陳 怡，喻湘鳳

（中國航天科技集團第四研究院四十七所，西安 710025）

固體火箭發(fā)動機是當今各種導彈武器的主要動力裝置，在航空航天領域也具有相當廣泛的應用。其結構簡單，因而具有機動、可靠和易于維護等一系列優(yōu)點，非常適合現(xiàn)代戰(zhàn)爭和航天事業(yè)的需要。固體推進劑藥柱在制作工藝、固化冷卻、長期貯存、長途運輸、勤務處理和點火發(fā)射期間要承受各種載荷的作用，同時受溫濕度等貯存條件的影響，發(fā)動機的推進劑、襯層及絕熱層等將發(fā)生物理和化學性質的變化。它們的共同作用會破壞固體火箭發(fā)動機的結構完整性，導致藥柱內產生氣孔、裂紋、藥柱與殼體粘接面脫粘等缺陷。

這些缺陷在火箭發(fā)動機燃燒時將產生“超”燃燒表面［1］。因此，對固體發(fā)動機缺陷進行分析并采用可靠的檢測手段發(fā)現(xiàn)這些缺陷，已經成為推進技術研究領域的重要課題。

1 固體火箭發(fā)動機缺陷及其對發(fā)動機的影響

固體火箭發(fā)動機缺陷主要包括燃燒室缺陷和噴管缺陷，其中燃燒室缺陷又可分為藥柱缺陷和粘結界面脫粘缺陷兩大類。對發(fā)動機威脅最大的缺陷是粘結界面脫粘缺陷。

粘結界面脫粘缺陷［2］可分為5種情況，即① 殼體與絕熱層之間的界面脫粘。主要是由于絕熱層貼片過程中殼體清理不干凈引起粘結質量問題而造成的，此外固化加溫加壓控制不好、粘結劑質量較差或貯存老化也會形成此類缺陷。② 絕熱層與襯層之間的界面脫粘。襯層噴涂前絕熱層表面清理不徹底、襯層與絕熱層材料的化學相容性不好或貯存老化都容易形成界面脫粘。③ 襯層與推進劑藥柱之間的界面脫粘。貯存老化或貯存過程中的過度應力都容易形成界面缺陷。④ 層間脫粘。由于絕熱層往往是二層或多層結構，絕熱材料各層粘結不牢就會產生脫粘。⑤層間粘結界面疏松。其是絕熱材料各層粘結不牢產生的疏松或固化壓力不足形成的分層和微孔現(xiàn)象。

藥柱缺陷［3］大致可以分為7種情況，即① 藥柱氣孔或孔洞。澆注期間如果排氣不好，氣體沒有徹底排除，待固化后就會形成氣孔。澆注過程中藥漿流動性較差或芯模溫度與藥漿溫度不平衡就會造成鄰近芯模藥柱的孔洞。② 藥柱裂縫。推進劑力學性能不良容易形成藥柱裂縫。③ 藥柱表面裂紋。拔模時的拉傷或溫度降低到超出環(huán)境溫度范圍，都會產生微裂紋。④ 夾雜。異物落入還沒有固化的藥柱會造成夾雜。⑤ 藥柱內表面缺陷。貯存過程中藥柱內表面出現(xiàn)的變形、脫濕或龜裂現(xiàn)象。⑥ 限燃層脫落。貯存老化會造成限燃層的脫落。⑦包覆套脫粘。貯存老化等原因會造成包覆套與襯層脫開。

2 固體火箭發(fā)動機損傷的診斷探測方法

2.1 射線計算機斷層掃描法（工業(yè)CT技術）［4］

計算機斷層掃描成像（CT）技術起源于X射線照相技術，應用于復合材料研究已有十幾年歷史。CT檢測能夠給出被掃描物體斷層面內材料密度的二維空間分布，通過分析斷層面內密度分布，就可以獲得復合材料內部密度均勻性、微孔隙體積含量與分布等方面的信息。該技術的特點是：① 高空間分辨率和密度分辨率（通常＜0.5%）。② 高動態(tài)檢測范圍（從空氣到復合材料再到金屬材料）。③ 成像尺寸精度高。④ 在穿透能量足夠的情況下，不受試件幾何結構限制。局限性表現(xiàn)為：檢測效率低、檢測成本高、雙側透射成像、不適合于平面薄板構件的檢測以及大型構件的現(xiàn)場檢測。利用CT成像技術可以有效檢測先進復合材料中的孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，也可以測量材料內部的密度分布情況，如材料均勻性、微孔隙含量等。

早在20世紀80年代初期，美國就率先研制出了用于檢測大型固體火箭發(fā)動機復合材料殼體的工業(yè)CT設備，并逐漸將該技術應用于其它先進復合材料結構的無損檢測中。20世紀80年代中期，美國軍方將工業(yè)CT技術用于中小型固體火箭發(fā)動機的絕熱層與殼體的粘接質量、藥柱內部的裂紋、氣孔、夾雜及藥柱與絕熱層之間的粘結等質量進行檢測（100%檢測或關鍵界面檢測），發(fā)現(xiàn)了許多常規(guī)無損檢測方法難以檢出的質量問題，從而使故障率從40%降到了8%，大大提高了固體火箭發(fā)動機的安全性能。1982年，美國建成了世界上首臺用于固體火箭發(fā)動機檢測的工業(yè)CT裝置AF／ACT－Ⅰ［5］，其射線源為420kV的X射線機，用于檢測1m以內的發(fā)動機。1984年美國又研制成功了第二型機AF／ACT－Ⅱ，其射線源為16MeV的直線加速器，用于檢測直徑2340mm的MX導彈第二級固體火箭發(fā)動機。到1992年，美國空軍萊特實驗所與先進研究應用公司已經推出功率為60MeV的工業(yè)CT機，用于直徑3.8m、長13.71m的大型固體火箭發(fā)動機的無損檢測。該機可以得到發(fā)動機內部的三維細化圖像，能查明裝藥氣孔、裝藥與絕熱層界面脫粘等缺陷。

隨后，英、法、日、印度等國也先后將工業(yè)CT檢測技術應用于固體火箭發(fā)動機的質量檢測［6］。目前，工業(yè)CT技術已用于直徑2 500mm固體火箭發(fā)動機的質量檢測。R.Oster等將CT檢測系統(tǒng)作為無損檢測手段，應用于直升機纖維轉子葉片的整個壽命周期即開發(fā)、生產和運行維護階段，有助于提高復合材料構件的質量和監(jiān)控動態(tài)載荷作用下的疲勞行為。在開發(fā)研制階段，會產生降低強度的預浸層的偏移和波動的疊層，這些復合材料結構內部的層板變形只能通過CT來檢測；為了優(yōu)化生產過程，每個轉軸葉片都要采用CT檢測熟化過程后的偏析情況，斷層掃描圖像上可看到制造缺陷和纖維構件橫斷面的偏析情況；在轉軸葉片的運行階段，如發(fā)生超過極限載荷的應變損傷時，CT用于檢測受損葉片的內部結構。

我國也于90年代后期成功地將工業(yè)CT技術應用于C／C復合材料、碳／酚醛復合材料等的檢測，解決了一些關鍵性的無損檢測技術難題，取得了較好的經濟效益與社會效益。倪培君等用CT成像方法對一含鎢絲碳／碳復合材料試樣進行缺陷檢測，從CT掃描圖像中清楚地看到鎢絲束的排布及斷束缺陷；他們還在某種型號炮彈上進行了初步工業(yè)CT檢測試驗，結果發(fā)現(xiàn)某炮彈引信下面存在裝藥縮孔缺陷，這類缺陷用射線照相的方法難以檢出。

將工業(yè)CT技術應用于固體火箭發(fā)動機的質量檢測，實際測試證明，工業(yè)CT技術對固體火箭發(fā)動機的絕熱層和藥柱中的氣孔、夾雜、裂紋及脫粘等常見缺陷具有很高的檢測靈敏度，并能準確測定其尺寸和部位。用工業(yè)CT技術檢測固體火箭發(fā)動機質量是可行的，可以滿足較高的檢測要求，尤其是對固體火箭發(fā)動機多界面的質量檢測，是其它常規(guī)無損檢測方法無法比擬的。工業(yè)CT檢測技術的應用，不但是其它常規(guī)無損檢測方法在固體火箭發(fā)動機質量檢測上的補充，而且對固體火箭發(fā)動機的研制和生產工藝的制定具有重要作用。

2.2 超聲波檢測技術

超聲檢測技術，特別是超聲C掃描，由于顯示直觀、檢測速度快，已經成為大型先進復合材料構件普遍采用的檢測技術。應用超聲縱波多次反射法，對固體火箭發(fā)動機噴管金屬與非金屬復合構件粘接界面進行了無損檢測，試驗結果證明采用超聲縱波多次反射法能比較準確地發(fā)現(xiàn)被測件內部的脫粘缺陷；經與噴管解剖結果對照，脫粘位置和脫粘面積也與檢測結果吻合。

超聲波脈沖發(fā)射法最早用于固體火箭發(fā)動機的無損檢測，對檢查固體發(fā)動機殼體與絕熱層之間的脫粘情況十分有效。為解決陣地綜合測試的技術問題，美國曾在1976年采用聲全息法檢測民兵導彈多層脫粘及藥柱內部老化裂紋［7］，但對發(fā)動機前、后端的脫粘及藥柱內部的裂紋不適用。通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，日本航空宇宙技術研究所“固體火箭發(fā)動機超聲波探傷”中報導，他們曾采用超聲波多次反射法成功地對非金屬包覆層和鋼殼體粘接面進行了檢測；經過多年的研究，采用超聲縱波多次反射法對噴管金屬殼體與非金屬粘接界面的粘接質量進行檢測，現(xiàn)已成功地用于產品的批量探傷。

2.3 低頻超聲波檢測方法

推進劑組分與橡膠材料類似，都是一種聲阻尼高的材料。因此，以前研究人員普遍認為超聲波通過推進劑傳播［8］是不太可能的，但是如果利用低頻探頭，這種方法就是可行的。研究人員目前研究了兩種超聲檢測方法：第一種是接觸法，第二種是非接觸法，示意圖如圖1所示。因為超聲波在通過裂紋時會發(fā)生反射并衰減，所以通過測量所接收到的經過推進劑的超聲波強度，就可以檢測出存在的缺陷。

2.3.1 接觸法

傳播探頭放置在推進劑表面上，接收探頭放置在推進劑表面的另一邊，圖1（a）為接觸法的示意圖。

圖1 接觸法與非接觸法示意圖

研究人員利用試件對這種方法進行了評估。試件模擬了真實尺寸（厚約1 000mm）的固體推進劑，在試件中人工制造了一些缺陷，圖2為試件中人造缺陷設置的示意圖。在所有的人造缺陷中，超聲波衰減了5～10dB。盡管發(fā)射波的強度隨著傳送距離的不同而不同，但研究人員還是能夠檢測出所存在的缺陷。這種方法的檢測能力大約為φ10mm，因此其檢測能力與X射線法相當。

圖2 人造缺陷的設置

該方法已經應用于固體火箭發(fā)動機的產品中，試件與產品的差別在于固體推進劑的外部有絕熱層和發(fā)動機殼體。圖3為接觸法用于發(fā)動機產品的示意圖。

圖3 接觸法用于發(fā)動機產品檢測的示意圖

然而，這種方法操作時需要耦合材料。如果檢測是手動進行的，接收的強度將會不斷變化。為了解決這個問題，研究人員又開發(fā)了非接觸檢測法，其不需要耦合材料，還可以提高工作效率。

2.3.2 非接觸法

非接觸法使用一種裝置發(fā)射線性調頻脈沖，可以有效地改善信噪比。在非接觸法中，發(fā)射探頭和接收探頭不用放置在推進劑上，超聲波通過周圍空氣和推進劑進行傳播。

研究人員利用試件對這種方法進行了評估：首先測量超聲波通過周圍空氣后被接受到的強度以了解存在多大的聲阻尼；然后測量超聲波通過周圍空氣和推進劑樣品后被接收到的強度；最后，研究了利用此方法檢測推進劑中所存在缺陷的能力。

圖4為非接觸法對某試件的測量結果，由圖4可見，經過人造缺陷后，超聲波衰減了15～20dB。因此，利用非接觸法可以分辨出推進劑上是否存在缺陷。

圖4 非接觸法對某試件的測量結果

研究人員已經確定非接觸超聲波法可以應用于固體火箭發(fā)動機上，推進劑厚約300mm；利用非接觸超聲波法可以檢測推進劑中20mm×20mm的缺陷。圖5為非接觸法測量某發(fā)動機的示意圖。其測量設備型號為SecondWave NCA1000；發(fā)射器脈沖為線性調頻脈沖；發(fā)射和接收探頭中心頻率均為100kHz，在空氣中的傳播距離均為20mm。

圖5 非接觸法測量某發(fā)動機的示意圖

在非接觸超聲波檢測方法中，探頭不直接與發(fā)動機接觸，便于實現(xiàn)機械化，從而提高工作效率。未來的研究重點在于將非接觸超聲波法用于推進劑厚度約1 000mm的大型固體火箭發(fā)動機的檢測上。

2.4 聲－超聲檢測技術

聲－超聲（AU）技術又稱應力波因子（SWF）技術。與通常的無損檢測技術不同，AU技術主要用于檢測和研究材料中分布的細微缺陷群及其對結構力學性能（強度或剛度等）的整體影響，屬于材料的完整性評估技術。采用聲－超聲振幅C掃描技術也能夠對復合材料與金屬材料間的粘接界面進行有效檢測，而且克服了超聲反射技術信號清晰度不高、超聲透射技術傳感器可達（及）性差的缺點。目前聲－超聲技術的研究主要集中在物理傳播模型的建立上，以期在理論指導下合理解釋接收信號，進一步改進評估方法。

固體火箭發(fā)動機殼體結構多為層狀粘接結構，各層界面的粘接失效是發(fā)動機結構完整性破壞的關鍵形式之一。此外，固體火箭發(fā)動機在應用復合材料以減輕各部件整體重量和提高結構強度的同時，其各向異性和較強的聲衰減性給檢測工作的可靠性提出了新的要求。

針對固體火箭發(fā)動機的結構特點，研究人員設計了復合材料殼體／絕熱層粘接結構的檢測試件，并在試件上制作了一系列大小不等的圓形孔洞，以模擬發(fā)動機實際檢測中的常見孔洞缺陷，考察AU檢測技術對粘接結構中此類缺陷的檢出能力。

試驗使用的HSD4超聲波發(fā)射／接收卡選定采樣頻率為25MHz。發(fā)射和接收探頭都選用寬帶窄脈沖縱波直探頭。耦合劑為機油，利用探頭和夾持支架的自重作為耦合壓力，減小了耦合壓力的變化對試驗結果的影響。檢測時，將孔洞缺陷置于兩探頭中間，發(fā)射探頭和接收探頭分別接入超聲波發(fā)射／接收卡的信號輸入和輸出端。發(fā)射探頭和接收探頭的信號都被超聲波發(fā)射／接收卡采集，然后通過PCI接口傳到計算機中進行信號處理工作。聲－超聲檢測系統(tǒng)框圖如圖6所示。檢測試件由復合材料殼體和絕熱材料粘接而成。復合材料為高硅氧玻璃纖維／環(huán)氧樹脂基復合材料，絕熱層為三元乙丙橡膠。試件長、寬均為280mm，復合材料厚度為5mm，絕熱層厚度為3mm，孔洞缺陷直徑由小到大分別為10，20，30mm。

圖6 聲－超聲檢測試驗系統(tǒng)示意圖

采用自適應濾波法實現(xiàn)了對檢測信號的噪聲降解，采用小波變換實現(xiàn)了對信號的多分辨率分析。通過計算不同頻帶上信號的能量占總能量的比重可得，第三級頻帶上信號的能量占比最大，代表了信號的主要特征信息，故定義這一級頻帶為信號的特征頻帶。構建能量積分SWF，對信號的特征頻帶進行計算。通過SWF的數(shù)值可以判斷試件有無孔洞缺陷，并可對孔洞缺陷大小作定性判斷。試驗表明，AU技術可以實現(xiàn)對固體火箭發(fā)動機結構粘接質量的有效檢測。

2.5 激光全息（散斑）無損檢測法

激光全息無損檢測法的基本原理是：對被檢測構件施加一定載荷后（加力載荷或熱載荷），構件表面的位移變化與材料內部是否存在分層性缺陷及構件的應力分布有關，內部存在分層性缺陷及應力集中區(qū)的位移量大于其它區(qū)域的位移量。雖然該方法對復合材料內部宏觀缺陷的檢測能力與可靠性均低于超聲波檢測法，但它可全面檢測復合材料構件承載狀況下的應力分布情況，所獲得的檢測數(shù)據(jù)量遠高于目前普遍采用的在構件部分點用電測方法獲得的數(shù)據(jù)。

與其它檢測方法相比，激光全息檢測是一種干涉計量術，其干涉計量精度與激光波長數(shù)量級相同，因此極微?。ㄎ⒚讛?shù)量級）的變形也能被檢測出來；由于激光作為光源，而激光的相加長度很大，可以檢驗大尺寸產品；對被檢對象沒有特殊要求，可對任何材料和粗糙表面進行檢測；可借助干涉條紋的數(shù)量和分布來確定缺陷的大小、部位和深度；直觀感強、非接觸檢測，檢測結果便于保存。激光全息無損檢測應用領域涉及航空航天產品中常見的蜂窩夾層結構脫膠缺陷、復合材料層壓板分層缺陷、火箭推進劑藥柱中的裂紋和分層及飛機輪胎中的胎面脫粘缺陷的檢測等［10］。

英國Loughborough大學1978年開發(fā)了電子散斑干涉技術［11］，現(xiàn)已應用于許多復合材料，特別是剝離夾層組件的檢測。目前Loughborough大學研發(fā)的電子散斑圖案干涉儀可以進行特定的無損檢測。

對于固體發(fā)動機來說，激光全息技術是利用光學干涉原理波前記錄和再現(xiàn)的一門科學。當固體推進劑藥柱受力時（機械力、抽真空和熱應力等），藥柱內部缺陷的外表面將發(fā)生異常變形，產生不同程度的位移。這在全息圖相應部位會出現(xiàn)不連續(xù)的突變或一些封閉的不規(guī)則環(huán)形，觀察變形前后的全息圖，便可確定缺陷的有無。激光全息技術將激光全息照相和干涉測量結合起來，在量值（變形量）測量精確度上超過其它方法。該技術主要用于固體推進劑藥柱的缺陷及包覆套脫落的檢測，靈敏度較高。

3 結論與建議

（1）針對不同型號的發(fā)動機，確定各自理想的檢測設備和探傷工藝。綜合應用超聲、內窺鏡、激光全息和X射線檢測等多種方法對固體火箭發(fā)動機進行無損檢測。為提高檢測效率、降低檢測成本，可由抽檢得到的先驗知識確定發(fā)動機需要檢查的關鍵部位，然后以各關鍵部位為中心檢查相鄰部位的缺陷情況；如果發(fā)現(xiàn)缺陷則繼續(xù)以此位置為中心開始檢查，如果沒有缺陷則進行下一個關鍵部位的檢查，從而制定出科學合理的探傷工藝。

（2）檢測設備的小型化、機動化。采用固體火箭發(fā)動機為推進裝置的導彈和其它武器大多都是在作戰(zhàn)陣地進行發(fā)射的。因此，發(fā)展小型化的機動無損檢測設備是保證安全發(fā)射的需要。

（3）檢測設備的計算機化。要求設備抗干擾能力強，檢測精度高，速度快，可全面采集、存儲和分析各種數(shù)據(jù)，并進行實時處理和再現(xiàn)，使無損檢測技術逐步走上自動化、數(shù)字化的軌道。

（4）檢測設備的配套系統(tǒng)建設。通過提高檢測設備的自動化管理水平，如采用發(fā)動機自動滾轉與定位支架、射線照相檢測的膠片自動裝卸傳送系統(tǒng)等配套設備，將大大提高檢測效率。

（5）檢測結果的定量判斷。除工業(yè)CT方法外，其它探傷手段得到的檢測結果（如數(shù)字圖像、底片和檢測數(shù)據(jù)等）很難給出缺陷的定量判斷。依據(jù)檢測結果給出缺陷的位置、大小及其性質，對于固體發(fā)動機的無損檢測顯得尤為重要。

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