埋入傳感器對發動機界面粘接性能影響試驗研究

張春龍，呂安國，鈕 江

（1.中國人民解放軍91515部隊52分隊，三亞，572016；2. 中國人民解放軍91515部隊45分隊，三亞，572016）

埋入傳感器對發動機界面粘接性能影響試驗研究

張春龍1，呂安國2，鈕 江1

（1.中國人民解放軍91515部隊52分隊，三亞，572016；2. 中國人民解放軍91515部隊45分隊，三亞，572016）

針對固體火箭發動機健康監檢測中埋入傳感器后對發動機界面粘接性能的影響，自制埋入傳感器的粘接試件，通過對粘接試件的cT無損探傷與力學性能試驗，得到傳感器的埋入方法可靠、埋入傳感器對發動機界面粘接性能無明顯影響；通過對自然貯存粘接試件的力學性能監測試驗，得到粘接界面力學變化規律，進而確定埋入式傳感器在發動機界面中至少可以穩定工作3個月以上。

埋入式傳感器；粘接界面；固體火箭發動機

0 引 言

基于內嵌式傳感器的固體火箭發動機實時健康監檢測系統能夠實時監測發動機健康狀況，具有系統簡單、測試成本低、實時性強以及測量精度高等優點，是目前固體火箭發動機領域的重要研究方向之一[1～6]。在固體火箭發動機燃燒室界面嵌入應力傳感器后，對固體火箭發動機結構影響的關鍵是對襯層（傳感器）/推進劑界面性能的影響[7，8]。為此，需對傳感器嵌入界面粘接強度變化規律進行研究[9～12]。

本文借鑒部標QJ2038.1-91粘接試件制作方法，自制含內嵌式傳感器的粘接試件并設計試驗，研究界面應力傳感器嵌入對發動機界面粘接強度的影響，以及界面粘接強度變化情況，分析界面應力傳感器對固體火箭發動機結構的影響，研究結果可為今后基于內嵌式傳感器的固體火箭發動機實時健康監檢測系統研制提供技術支持。

1 界面粘接性能測定方法

在固體火箭發動機界面嵌入傳感器后的長期貯存過程中，受溫度、濕度等貯存條件的影響，界面粘接性能會因老化出現下降，需對發動機界面老化性能進行測試。本文所用的測試方法為cT無損檢測法和強度測定法。

cT無損檢測法是利用X射線對實際發動機界面狀態進行直觀判讀，以確定發動機粘接界面是否存在脫粘等現象。工業cT可一次性對多個粘接試件的多層斷面進行檢測。為了確認殼體/襯層（傳感器）、襯層/傳感器以及襯層（傳感器）/推進劑等界面粘接情況是否良好，本試驗采用工業cT對自制的含內嵌式傳感器的粘接試件貯存前后界面粘接情況進行無損檢測，摸清各界面有無脫粘等現象，直觀判斷貯存前后界面粘接性能的變化情況。

強度測定法是利用自制的粘接試件在模擬發動機貯存條件下進行貯存，測量經歷不同貯存時間后的粘接強度，以此判定發動機界面粘接性能。本文對貯存前后的粘接試件進行粘接強度試驗，測試粘接試件達到破壞時的拉力，以計算出其強度，對固體火箭發動機界面粘接強度變化規律進行研究。

2 傳感器嵌入對界面粘接性能影響試驗研究

2.1 試驗對象

制作含內嵌式傳感器Φ15 mm×3 mm的粘接試件如圖1、圖2所示，并利用工業cT進行無損檢測，確認試件粘接情況良好。

圖1 粘接試件結構

圖2 粘接試件實物

2.2 傳感器粘接試件力學性能試驗

將經無損檢測完好的含內嵌式傳感器的粘接試件置于密閉容器中進行自然貯存，試件個數為25個，按QJ2038.1規定的條件，貯存情況如圖3所示。

圖3 粘接試件貯存情況

在試件初始階段以及貯存10天、20天、40天和80天后，分別隨機取出5個粘接試件，進行粘接強度試驗（根據航空航天工業部航天工業標準QJ2038.1《固體火箭發動機燃燒室界面粘接強度測定方法》進行）。根據貯存前后試件的粘接界面強度情況，分析界面強度變化規律，研究傳感器嵌入對發動機的影響。

3 試驗數據分析

3.1 貯存前后粘接試件無損檢測結果分析

利用工業cT分別對含內嵌式傳感器的粘接試件初始狀態以及貯存80天后的界面情況進行無損檢測，得到貯存前后試件各界面的典型無損檢測結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，貯存前后殼體/襯層（傳感器）界面、襯層/傳感器界面以及襯層（傳感器）/推進劑界面粘接情況均保持良好，貯存過程中未發現有脫粘等缺陷發生，說明本文所述傳感器嵌入工藝可行，粘接試件制作方法可靠性較高；在粘接試件整個貯存過程中，傳感器嵌入并未對試件粘接界面產生明顯影響。

3.2 粘接強度試驗數據分析

本文分別測定了含內嵌式傳感器的粘接試件初始階段以及自然貯存10天、20天、40天和80天后的試驗數據，如表1所示。

表2 老化模型系數

表1 不同貯存時間平均界面粘接強度

由表1可知，粘接試件界面粘接強度隨貯存時間的變化規律為：界面粘接強度先有所增強，原因為粘接劑的后固化過程引起的；后固化結束后，界面粘接強度隨貯存時間增加開始下降；且貯存時間越長，粘接強度下降速率越低。由于界面應力傳感器相對較小，界面應力傳感器嵌入并未對粘接試件強度性能產生較大影響。

對粘接試件貯存老化試驗數據進行處理時，通常選用以下3種模型：

式中 P為試件某時刻的性能；P0為常數；K為性能變化速率常數；t為試件貯存時間。

式（1）中，令X=t，Y=lnP，a=lnP0，b=-K；式（2）中令X=lgt，Y=P，a=P0，b=K；式（3）中令X=t，Y=P，a=P0，b=K，則以上3種老化模型均可表示為一次方程形式：Y=a+bX。

根據前文分析，傳感器貯存20天以后試件粘接性能出現老化下降。本文用界面粘接強度表征粘接試件性能變化，通過試驗獲得試件貯存20～80天時的界面粘接強度數據，對數據進行處理，利用最小二乘法可求以上3種模型對應直線方程Y=a+bX的系數a，b以及相關系數ρxy=cov(x，y)，其中cov（x, y）為x，y的協方差，d( x)，d( y)為x，y的方差。如表2所示。

由表2可知，模型P=P0+Klgt的相關系數最接近1，故選擇式（2）為老化模型。

根據老化模型，利用最小二乘法對粘接試件老化階段界面粘接強度隨時間變化按對數規律進行擬合，得到擬合結果如圖5所示。

圖5 傳感器界面粘接強度-時間擬合曲線

由擬合公式可知，傳感器粘接試件的老化速率為0.05，同時從圖5可以看出，含埋入式傳感器的粘接試件貯存3個月后，其界面粘接強度仍然大于廠家規定的技術指標要求0.6 Mpa，說明傳感器嵌入發動機界面后，在傳感器自身指標滿足要求的情況下，至少可以穩定工作3個月以上。

4 結 論

通過以上研究得到界面應力傳感器對界面粘接強度影響規律：a）在粘接試件貯存前期，界面粘接強度隨貯存時間增加而加大，后固化結束后，因老化作用影響，粘接試件界面粘接強度出現下降，且下降速率隨貯存時間增加而降低；b）其性能變化符合發動機自身老化規律，受傳感器嵌入影響很?。籧）在不影響固體火箭發動機正常使用的前提下，內嵌式傳感器在發動機中至少可以穩定工作3個月以上。

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Research of Embedded Sensor Impact on Interface Adhesive Performance

Zhang chun-long1, Lv an-guo2, Niu Jiang1
(1. 52 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016; 2. 45 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016)

For knowing the influence of embedded sensors to interface adhesive performance of motor at the researching on health monitoring technology of solid rocket motor, the adhesive specimen containing embedded sensor was made. Through the NdT and mechanical properties tests on adhesive specimen, came to the conclusion that the embedding method of sensors was reliable and there was no apparent influence for embedded sensors to interface adhesive performance of motor. The mechanics change laws of adhesive interface were obtained by the mechanical properties tests of adhesive specimen under the natural condition. Finally got that embedded sensors could work at least 3 months stably at the interface of motor.

embedded sensor; Bonding interface; Solid rocket motor

V435

a

1004-7182(2016)01-0085-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160120

2014-10-09；

2015-12-23

張春龍（1981-），男，博士，工程師，主要從事固體發動機壽命研究