基于錯(cuò)位散斑干涉的固體推進(jìn)劑包覆層脫粘缺陷檢測(cè)

周偉武，任志忠，周 杰

(江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411207)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，為導(dǎo)彈安全可靠飛行提供動(dòng)力支持。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由裝藥、燃燒室、噴管和點(diǎn)火裝置等組成。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間無(wú)法停止，而推進(jìn)劑作為發(fā)動(dòng)機(jī)的能源，發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的使用安全性，因此在加工過(guò)程中需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的穩(wěn)定性及可靠性提出嚴(yán)格的要求，從而保證導(dǎo)彈等飛行器運(yùn)行的安全可靠[1-2]。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的正常工作，必須要求推進(jìn)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃?xì)饪赡苓M(jìn)入脫粘間隙內(nèi)，發(fā)生躥火，導(dǎo)致推進(jìn)劑包覆處暴露燃燒，引起推進(jìn)劑燃面擴(kuò)大；如果脫粘面在燃燒過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展，在極短的時(shí)間內(nèi)裝藥燃燒面積大幅度増大，燃燒室壓力和壓力時(shí)間曲線將瞬間偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，燃燒室燃?xì)鈮簭?qiáng)急劇升高，如果偏離值過(guò)大，燃燒室將會(huì)燒穿甚至解體，導(dǎo)致出現(xiàn)故障甚至發(fā)生爆炸[3-4]。因此，必須對(duì)裝藥的包覆/推進(jìn)劑界面粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確保包覆界面不存在超出設(shè)計(jì)規(guī)定范圍的脫粘缺陷。

由于包覆層與推進(jìn)劑需緊密結(jié)合，為了其整體結(jié)構(gòu)完整性和使用性得以保證，只宜采取無(wú)損檢測(cè)的方式進(jìn)行缺陷檢測(cè)。用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆界面粘接質(zhì)量診斷的無(wú)損檢測(cè)方式有多種，如X射線、計(jì)算機(jī)層析成像(CT)、超聲、紅外熱成像[5-8]以及激光散斑[9]等技術(shù)。其中激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)具有全場(chǎng)性、非接觸、無(wú)污染、高精度和靈敏度、快速實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，因此相對(duì)于其他傳統(tǒng)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段來(lái)說(shuō)，該技術(shù)在針對(duì)復(fù)合材料的無(wú)損探傷方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)且更加有效。為了直觀評(píng)估激光散斑干涉技術(shù)對(duì)于裝藥的包覆/推進(jìn)劑界面脫粘缺陷的無(wú)損探傷效果，通過(guò)開(kāi)展研究，針對(duì)具有脫粘缺陷的某型包覆推進(jìn)劑，運(yùn)用研發(fā)的S60-PLUS型激光散斑設(shè)備進(jìn)行散斑干涉實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

本文制作的某型包覆推進(jìn)劑為自由裝填式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥部分，該發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥由起飛級(jí)推進(jìn)劑、續(xù)航級(jí)推進(jìn)劑和絕熱包覆層3部分組成。其中推進(jìn)劑為改性雙基推進(jìn)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(jìn)劑所需覆蓋的外表面涂粘接劑后，按包覆工藝進(jìn)行包覆，最終制作某型包覆推進(jìn)劑。裝藥的包覆層覆蓋在推進(jìn)劑側(cè)面及上球頭面，覆蓋部分阻止推進(jìn)劑燃燒以獲得特定推力，同時(shí)隔絕高溫燃?xì)鈹U(kuò)散避免推進(jìn)劑包覆部分提前燃燒以破壞推進(jìn)劑燃燒規(guī)律，包覆層還具有保護(hù)固體推進(jìn)劑避免機(jī)械效應(yīng)損傷等作用。

本文使用S60-PLUS型號(hào)的激光散斑設(shè)備(見(jiàn)圖1)來(lái)進(jìn)行包覆推進(jìn)劑中脫粘缺陷的檢測(cè)。該設(shè)備的錯(cuò)位散斑干涉光路示意圖如圖2所示，主要由激光器、激光擴(kuò)束透鏡、包覆推進(jìn)劑、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、升降探頭、邁克爾遜干涉儀、CCD照相機(jī)和計(jì)算機(jī)等部分組成。錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)是一種可以無(wú)損檢測(cè)物體變形表面離面位移導(dǎo)數(shù)的技術(shù)。對(duì)于內(nèi)部具有缺陷的復(fù)合材料，當(dāng)材料受到外部載荷時(shí)，內(nèi)部缺陷位置的外表面會(huì)產(chǎn)生微小而不均勻的變形。利用錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)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(lái)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)精確地測(cè)量缺陷的大小。根據(jù)圖2光路圖的結(jié)構(gòu)，研制出S60-PLUS型號(hào)的激光散斑設(shè)備對(duì)包覆推進(jìn)劑進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

圖1 S60-PLUS激光散斑設(shè)備

圖2 錯(cuò)位散斑光路圖

2 結(jié)果和討論

在設(shè)備的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上順時(shí)針以120°間隔劃分出3個(gè)柱形扇面區(qū)域，同時(shí)將待測(cè)包覆推進(jìn)劑以母線中點(diǎn)為界劃分為上下兩部分，每個(gè)部分以旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)劃分出3個(gè)柱形扇面區(qū)域，劃分完成后給每個(gè)區(qū)域賦予標(biāo)號(hào)1～6。將劃分完成的包覆推進(jìn)劑放入真空艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，緊閉真空艙門，真空加載負(fù)壓至20 kPa±2 kPa開(kāi)始檢測(cè)，篩選出明顯缺陷的散斑圖像。因?yàn)榘餐七M(jìn)劑被劃分成了6塊區(qū)域，所以需要利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和升降探頭對(duì)6塊區(qū)域分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出缺陷的圖像及時(shí)進(jìn)行處理，測(cè)量缺陷大小。

檢測(cè)過(guò)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(cuò)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(jìn)劑內(nèi)部粘接缺陷的位置和大小。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，錯(cuò)位散斑干涉可以無(wú)損有效地檢測(cè)出包覆推進(jìn)劑的脫粘缺陷，完全可以勝任實(shí)際工程要求。

圖3 散斑檢測(cè)結(jié)果圖

為了進(jìn)一步表示錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)在檢測(cè)包覆推進(jìn)劑脫粘缺陷的正確性和準(zhǔn)確性，本文利用計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，錯(cuò)位散斑檢測(cè)脫粘缺陷尺寸與計(jì)算機(jī)層析成像(CT)檢測(cè)缺陷尺寸基本相同，CT檢測(cè)的結(jié)果如圖4所示。

圖4 計(jì)算機(jī)層析成像(CT)檢測(cè)結(jié)果圖

在對(duì)包覆推進(jìn)劑的脫粘缺陷的檢測(cè)過(guò)程中，剪切散斑干涉主要測(cè)量的是推進(jìn)劑變形位移的一階導(dǎo)數(shù)，而推進(jìn)劑的剛性位移并不會(huì)影響變形位移的一階導(dǎo)數(shù)，因此文中推進(jìn)劑的旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果和精度。由于缺陷位置處應(yīng)力集中，剪切散斑測(cè)量對(duì)于缺陷的分辨能力要優(yōu)于散斑測(cè)量，另外剪切散斑測(cè)量不需要參考光束，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)于測(cè)試環(huán)境隔振要求不高，可以滿足工程實(shí)際的應(yīng)用。文中使用的S60-PLUS型號(hào)激光散斑設(shè)備，是完備的系統(tǒng)的集成化設(shè)備，不僅能滿足高校或科研院所的實(shí)驗(yàn)使用要求，還可以滿足實(shí)際工程的需求。剪切散斑測(cè)量對(duì)激光器的相干性要求低，并且搭建的光路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)整和優(yōu)化容易實(shí)現(xiàn)。

脫粘缺陷檢測(cè)時(shí)，研究人員往往會(huì)利用其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。紅外線熱成像是檢測(cè)復(fù)合材料脫粘缺陷時(shí)常用的一種方法，但是這種方法需要對(duì)材料進(jìn)行加熱，時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)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(dòng)機(jī)推進(jìn)劑材料不宜加熱，不能滿足快速檢測(cè)需求；超聲檢測(cè)也是普遍使用的一種方法，這種方法需要接觸到被測(cè)材料，探頭需要添加耦合劑，造成工件污染的同時(shí)也將影響產(chǎn)品使用性能，降低測(cè)量精度。剪切散斑測(cè)量就可以避免上述方法帶來(lái)的影響，做到無(wú)接觸，實(shí)時(shí)快速精確地測(cè)量出包覆推進(jìn)劑的缺陷位置，利用攝像機(jī)采集的圖像信息準(zhǔn)確地找到研究人員需要的缺陷參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用S60-PLUS型號(hào)激光散斑設(shè)備對(duì)某型包覆推進(jìn)劑進(jìn)行了脫膠缺陷的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)對(duì)包覆推進(jìn)劑的脫膠缺陷檢測(cè)是一種非常有效的無(wú)損檢測(cè)方法。同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)可以更加快速準(zhǔn)確地顯示缺陷位置，更能準(zhǔn)確地測(cè)量出缺陷尺寸。