā)動機裝藥的正常工作，必須要求推進劑與包覆層間貼合粘接緊密。如果兩者間出現(xiàn)一定面積大小的脫粘間隙，發(fā)動機工作時，燃氣可能進入脫粘間隙內(nèi)，發(fā)生躥火，導致推進劑包覆處暴露燃燒，引起推進劑燃面擴大；如果脫粘面在燃燒過程中發(fā)生擴展，在極短的時間內(nèi)裝藥燃燒面積大幅度増大，燃燒室壓力和壓力時間曲線將瞬間偏離設計狀態(tài)，燃燒室燃氣壓強急劇升高，如果偏離值過大，燃燒室將會燒穿甚至解體，導致出現(xiàn)故障甚至發(fā)生爆炸[3-4]。因此，必須對裝藥的包覆/推進劑界面粘接質量進行檢測，確保包覆界面不存在超出設計規(guī)定范圍的脫粘缺陷。

由于包覆層與推進劑需緊密結合，為了其整體結構完整性和使用性得以保證，只宜采取無損檢測的方式進行缺陷檢測。用于固體火箭發(fā)動機包覆界面粘接質量診斷的無損檢測方式有多種，如X射線、計算機層析成像(CT)、超聲、紅外熱成像[5-8]以及激光散斑[9]等技術。其中激光錯位散斑干涉技術具有全場性、非接觸、無污染、高精度和靈敏度、快速實時檢測等優(yōu)點[10-12]，因此相對于其他傳統(tǒng)常規(guī)無損檢測手段來說，該技術在針對復合材料的無損探傷方面具有獨特的優(yōu)勢且更加有效。為了直觀評估激光散斑干涉技術對于裝藥的包覆/推進劑界面脫粘缺陷的無損探傷效果，通過開展研究，針對具有脫粘缺陷的某型包覆推進劑，運用研發(fā)的S60-PLUS型激光散斑設備進行散斑干涉實驗。

1 實驗

本文制作的某型包覆推進劑為自由裝填式固體火箭發(fā)動機的裝藥部分，該發(fā)動機裝藥由起飛級推進劑、續(xù)航級推進劑和絕熱包覆層3部分組成。其中推進劑為改性雙基推進劑，包覆層采用改性三元乙丙橡膠制成包覆套筒，套筒內(nèi)壁與推進劑所需覆蓋的外表面涂粘接劑后，按包覆工藝進行包覆，最終制作某型包覆推進劑。裝藥的包覆層覆蓋在推進劑側面及上球頭面，覆蓋部分阻止推進劑燃燒以獲得特定推力，同時隔絕高溫燃氣擴散避免推進劑包覆部分提前燃燒以破壞推進劑燃燒規(guī)律，包覆層還具有保護固體推進劑避免機械效應損傷等作用。

本文使用S60-PLUS型號的激光散斑設備(見圖1)來進行包覆推進劑中脫粘缺陷的檢測。該設備的錯位散斑干涉光路示意圖如圖2所示，主要由激光器、激光擴束透鏡、包覆推進劑、旋轉平臺、升降探頭、邁克爾遜干涉儀、CCD照相機和計算機等部分組成。錯位散斑干涉技術是一種可以無損檢測物體變形表面離面位移導數(shù)的技術。對于內(nèi)部具有缺陷的復合材料，當材料受到外部載荷時，內(nèi)部缺陷位置的外表面會產(chǎn)生微小而不均勻的變形。利用錯位散斑干涉技術可以將這種不均勻的表面變形以蝴蝶狀干涉條紋的形式顯現(xiàn)出來，并利用計算機技術精確地測量缺陷的大小。根據(jù)圖2光路圖的結構，研制出S60-PLUS型號的激光散斑設備對包覆推進劑進行缺陷檢測。

圖1 S60-PLUS激光散斑設備

圖2 錯位散斑光路圖

2 結果和討論

在設備的旋轉平臺上順時針以120°間隔劃分出3個柱形扇面區(qū)域，同時將待測包覆推進劑以母線中點為界劃分為上下兩部分，每個部分以旋轉平臺的區(qū)域為基準劃分出3個柱形扇面區(qū)域，劃分完成后給每個區(qū)域賦予標號1～6。將劃分完成的包覆推進劑放入真空艙內(nèi)的旋轉平臺上，緊閉真空艙門，真空加載負壓至20 kPa±2 kPa開始檢測，篩選出明顯缺陷的散斑圖像。因為包覆推進劑被劃分成了6塊區(qū)域，所以需要利用旋轉平臺和升降探頭對6塊區(qū)域分別進行檢測，檢測出缺陷的圖像及時進行處理，測量缺陷大小。

檢測過程中得到了圖3所示的散斑圖像，從圖像中可以明顯地觀察出錯位散斑干涉特有的蝴蝶狀條紋圖，非常直觀地看到包覆推進劑內(nèi)部粘接缺陷的位置和大小。實驗的結果表明，錯位散斑干涉可以無損有效地檢測出包覆推進劑的脫粘缺陷，完全可以勝任實際工程要求。

圖3 散斑檢測結果圖

為了進一步表示錯位散斑干涉技術在檢測包覆推進劑脫粘缺陷的正確性和準確性，本文利用計算機層析成像(CT)技術做了對比實驗，錯位散斑檢測脫粘缺陷尺寸與計算機層析成像(CT)檢測缺陷尺寸基本相同，CT檢測的結果如圖4所示。

圖4 計算機層析成像(CT)檢測結果圖

在對包覆推進劑的脫粘缺陷的檢測過程中，剪切散斑干涉主要測量的是推進劑變形位移的一階導數(shù)，而推進劑的剛性位移并不會影響變形位移的一階導數(shù)，因此文中推進劑的旋轉不會影響測試的結果和精度。由于缺陷位置處應力集中，剪切散斑測量對于缺陷的分辨能力要優(yōu)于散斑測量，另外剪切散斑測量不需要參考光束，抗干擾能力強，對于測試環(huán)境隔振要求不高，可以滿足工程實際的應用。文中使用的S60-PLUS型號激光散斑設備，是完備的系統(tǒng)的集成化設備，不僅能滿足高校或科研院所的實驗使用要求，還可以滿足實際工程的需求。剪切散斑測量對激光器的相干性要求低，并且搭建的光路系統(tǒng)簡單，對于系統(tǒng)的調整和優(yōu)化容易實現(xiàn)。

脫粘缺陷檢測時，研究人員往往會利用其他無損檢測技術。紅外線熱成像是檢測復合材料脫粘缺陷時常用的一種方法，但是這種方法需要對材料進行加熱，時間較長，對檢測環(huán)境及操作要求高，且從安全角度出發(fā)，固體火箭發(fā)動機推進劑材料不宜加熱，不能滿足快速檢測需求；超聲檢測也是普遍使用的一種方法，這種方法需要接觸到被測材料，探頭需要添加耦合劑，造成工件污染的同時也將影響產(chǎn)品使用性能，降低測量精度。剪切散斑測量就可以避免上述方法帶來的影響，做到無接觸，實時快速精確地測量出包覆推進劑的缺陷位置，利用攝像機采集的圖像信息準確地找到研究人員需要的缺陷參數(shù)。

3 結語

本文利用S60-PLUS型號激光散斑設備對某型包覆推進劑進行了脫膠缺陷的檢測實驗。實驗結果顯示，錯位散斑干涉技術對包覆推進劑的脫膠缺陷檢測是一種非常有效的無損檢測方法。同時進行計算機層析成像(CT)技術的對比實驗，測試結果表明錯位散斑干涉技術可以更加快速準確地顯示缺陷位置，更能準確地測量出缺陷尺寸。