網(wǎng)格裙皮囊內(nèi)壓試驗防護技術(shù)

田振宇，翟 曉，田曉娟

（中國航天科技集團公司第四研究院四〇一所，陜西 西安 710025）

內(nèi)壓試驗是對一個密閉試驗件內(nèi)部采用氣壓或水壓的方式進行充壓，使試驗件獲得從內(nèi)向外膨脹的壓力載荷，在固體火箭發(fā)動機領(lǐng)導(dǎo)、發(fā)動機為飛行狀態(tài)時因藥柱燃燒會使發(fā)動機內(nèi)部承受穩(wěn)定的內(nèi)壓載荷，所以內(nèi)壓載荷是考核固體火箭發(fā)動機的一項基礎(chǔ)性能。

近年來，內(nèi)壓試驗技術(shù)獲得迅速發(fā)展，在科研、工業(yè)生產(chǎn)、安全檢查等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在軍事領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著發(fā)動機研制技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)壓試驗技術(shù)已被用于多種型號發(fā)動機燃燒室殼體的試驗中，同時發(fā)動機級間段也需承受一定量的內(nèi)壓載荷，不同于發(fā)動機殼體，級間段無法完全密封，所以無法采用傳統(tǒng)的水壓或氣壓直接充壓的方式進行加載，需采用氣球原理制造一個密閉的容器進行充壓，通過壓力傳遞的方式獲得內(nèi)壓載荷[1]。

固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體的內(nèi)壓試驗是考核發(fā)動機殼體承受內(nèi)壓載荷能力、捕捉殼體內(nèi)壓臨界失穩(wěn)載荷所進行的試驗。其主要目的是考核發(fā)動機殼體在內(nèi)壓載荷作用下的工作可靠性，是發(fā)動機穩(wěn)定飛行的必要條件，只有殼體可承受固定量的內(nèi)壓載荷，發(fā)動機在飛行時才不會因為內(nèi)壓過大而發(fā)生爆炸，發(fā)動機飛行才可成功；同時獲得發(fā)動機殼體在內(nèi)壓載荷作用下主要部位的應(yīng)變、應(yīng)力分布情況，得知發(fā)動機各個環(huán)節(jié)的設(shè)計情況，找到發(fā)動機薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計單位提供真實、可靠、有效的試驗數(shù)據(jù)，針對薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計單位可進行局部加強或優(yōu)化設(shè)計，增大發(fā)動機的推沖比，為固體火箭發(fā)動機的研制打下堅實的基礎(chǔ)。

皮囊內(nèi)壓試驗方法是根據(jù)試驗件的形狀和試驗內(nèi)壓的大小設(shè)計一個承壓裝置，承壓裝置本身起外壓承載的作用，在承壓裝置內(nèi)放置一個內(nèi)徑略大于試驗件外徑的橡皮囊，橡皮囊在承壓裝置和試驗件之間，形成一個封閉的環(huán)境，橡皮囊與承壓裝置連接，形成一個可充壓的密閉空間，通過給橡皮囊加壓，橡皮囊會發(fā)生膨脹，當(dāng)膨脹到試驗件內(nèi)表面時，無法再膨脹，繼續(xù)給橡皮囊內(nèi)充壓，因空間已全部填滿，所以試驗件會受到一個內(nèi)部膨脹載荷，從而獲得試驗件內(nèi)壓載荷，橡皮囊主要起傳遞內(nèi)壓的作用。該方法克服了傳統(tǒng)內(nèi)壓試驗方法的全部缺點，還能靈活進行試驗件局部內(nèi)壓，獲得一些特殊部位的局部內(nèi)壓沖擊載荷。

1 提出問題

隨著試驗技術(shù)的發(fā)展，越來越多的內(nèi)壓試驗采用皮囊加壓試驗方法，尤其是一些具有特殊結(jié)構(gòu)，試驗件無法完全密封，或真實工況下產(chǎn)品表面需要多截面的內(nèi)壓載荷，皮囊加壓試驗方法具有內(nèi)壓可控、試驗方便、工裝設(shè)計簡單、不附加多余載荷等優(yōu)點，大多用于試驗件的多截面加載。

皮囊外壓試驗一般為復(fù)雜結(jié)構(gòu)試驗件或一些特殊要求試驗件進行壓力試驗時的選擇，以往進行皮囊壓力試驗時，一般考慮采用為外部加壓內(nèi)部測試或內(nèi)部加壓外部測試的方法進行數(shù)據(jù)測量。

一般情況下皮囊與試驗件表面應(yīng)較光滑，皮囊為橡膠結(jié)構(gòu)，容易被鋒利的棱角所割裂，尤其是當(dāng)皮囊受到壓力時更加容易被破壞，若試驗件表面出現(xiàn)突起或棱角，或者試驗件承載邊緣較為鋒利，則會對皮囊造成一定的影響，鋒利的棱角在進行壓力試驗時則會直接割裂皮囊，使皮囊漏氣或漏水，最終導(dǎo)致試驗失敗。

皮囊本身是橡膠結(jié)構(gòu)，具有較強張力，承壓裝置與試驗件之間間隙一般較小，在正常狀態(tài)下皮囊下端較重，會沉積在承壓裝置下端，安裝前一般會做抽真空處理，但即使抽真空安裝時也會摩擦試驗件表面，如不防護試驗件表面貼的應(yīng)變片，裝配時應(yīng)變片會大面積被破壞。

同時網(wǎng)格裙發(fā)動機是一種具有特殊表面結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，網(wǎng)格裙以骨架為支撐，表面覆蓋蒙皮，以減小發(fā)動機厚度及質(zhì)量，但骨架為突起結(jié)構(gòu)，類似飛機上的蜂窩結(jié)構(gòu)，本身具有大量棱角，網(wǎng)格裙本身的棱角極容易割破皮囊，造成皮囊漏水或漏氣。

此次試驗為網(wǎng)格裙內(nèi)壓試驗，外表面需要安裝在工裝內(nèi)部，且無出口，所以測試點無法安裝在產(chǎn)品外表面，內(nèi)表面為網(wǎng)格裙結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片需安裝在網(wǎng)格裙棱上，進行內(nèi)壓試驗時，皮囊會先接觸到網(wǎng)格裙棱，而皮囊厚度為3 mm，有無法接觸到蒙皮的風(fēng)險，具有無法將內(nèi)壓載荷均勻加載至產(chǎn)品內(nèi)表面的風(fēng)險。

過去進行內(nèi)壓試驗時，應(yīng)變片防護采取粘貼透明膠帶的方式，透明膠帶表面光滑，減少摩擦可有效減少安裝時應(yīng)變片被破壞的概率，但是透明膠帶本身粘貼力較小，在裝配時仍會將膠帶帶起，導(dǎo)致大約20%的應(yīng)變片被破壞，造成有效數(shù)據(jù)減少。在進行皮囊外壓試驗時，發(fā)動機表面有電纜支座，電纜支座曾經(jīng)在一次試驗時割裂皮囊，所以本次網(wǎng)格裙內(nèi)壓試驗具有一定的風(fēng)險。以往3次試驗應(yīng)變測試成功率如表1所示，從表1可以看出，在安裝皮囊時應(yīng)變片損壞較多，嚴(yán)重影響了應(yīng)變測試成功率。

表1 以往試驗應(yīng)變片成功率（單位：%）

因內(nèi)壓試驗除了獲得內(nèi)壓載荷，其余試驗件變化均需通過應(yīng)變測試點來反饋，試驗前應(yīng)變片測點大面積損壞會對試驗結(jié)果判定產(chǎn)生實質(zhì)影響，損失局部應(yīng)變數(shù)據(jù)會對產(chǎn)品的分析判斷產(chǎn)生影響；并且皮囊內(nèi)壓試驗是一個特殊安裝試驗方式，安裝完成皮囊后，試驗片被皮囊完全覆蓋，應(yīng)變片損壞后無法進行更換或修補，使應(yīng)變測點完全失效，而拆裝皮囊則會加重對應(yīng)變片的損壞程度，安裝完成后必須進行皮囊內(nèi)壓試驗，因此安裝過程中對應(yīng)變片進行防護具有重要意義。

2 分析問題

對于新型網(wǎng)格裙內(nèi)壓試驗，防護技術(shù)問題將更加尖銳，試驗時應(yīng)變片有很大一部分分布在網(wǎng)格裙棱上，在安裝皮囊時必然會摩擦網(wǎng)格裙棱表面，并且網(wǎng)格裙棱本身突出，更加容易破壞應(yīng)變片，采取傳統(tǒng)的防護措施將造成應(yīng)變片被大面積損壞；而內(nèi)壓試驗時應(yīng)變測試總共需測將近150路，大量的短導(dǎo)線交織在一起，更加容易被損壞，所以走線時必須考慮短導(dǎo)線引線方式及走線方式。

在進行應(yīng)變片粘貼及防護前，結(jié)合皮囊內(nèi)壓試驗特點，提出了一種應(yīng)變片走線方式，同時結(jié)合后期網(wǎng)格裙的防護，運用泡沫板墊平網(wǎng)格裙的防護技巧。泡沫本身是可壓縮結(jié)構(gòu)，即可在安裝時提供突出支撐，保證在安裝網(wǎng)格裙棱角時不摩擦皮囊，同時可在承壓時被壓縮，使載荷有效傳導(dǎo)至試驗件表面，同時安裝時可有效減少摩擦，將短導(dǎo)線隱藏在網(wǎng)格裙骨架內(nèi)側(cè)，泡沫板同時起到防護短導(dǎo)線的作用。

網(wǎng)格裙棱角相對外壓試驗時的電纜支座較為圓鈍，所以無需將棱角打磨或包裹較嚴(yán)實，使用泡沫板墊平網(wǎng)格裙結(jié)構(gòu)，可消除棱角對皮囊的影響，同時可進行壓力傳遞，短導(dǎo)線隱藏在泡沫之間的棱角上引出，安裝時即可不觸碰，試驗時也可保證導(dǎo)線安全，完成對應(yīng)變點的防護[2]。

應(yīng)變片完成防護后，既可保護應(yīng)變片不受安裝皮囊影響，同時也可以方便皮囊安裝，因網(wǎng)格裙內(nèi)部為平整光滑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安裝皮囊時減小了摩擦系數(shù)，使皮囊安裝較為方便。

3 解決問題

在實際操作中，要從應(yīng)變片粘貼、焊接、防護、走線、網(wǎng)格裙防護多種角度同時進行考慮，網(wǎng)格裙內(nèi)壓試驗一個象限應(yīng)變測點分布在網(wǎng)格裙各個骨架上，同時應(yīng)變片分布于網(wǎng)格裙各個截面及各個部位，分布較為分散，粘貼應(yīng)變片比較方便。

綜合考慮后，因為網(wǎng)格裙試驗件為錐形結(jié)構(gòu)，且下部位需要安裝工裝進行試驗，所以引線只能考慮從上方引出，所以136路應(yīng)變片必須分散地從網(wǎng)格裙圓周各個棱角引出，分布必須較均勻，并且盡量減少引線之間的交叉，這樣可以減少多股導(dǎo)線在一個棱角上被引出，使有效高度較高，高出防護泡沫，安裝時皮囊影響到導(dǎo)線，最終導(dǎo)致應(yīng)變片被損壞，影響泡沫防護效果。

首先在貼片時使用BE120-4AA型號應(yīng)變片，此應(yīng)變片尺寸較小，應(yīng)變片尺寸為5 mm×5 mm，尺寸小于網(wǎng)格裙棱角，適用于網(wǎng)格裙應(yīng)變測試，同時粘貼后面積較小，可有效減少與皮囊的摩擦；粘貼時采用較少的膠布進行防護，在不影響應(yīng)變片功能的前提下，盡量減少膠布厚度，引腳采用絕緣導(dǎo)線，僅粘貼一層膠布即可起到固定作用，在摩擦?xí)r可減少破壞概率，在應(yīng)變片表面粘貼透明膠帶可減少摩擦系數(shù)，強化應(yīng)變片防護；透明膠帶可采用與皮囊安裝同向的粘貼方式，減少膠布邊緣的摩擦。

在走線時，盡量靠網(wǎng)格裙棱角邊緣走線，平均每個網(wǎng)格裙棱角短導(dǎo)線分布，使短導(dǎo)線均勻分布于試驗件內(nèi)部，短導(dǎo)線要緊貼網(wǎng)格裙棱角，并利用試驗件現(xiàn)有條件，盡量減少表面分布，大約每個棱角僅需走2～3個應(yīng)變線，大大減少了應(yīng)變線的局部堆積，同時在網(wǎng)格裙棱角所有短導(dǎo)線表面粘貼透明膠帶，減少摩擦系數(shù)，可有效減少安裝時皮囊對導(dǎo)線的破壞。

在應(yīng)變片粘貼焊接完畢之后，在網(wǎng)格裙之間安裝泡沫板，泡沫板設(shè)計高度要略高于網(wǎng)格裙棱，這樣可有效減少安裝時皮囊對應(yīng)變片及短導(dǎo)線的摩擦，并且在內(nèi)壓試驗時，泡沫板可對網(wǎng)格裙起一定的支撐功效，因泡沫板本身較軟，具有一定的可壓縮性，可保證試驗時泡沫板被壓縮，皮囊能接觸到網(wǎng)格裙棱，泡沫板同時也可將壓力傳遞給試驗件表面，使試驗件承受平均的內(nèi)壓載荷，受力狀態(tài)接近真實受載情況。

在此防護中，應(yīng)變片的粘貼防護采取過去傳統(tǒng)方式，進行第一道防護之后可先減少一部分摩擦，走線采取均勻走線并且緊貼試驗件的方式可有效減少對導(dǎo)線的破壞，而安裝泡沫板則對整體應(yīng)變片起到了最強的保護作用，并且在試驗時也有效傳遞了壓力載荷，對完成試驗具有較大的指導(dǎo)意義。應(yīng)變測點內(nèi)部防護照片如圖1所示，安裝完皮囊內(nèi)壓筒后的照片如圖2所示，從2個照片可以看出，導(dǎo)線整體較為均勻，可明顯看到網(wǎng)格裙棱角上的短導(dǎo)線。

圖1 應(yīng)變測點內(nèi)部防護照片

圖2 應(yīng)變測點引出照片

短導(dǎo)線均勻分布于網(wǎng)格裙試驗件四周，最后與長導(dǎo)線焊接，從試驗件上方引出，保證實驗圓滿成功，泡沫板本身也具有吸附性，在安裝時沒有泡沫板從網(wǎng)格裙中掉落，防護效果很好，整體試驗最終圓滿完成。

最終試驗時得到的應(yīng)變片有效數(shù)據(jù)如表2所示，可看出較以前的防護技術(shù)，應(yīng)變片成功率高達(dá)99.3%，試驗相當(dāng)成功，試驗設(shè)計方對試驗非常滿意，高度肯定了防護技術(shù)。

表2 此次試驗應(yīng)變片成功率（單位：%）

此次不僅完美完成了試驗測試，而且將測試防護技術(shù)進行了提升，后期對異形件試驗提出了防護指導(dǎo)思想，以提高試驗測試的成功率。

4 結(jié)論及展望

從上述可以看出，此次使用泡沫板墊平網(wǎng)格裙，較以往有效應(yīng)變率得到大幅提高，而且走線防護方式起到了輔助作用，使最終結(jié)果達(dá)到了靜力試驗常規(guī)要求。

隨著試驗技術(shù)發(fā)展，越來越多的非常規(guī)試驗件會投入到試驗中，在進行皮囊內(nèi)外壓試驗時，試驗件表面對皮囊影響較大，一個簡單有效、經(jīng)濟實惠的防護方式會對試驗帶來較大方便。此次采用泡沫板既節(jié)約了經(jīng)費，又在試驗中起到了巨大作用，未來進行皮囊壓力試驗時均可采取此方法進行防護。在未來的應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，在最近的一次常規(guī)皮囊外壓試驗中再次采用泡沫板墊平方式，大大節(jié)約了試驗準(zhǔn)備時間和工裝經(jīng)費，并且提升了皮囊承壓能力，試驗?zāi)芰σ搏@得了很大提升。

皮囊壓力試驗是未來內(nèi)壓試驗發(fā)展的一個重要方向，不僅可以獲得壓力載荷，同時也比傳統(tǒng)的密閉容器充壓方式靈活，通過不同工裝的設(shè)計，對不同形狀、不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進行壓力試驗。不同的試驗件決定了不同的試驗工裝設(shè)計，但通過皮囊傳力是必備方式，皮囊本身為橡膠結(jié)構(gòu)，容易被割裂，所以對不同試驗件進行防護是試驗前必須考慮的內(nèi)容，可對工裝本身進行防護，也可后期通過對試驗件表面的處理來進行防護，多次防護經(jīng)驗的積累也是皮囊壓力試驗未來具有越來越重要地位的基礎(chǔ)。

皮囊壓力試驗具有結(jié)構(gòu)簡單，可滿足多種應(yīng)用場景的優(yōu)勢，越來越有替代傳統(tǒng)壓力試驗的趨勢，未來皮囊試驗不僅可以依托工裝完成小范圍壓力試驗，也可采用雙層橡膠皮囊的方式進行多種結(jié)構(gòu)壓力試驗，雙層皮囊與現(xiàn)有單層皮囊相比，優(yōu)勢為可適應(yīng)多種不同結(jié)構(gòu)場景，且不會因為皮囊與工裝之間的間隙而損壞皮囊，且本身漏水漏氣的風(fēng)險大大減小，具有新型應(yīng)用前景。