陶瓷導彈天線罩力熱性能試驗技術綜述

武小峰，胡由宏，宮永輝，王 偉，王成亮

陶瓷導彈天線罩力熱性能試驗技術綜述

武小峰，胡由宏，宮永輝，王 偉，王成亮

(北京強度環境研究所，北京 100076)

本文概述了陶瓷導彈天線罩的結構、力熱承載形式、以及失效模式，并從無損檢測、材料級和結構級試驗角度，綜述了當前陶瓷天線罩材料和結構力熱性能的各種檢測與試驗方法。其中，無損檢測主要包括基于光學、聲學、熱學、射線等的方法；材料級試驗包括材料熱學、力學性能測試；結構級試驗包括充壓篩選、燃氣流加熱和靜熱試驗。上述檢測和試驗手段共同組成了陶瓷天線罩力熱性能測試系統。

陶瓷天線罩；力熱性能試驗；無損檢測

0 引言

天線罩是導彈的重要組成部分，在工作過程中承擔透波、氣動、防熱和承載的作用[1]。天線罩結構通常由罩體和連接環組成，如圖1所示，罩體和連接環之間通過膠接或螺接方式進行連接，其整體固定于彈體之上。此外為了防止雨蝕對天線罩性能產生影響，部分天線罩還帶有雨蝕頭 結構。天線罩罩體通常要求具有良好的電氣性能、防熱承載性能、以及高溫穩定性，因此常選用陶瓷材料，其中石英陶瓷在馬赫數較低時應用最為廣泛，而在馬赫數較高時則常用Si3N4、BN基陶

瓷材料[1-4]。為了使連接環和罩體之間產生的熱應力盡可能小，連接環材料一般選擇與罩體熱膨脹系數相一致的材料，應用較多的包括殷鋼或碳纖維材料[5]。

陶瓷天線罩在導彈飛行過程中的力熱承載形式主要包括：(1)沿飛行方向的軸向氣動阻力；

圖1 天線罩結構示意

(2)垂直于飛行方向的剪力和彎矩；(3)氣動加熱導致沿軸向和厚度方向產生溫度梯度，進而引發的熱應力；(4)罩體與連接環之間膠層剪切或連接環與彈體之間、罩體與雨蝕頭之間熱膨脹失配引發的內應力。

在上述載荷形式下，陶瓷天線罩結構容易發生以下的失效模式[6]：(1)天線罩罩體強度以及耐溫、抗熱沖擊性能無法滿足氣動力熱載荷要求，導致罩體破裂失效；(2)天線罩罩體、連接環，以及膠層存在內部缺陷，引起飛行或運輸過程中失效；(3)罩體與連接環之間的膠接強度不夠或脫膠，使得罩體與連接環脫離導致失效；(4)各種連接結構之間的熱匹配問題引發的失效。

隨著導彈飛行指標要求的不斷提高，天線罩受到的氣動力熱載荷條件也越發嚴酷。考慮到陶瓷材料的固有脆性，天線罩結構一旦發生失效，將會使得導彈完全喪失戰斗力。因此，除了生產、加工過程中進行相關質量控制外，還需開展多種檢測及力熱性能的試驗考核和分析評估工作，獲取承載和防熱性能參數，進而指導設計改進，綜合保障陶瓷天線罩結構的可靠性。根據檢測方式、產品階段及試樣尺寸的不同，陶瓷天線罩的檢測與試驗大致分為無損檢測、材料級試驗、結構級試驗三大類，這三者的側重點不同，共同組成了天線罩力熱性能測試系統。

1 無損檢測方法

無損檢測是指在不影響被檢測對象性能的前提下，采用聲、光、電、熱、磁等非破壞技術對材料進行缺陷檢測的技術。其利用材料內部和表面結構異常引起的參數變化，對各材料、零部件、結構件等內部和表面缺陷進行檢測，并評定缺陷的類型、性質、位置、尺寸等參量，以確保結構可靠性和安全性。

陶瓷材料由于其固有脆性，在一定載荷作用下，微小缺陷的存在也容易形成應力集中，進而導致結構失效，因此針對陶瓷材料表面和內部缺陷的檢測十分必要，并且其精度要求往往比金屬材料高得多。表1列出了常用的幾種不同類型的陶瓷天線罩無損檢測方法，下面簡要就各種方 法的原理、技術特點，以及檢測范圍和精度進行介紹。

燈光照射方法[7,8]主要利用陶瓷的透光性，采用白熾燈光源在罩體內部照射罩體，通過目測對產品的質量進行判定。該方法操作簡便、檢測成本低、檢測結果直觀，但檢測精度容易受檢測人員主觀因素的影響，通常用于檢測表面和內部尺寸大于0.5 mm的氣孔、裂紋、雜質等缺陷。

表1 陶瓷天線罩常用的無損檢測方法

Tab.1 Common used non-destructive test methods for ceramic radome

熒光/染色方法[9-13]是根據液體毛細作用原理，熒光劑或染色劑附著于表面缺陷位置，進而實現缺陷檢測。該方法對材料表面粗糙度和整潔度要求較高；結合圖像處理技術，能發揮滲透檢測對表面開口缺陷的高靈敏性，避免檢測人員主觀識別造成的誤檢和漏檢。對均勻而致密的陶瓷材料，熒光/染色滲透方法能檢出開度小至1 μm的氣孔、裂紋等表面缺陷。

敲擊[14-18]方法是通過人工、機械或數字方法對結構進行敲擊，然后利用人耳聽聲或聲振分析技術，檢測其頻率、相位、幅值、能量等參數變化，并進行對比分析，辨識結構缺陷的類型、位置等特征。人工敲擊方法設備簡單，但易受環境噪聲影響，主觀因素影響較大；機械或數字敲擊檢測方法客觀、便捷，抗噪聲干擾，檢測結果更為準確。利用敲擊檢測方法可以檢測陶瓷罩體表面或內部大尺寸裂紋、氣孔，以及連接膠層的分層、脫粘等主要缺陷，但對于小缺陷的檢測靈敏度低。

超聲[9,19-26]檢測方法是利用超聲波在彈性介質中傳播時，會在缺陷界面處發生反射、折射或散射，通過傳感器接收信號可以探測缺陷特征。常用的超聲無損檢測方法包括激光超聲、機械掃描超聲顯微鏡(SAM)、掃描激光超聲顯微鏡(SLAM)、熱超聲顯微鏡(TAM)等。超聲檢測方法的優點主要包括：(1)檢測對象范圍廣，檢測深度大；(2)缺陷定位準確，檢測靈敏度高；(3)成本低，使用方便；(4)速度快，對人體無害，便于現場使用；(5)激光超聲檢測以非接觸式激光干涉儀接收超聲波，能夠遠距離遙控操作并極具抗干擾性。其缺點主要有：(1)探測靈敏度與缺陷深度有關；(2)體型缺陷檢出率低于面型缺陷；(3)激光超聲檢測能量轉換效率低、檢測聲信號弱、可靠性差。普通超聲可檢出表面和近表面幾十微米的細小缺陷，激光超聲對表面和內部缺陷分辨率最高可達0.5 μm，掃描超聲顯微鏡對表面及亞表面的檢測分辨率可達1~2 μm。

紅外熱成像[9,19-21,27-29]檢測的實質是測量物體表面的溫度。當物體受到熱脈沖激發時，由于內部缺陷(裂紋或密度不均勻等)的存在會改變物體的熱傳導特性，進而導致熱分布發生變化，使物體表面的溫度發生差異。紅外熱成像檢測的優點主要包括：(1)靈敏度高，速度快；(2)檢測儀器結構較簡單；(3)使用安全，信號處理速度高，可建立自動檢測系統；(4)受工件表面光潔度影響小；(5)檢測用途廣泛。其缺點主要有：(1)會受產品表面及背景輻射的影響；(2)靈敏度受缺陷大小和深度的影響；(3)溫度記錄曲線的解釋困難，并且需要有專業操作人員。受紅外熱像儀最低溫度分辨率限制，常規紅外檢測技術對陶瓷微細缺陷的檢測靈敏度不高；利用鎖相放大技術提高信噪比后，可以具有較高的缺陷檢測靈敏度。

工業CT[9,19-21,30,31]檢測是利用高能射線掃描工件得到斷層投影數據，經圖像重建算法重建出內部結構的三維圖像，進而獲取缺陷特征。該方法的優點包括：(1)空間分辨率和密度分辨率較高，一般情況下低于0.5%；(2)檢測對象范圍廣，包含空氣、金屬和非金屬等；(3)成像的尺寸精度高，可實現直觀的三維圖像；(4)不受材料物理形態和幾何結構的約束。其缺點主要在于檢測效率低且成本高昂，不適于平板薄件的檢測以及大型構件的現場檢測。工業CT的檢測范圍包括：(1)非微觀缺陷的檢測(裂紋、夾雜、氣孔、分層等缺陷檢測）；(2)密度分布的測量（材料均勻性、微氣孔含量的測量)；(3)內部結構尺寸的精確測量。工業CT的檢測精度與設備性能參數有關，最小可檢測數十納米的缺陷。

微焦點X射線[9,19-21,32-34]是基于X射線檢測原理，通過被檢材料對透入X射線的不同吸收量來獲知內部細節；而射線焦點尺寸影響成像的清晰度和空間分辨率，利用1~50 μm焦點的射線進行檢測稱為微焦點射線檢測。該方法不受材料形貌限制、射線衰減系數小、空間分辨率較高，但在對立體結構實現2D成像時，易造成各層投影影像重疊而難以辨別。微焦點X射線可以檢測表面和內部的小尺寸缺陷，檢測的缺陷尺寸范圍取決于材料的均勻性與設備精度；對于陶瓷材料內部裂紋，可以檢出小至10 μm的裂紋，但裂紋延展方向應與射線束方向一致。

2 材料級試驗方法

陶瓷天線罩整體結構的力熱性能取決于各組成材料的單一性能以及連接性能，因此在天線罩的設計、生產階段，通過對陶瓷、連接環、膠層材料的力熱性能測試和評估，有助于指導選材和改進設計，獲取最優的力熱承載性能方案。常規的材料級力熱性能檢測項目包括陶瓷和連接環材料的密度、熱膨脹系數、彈性模量、彎曲或拉伸強度，以及連接膠層的膠接強度等，這些試驗項目均有相應標準[35-44]參照。

天線罩的陶瓷罩體在制備過程中，軸線方向的尺寸往往大于最終產品尺寸，多余出的部分用于制備試件，開展材料級的性能測試。由于測量陶瓷材料的拉伸強度較為困難，主要體現在夾持部位容易發生斷裂，夾具與試件軸心的對中要求較高等方面，因而常用彎曲強度來估算材料的拉伸強度[45]。彎曲強度的測定方法主要包括三點彎和四點彎法，如圖2所示，通過獲取斷裂載荷，并根據相應公式即可獲得材料的彎曲強度。值得注意的是，由于陶瓷材料的強度通常遵循Weibull統計分布，并且存在明顯的尺寸效應，試件尺寸越大，強度越低，因此通過材料級小試件獲得的強度往往比整體結構的強度要高；另外，由于彎曲強度反映了材料的局部性能，而拉伸強度反映了整體性能，因此測得的彎曲強度也會比拉伸強度要高。所以材料級強度測試結果一般只適用于選材的橫向比較，并為陶瓷罩體整體性能的表征提供參考。

圖2 陶瓷材料彎曲強度測試方法

陶瓷罩體材料的密度通常采用質量-體積法或排水法進行測試[42]。另外，陶瓷材料的密度還表征了孔隙率的大小，而孔隙率又與彎曲強度、斷裂韌性、彈性模量等參數相關[46]，孔隙率越大，強度、模量、韌性均下降。

天線罩與連接環之間的連接性能通常由連接膠層的剪切強度來表征。在天線罩與連接環膠接的同時，制成與天線罩和連接環材料相同的試件，并在相同的工藝條件下，同時對試片進行膠接，然后根據相關標準及方法[43-47]檢測其剪切 強度。

3 結構級試驗方法

上述材料級試驗獲取的性能參數僅僅代表材料級試件在準靜態條件下的承載極限，而真實飛行狀態下，天線罩結構形式及承受載荷條件復雜，存在高溫熱匹配、力熱載荷隨時間、空間變化等問題。再加上不同受力方式下的破壞概率和不同尺寸下的缺陷概率不同，因此在陶瓷天線罩結構成型或裝配完成后，必須開展一系列結構級的性能檢測，綜合考核結構整體的力熱承載性能。常見的幾種結構級試驗類型有充壓篩選試驗[48-50]、燃氣流加熱試驗[51-54]、靜熱試驗[1,6,55-59]等。

3.1 充壓篩選試驗

陶瓷天線罩充壓篩選試驗利用充氣加壓方式，在天線罩內腔充入高壓氣體，觀察罩體在內壓條件下是否發生破壞，從而篩選出具有缺陷隱患的天線罩。充壓篩選試驗中，天線罩的定位夾緊、安全防護等問題是試驗的技術難點，通常采用內外脹胎同步徑向夾緊，實現天線罩的可靠定位和夾緊；采用外置剛性防爆筒、內置減爆膽和遠端操作控制等方式，實現多重安全防護[48,49]。

此外，有關充氣壓力條件的確定，也是決定篩選試驗有效性和可靠性的重點。充氣壓力過低將無法實現對缺陷隱患的篩查，而壓力過高則會導致罩體損傷，為后續試驗及使用帶來隱患。胡偉等[50]針對充氣壓力對天線罩罩體強度的影響開展了系列試驗研究，得出彎曲強度測試中，斷裂載荷的45~50%是相對安全的充壓保載載荷，在該條件下試驗不會導致陶瓷罩體產生明顯的裂紋擴展現象。

充壓篩選試驗的篩選準確度高，解決了陶瓷材料天線罩一次性整體強度檢測和篩選難題，已經廣泛應用于新型高速飛行器的研制和批量生產中，是提升天線罩安全性和可靠性的重要手段。

3.2 燃氣流加熱試驗

天線罩在導彈飛行過程中承受瞬態的氣動加熱、機動過載等環境條件，因此在對天線罩結構進行地面試驗考核時，必須準確模擬這些真實的飛行載荷條件。

燃氣流加熱試驗[51-54]是一種有效的考核天線罩結構力熱性能的試驗方法，其原理是利用火箭發動機噴射出的燃氣流，對天線罩體進行加熱；結合力學加載設備，實現對橫向氣動載荷的動態模擬；通過測量溫度、壓力、位移、應變等參數，評估天線罩的力熱響應。相關系統原理如圖3 所示。

圖3 燃氣流加熱試驗系統原理圖

考慮到火箭發動機性能參數確定，在燃氣流加熱試驗前，需采用調試模擬件，開展流場調試工作，通過調整天線罩與噴管的相對位置，實現所需的熱流或壓力條件。另外，根據燃氣流加熱的試驗特點，可以在考核天線罩結構的力熱承載性能的同時，實現對天線罩材料燒蝕性能的評估，這有效地滿足了高超聲速飛行環境下陶瓷基復合材料天線罩的燒蝕、承載考核需求。

3.3 靜熱試驗

以燃氣流加熱為代表的風洞類型加熱方法，雖然從模擬機理上與氣動加熱一致，但該方法對試件尺寸有較大限制，并且運行時間短，成本高昂，因此對于大尺寸、遠程導彈天線罩的結構熱試驗，還難以完全采用風洞加熱手段來模擬 實現。

靜熱試驗是利用石英燈、石墨等加熱元件的高溫輻射換熱特性，對試驗件進行加熱，并采用伺服油缸等加載設備實現力學載荷施加的一種試驗技術。這種試驗技術具有高熱流、長時間、全尺寸、易與環境條件組合等特點，特別適合于天線罩瞬態氣動力熱載荷的模擬[60]。

根據考核目的的不同，陶瓷天線罩的靜熱試驗分為靜力試驗、熱沖擊試驗，以及靜熱聯合試驗三種類型。其中，靜力試驗是模擬導彈在實際飛行狀態下的天線罩受載情況，對天線罩施加靜載荷，驗證天線罩的承載能力并獲取可靠性安全系數；熱沖擊試驗是模擬導彈實際飛行狀態下氣動加熱，對天線罩施加熱載荷，驗證天線罩受溫度沖擊條件下的工作可靠性；靜熱聯合試驗模擬了導彈實際飛行狀態下氣動力熱載荷條件，綜合驗證天線罩的靜熱強度和工作可靠性[6]。

典型的陶瓷天線罩靜熱試驗系統及案例如圖4所示。將天線罩安裝于專用底座，并固定在工裝上；根據彈道計算出的溫度或熱流條件，采用隨形的錐形石英燈加熱器對天線罩進行分區加熱，保證天線罩加熱環向均勻，軸向連續；利用安裝在反射板上的熱流計或安裝在天線罩體表面的溫度傳感器對加熱進行反饋控制；采用加載環對天線罩外表面施加分布載荷，模擬橫向載荷和根部彎矩，并利用杠桿級連方式將分布力合成進行加載；另外，采用各類測試手段，對天線罩在試驗過程中的溫度、位移、應變等參數進行監測。

除以上加熱加載手段外，還可采用高溫油外壓、皮囊外壓加載、內腔抽真空等方式模擬陶瓷天線罩承受的力熱載荷。

靜熱試驗方法是當前考核陶瓷天線罩整體力熱性能的最主要的一種試驗方法，只有通過了該項試驗，導彈才能開展飛行試驗驗證工作。盡管如此，靜熱試驗技術也不可能完全真實地模擬導彈的飛行狀態，后續仍需在天地一致性、失效評估手段方面開展相關工作，完善該項試驗技術，更好地滿足導彈等飛行器對陶瓷天線罩的研制使用需求。

圖4 典型陶瓷天線罩靜熱試驗系統(a)及案例(b)

4 結語

針對陶瓷天線罩材料和結構力熱性能的檢測和考核需求，目前已經形成了基于無損檢測、材料級試驗和結構級試驗的一整套試驗方法，并廣泛應用于陶瓷天線罩的研制、生產、定型，及批抽檢過程中。盡管如此，為了綜合保障陶瓷天線罩結構的可靠性，仍需在試驗天地一致性和失效評估等方面開展相關工作，更好地為型號研制需求服務。

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A Review of Thermal-Mechanical Performance Test Technology for Ceramic Missile Radome

WU Xiaofeng, HU Youhong, GONG Yonghui, WANG Wei, WANG Chengliang

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing100076, China)

This paper briefly summarizes the structure, thermal-mechanical load, and the failure modes of ceramic missile radome, and then from the aspects of non-destructive test, material and structural level tests, reviews various test methods used in assessing thermal-mechanical performance of material and structure. Among them, non-destructive testing mainly includes methods based on optics, acoustics, thermotics, and radiography; material-level tests include material thermal and mechanical properties tests; structure-level tests include pressurizing screening, jet flow heating, and thermal-mechanical test. The above methods together form a thermal-mechanical performance test system for ceramic radome.

ceramic radome; thermal-mechanical performance test; non-destructive testing

date: 2019?01?19.

date:2019?04?17.

國家自然科學基金青年科學基金項目(11802033)。

Correspondent author:WU Xiaofeng(1987-), male, Ph.D., Engineer. E-mail:wuxiaofeng253@163.com

TQ174.75

A

1000-2278(2019)04-0418-07

10.13957/j.cnki.tcxb.2019.04.002

2019?01?19。

2019?04?17。

武小峰(1987-)，男，博士，工程師。