《火箭发动机包覆质量检测介绍》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火箭发动机包覆质量检测介绍（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章绪论1.1 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于中国空空导弹研究院指定型号的固体火箭发动机装药包覆质量超声检测系统的开发。 固体火箭发动机包覆质量诊断包括两部分： （1）固体火箭发动机包覆层界面胶接状态检测； （2）固体火箭发动机包覆层厚度检测。本课题旨在研究固体火箭发动机包覆胶接质量诊断技术，并在此基础上研制一套固体火箭发动机包覆层检测系统。在工程实际中， 把板、筒或罐状器件表面采用不同工艺涂敷上的另一种材料的涂层称为包覆层。固体火箭发动机装药系统就是典型的金属-多包覆层结构，它由钢壳、绝热层、衬层和推进剂组成，如图1 所示，涂敷在壳体内表面的绝热层和涂敷在药柱表面的衬层即为本课题所
2、研究的包覆层，两者均为耐烧蚀的橡胶基材料，其声阻抗相差不大。壳体喷管衬层固体推进剂药柱绝热层点火器图 1 固体火箭发动机结构示意图固体火箭发动机的绝热层是一层位于壳体内表面和推进剂之间的隔热材料，可以防止壳体达到危及其结构完整性的温度，抑制某些不希望燃烧的推进剂药柱表面燃烧，防止燃烧产物对壳体的冲刷等。 大多数现代固体火箭发动是壳体粘接的，即推进剂经绝热层直接粘接在壳体上，由绝热层支撑并控制燃烧面。但对某些推进剂而言，要达到推进剂/绝热层粘接的足够强度需要使用一种被称作衬层的媒介胶粘剂层。衬层可以传递弹性模数相差很大的推进剂和发动机壳体之间的应力（这些应力包括周期性加热、 加工和储存以及发动机
3、点火时迅速增压所产生的应力） ，提高推进剂 /绝热层的粘接强度等。为保证绝热层和衬层在发动机点火时正常发挥作用，在设计、制造过程中，不仅要保证各界面的可靠粘接， 还要有效地控制绝热层和衬层的厚度以获得所需的各种热性能和机械性能。任何推进剂/绝热层大面积的破坏都会产生非预定的推进剂燃烧面 ,造成不正常的弹道性能，甚至会因过加热或超压造成壳体破坏1。此外，固体火箭发动机还必须具有较高的性能质量比，设计时不能采用过大的安全系数。这就要求严格控制包覆层的厚度，在获得所需物理性能的前提下，尽可能地提高发动机的性能质量比。因此，固体火箭发动机包覆层质量诊断技术，对保证固体火箭发动机的质量和性能具有重要意义
4、。固体火箭发动机因其结构简单紧凑、工作可靠、便于装载、启动迅速、善捕战机等特点，被广泛应用在各类空战、海战，近、中程地地导弹武器中。除巡航导弹外， 世界各国都采用固体发动机作为导弹的动力装置。此外，固体发动机还广泛应用于火箭发射、卫星运载等航天领域。目前，我国一批重点高科技火箭和导弹正处于研制、生产阶段，大射程、高命中率的要求和发动机必须在长时间内必须保证可靠的弹道性能等均对包覆检测的各项指标提出了苛刻的要求，各生产厂家、 军方迫切需要一种成熟的、 自动化程度好、准确度高的在线检测技术。因此，从国防应用上讲，本课题的研究对发展我国火箭、导弹发动机装药技术，保证发射安全、可靠性，增强国防实力，具
5、有重要意义。1.2 固体火箭发动机包覆层界面胶接质量的含义2在胶接结构中，胶接剂被用于保持结构的完整性和在装配零部件之间传递载荷，因此胶接质量是指胶接剂保持胶接结构完整性的程度和传递载荷能力的大小。胶接质量取决于两个因素： 粘聚力和粘附力。 粘聚力是胶接层内分子之间的吸引力，是由胶接剂类型， 弹性性质和厚度决定。 粘附力是胶接剂与胶接体接触界面上分子之间的引力。破坏胶接结构完整性降低胶接层传递载荷能力的影响因素就是胶接缺陷。胶接缺陷从形式上一般可分为三类：1）完全空气脱粘和完全的无空气脱粘（complete disbonds and kissing bond ） 、空洞（ complete v
6、oids） 、多孔（ porosity）和夹杂的异物 (foreign material) ，参见图 2，这类缺陷往往是小面积的、局部的、不连贯的；2）弱粘附强度（poor adhesive strength ） ，即胶接剂和胶接体接触界面上的弱连接。弱粘附强度通常是由表面预处理不好，或表面被污染造成的， 这类缺陷往往是大面积的、连贯成片的；3）弱内聚强度（ poor cohesive strength ） ，即强度低的胶接剂层，这一般是胶接剂配方不合理，混合不充分，工艺处理不充分等因素造成的。1.3 固体火箭发动机包覆层自动检测的特点和难点由于固体火箭发动机应用环境的特殊性和自身的结构特点，
7、其包覆层界面胶接质量检测具有以下特点和要求2：1）单边检测，即从钢壳外侧进行检测；2）检测面积大，脱粘面积检测分辨率要求高：通常，即使一般战术火箭弹，短的也有几十厘米， 长的可达数米。 直径从几十毫米到几百毫米。对不同种类的火箭发动机，允许的局部脱粘面积有所不同，但一般要求不大于1025mm；3）要求可靠地检测出机械贴合状态，即贴合而未粘合的脱粘缺陷；4）要求检测绝热层、衬层的厚度。固体火箭发动机包覆层胶接质量检测目前还是一个世界性的难题，其主要具有以下检测难点：1）由于钢的高声阻抗和橡胶的低声阻抗间存在很大的错配度，钢壳成为了一个强屏蔽层，使得超声波难以进入内部包覆（橡胶）层，再加上橡胶的高
8、声衰粘接层粘接剂层空气脱粘夹杂空洞无空气脱粘图 2 粘接结构中各种脱粘类缺陷减特性，深层回波信号非常微弱， 常常湮没在薄钢壳的多次强反射信号中，难以提取信号特征；2）在检测界面脱粘的同时， 还要测量出包覆层的厚度值。当包覆层较厚时，回波信号信噪比低， 而当包覆层较薄时， 多个回波信号混叠严重， 这些都会造成后续信号处理的困难。1.4 国内外研究现状和发展趋势目前，用于固体火箭发动机包覆质量诊断的无损检测方式有多种，如射线、超声、渗透和磁粉等都有广泛的应用3-15。 超声检测诸多优点而得到了广泛应用，国内外对此已做了大量的研究工作，提出了一些不同的超声检测方法，但是每种方法都有一定的适用范围和适
9、用对象。1.4.1 固体火箭发动机包覆层超声检测技术研究现状超声技术用于固体火箭发动机包覆层胶接质量无损检测与评估已有较长的历史了。从总体上讲，超声检测技术主要是对脱粘类缺陷（如完全空气脱粘、机械贴合和夹杂异物等） 进行检测， 超声评价技术主要是对粘接强度（含粘附强度和内聚强度）进行评价。目前，对于完全的空气脱粘缺陷，超声检测技术已取得了较大成功，而对于机械贴合类缺陷的检测方法目前来讲尚无定论。1984年，美国的 Busse L.J.等报道，他们采用超声成像装置（AIS）同时检测279mm的固体发动机壳体绝热层、绝热层推进剂脱粘以及内孔药柱裂6，但对绝热层推进剂界面的探伤并不成功，其它探伤结果
10、也比较粗略7；1986年ISTS第十五次会议上， Shimiuz M.等报道了用超声谐振探伤方法检验绝热层推进剂界面的技术8，后来又实现了对 H-I运载火箭上面级（第三级及远地点级）和H-II助推级固体发动机绝热层推进剂界面脱粘的现场检验9-10；1988年日本国际合作宇航实验室采用扫频式超声探伤法11，对直径范围 3872000mm的H-1型等多种型号的宇航发动机进行了检测，效果较好，后来美国也采用这种方法对“三叉戟”导弹进行了检测；2004年，多伦多大学的 A.N. Sinclair等人采用纵波谐振法检测 AIM-9 空对空导弹火箭发动机橡胶层和推进剂之间的弱粘接情况，该方法的最大不足在于
11、壳体的厚度变化和表面的保护涂层对检测结果影响较大，可能造成误判12。国内也有几家单位进行了这方面的研究工作，中国航天科技集团公司四院利用超声纵波多次反射法对固体火箭发动机喷管的金属壳体与非金属包覆层的胶接界面质量检测进行了研究13-14，上海航天技术研究院第 806研究所等单位利用谐振检测技术对钢壳体绝热层推进剂胶接质量进行了研15。总的说来，到目前为止， 对于胶接结构粘接质量的超声检测，没有哪一种方法是具有普遍适用性的， 总是要针对不同对象的特点来寻找最合适有效的方法进行检测。对于本文所要研究的固体火箭发动机多层胶接结构也是如此，由于其结构的特殊性， 致使它的各界面胶接质量的无损检测仍面临着
12、很大困难和挑战。从上个世纪六十年代到现在， 国内外能够比较好检测的仅局限于单包覆层的胶接质量检测，而且对单包覆层的绝热层/推进剂界面的检测也不很成熟，而对于多层包覆结构的胶接质量检测也一直缺乏有效的技术。另外也有人把超声层析成像引入这一检测领域16。20 世纪 80 年代为了解决这一无损检测问题，美国开始采用CT 技术，但遗憾的是， CT 技术对间隙甚微的贴合未粘合的缺陷检测也不擅长，并且检测费用高昂，相对检测速度较慢。综合横波检测、 漏兰姆波检测、 斜声束检测以及聚焦探头的优点，本研究中心提出了聚焦探头双模式检测法2。聚焦探头双模式检测法采用斜声束入射方式，克服了钢 -多层橡胶复合结构胶接质
13、量超声检测中钢层的屏蔽作用，同时采用聚焦探头， 改变入射角激发出多种模式板波，在很大程度上有效提高了检测回波的能量，解决了深层界面回波信号微弱的难题。1.4.2 超声自动检测系统的研究现状和发展趋势自动化是一个国家现代化水平的标志之一，近十多年来， 自动检测技术有了较快的发展， 检测仪表与执行器超着数字化与智能化的方向发展，先进控制技术得到了推广与普及， 管控一体化与集成化的趋势更加明显，自动化系统的经济效益更加显著16。1929 年原苏联的Sokolov 成功研制出了第一台连续超声波检测探伤仪，20世纪 60 年代，德国人成功研制了小型超声波检测探伤仪，其主要性能取得了突破性进展，从此，超声
14、波检测探伤仪技术在工业领域得到了广泛的应用。（马宏伟，电触头钎焊接超声成像无损检测技术研究博士论文 ，西安，西安交通大学，1998）自从 20 世纪 80年代以来， 超声检测系统得到了迅速发展，并迅速向工业现场、实用化和自动化方向发展。近年来，借助于计算机技术、电子技术、机电一体化技术等， 超声检测系统正向着数字化、图像化、智能化和自动化的方向发展。超声检测系统与计算机的结合被认为是超声检测技术的一大突破，计算机使超声检测系统能够自动选择检测参数并相互校正，自动记录数据并显示图像， 对检测结果进行自动判读等。20 世纪 90年代，涌现了各种智能检测机器人，形成了机器人检测的新时代。 日本东京煤
15、气公司研制的蜘蛛机器人，采用真空吸盘吸附，能在球罐运行时对其焊缝进行检测；日本NKK 公司研制的一种测量输油管道腐蚀情况的机器人可以在管道内借助液体流动的推力前进，利用测量超声脉冲反射时间计算腐蚀深度；丹麦Force研究所研制了一系列轻便爬壁机器人，采用磁吸附于预置磁条跟踪方式可检测各种大型储罐与船体的焊缝18。当前，超声自动检测系统的研制已进入到数字化的阶段，该技术是采用超声波检测仪器采集超声波回波信号经接受部分放大后，由 AD 转换为数字信号传给微处理器，微处理器再把随时间和位置变化的超声波形进行适当处理，得出进一步控制检测系统的结论， 它一方面承袭了常轨超声波检测探伤仪的基本模式和基本功
16、能，另一方面又具有数据存储和运算的功能，实现了检测过程中自动定位、自动判读、 自动显示、 自动存储并打印输出检测报告的功能。不仅解决了超声波检测不可记录的问题，而且减少了人为误差，提高了检测结果的可信度。（1、施文康，检测技术，北京，机械工业出版社，2000，2、张宝芬，自动检测技术及仪表控制系统，北京，化学工业出版社，2000）随着各种新材料和复合材料的出现使用，以及对现代无损检测技术的要求不断提高，研制和开发数字化、智能化、模块化、网络化的超声自动检测系统已成为发展的必然，未来的超声检测仪器应具有： （1）模块化和插卡化；（2）高数字化、高智能化和图像显示功能； （3）数据库及自动识别功能；（4）专门的超声检测专家系统。（便携式数字化超声波检测仪器的研究。硕士论文，李健，2005，西安科技大学）超声波自动检测的未来主要趋势还是应该朝研制一种智能化的诊断装置方向发展。这种智能化诊断装置应该具有能增加所获得被检工件的信息量、提高信息质量以及经专门的数学后续处理等手段来提高评价工件质量的能力。（D.D
