固体发动机粘接界面受载状态监检测装置的制作方法

本实用新型涉及火箭固体发动机检测技术领域，具体为固体发动机粘接界面受载状态监检测装置。

背景技术：

固体火箭发动机由于其具有结构形式简单﹑使用维护方便、可靠性高、贮存性能稳定、机动性高和经济性好等一系列优点，目前各国现役和在研的一百多种导弹中，固体导弹占到了80％以上。经过四十多年的发展，我国现役的型号导弹中，大多数第一级或第二级发动机都使用其作为推进动力装置。因固体火箭发动机是长期贮存、一次使用的，所以工业部门在将固体火箭发动机交付部队时都统一给出了其贮存和使用寿命。但在部队的实际使用中，由于各固体火箭发动机的贮存和工作环境都不尽相同，即使是同一型号、同时产生的发动机，其真实的寿命也会有很大的差异。而其真实寿命为随机变量，所以在这一批次中会有很大一部分的发动机还是在寿命期内的，对这些寿命期内的发动机进行报废销毁会对我军战斗力产生重大的影响，也是对国防经费的重大浪费。

据不完全统计，国外服役的固体发动机由界面脱粘引起的失效报废达到三分之一。对浇铸式固体发动机而言，界面粘接质量尤为重要。浇铸式固体发动机包括多个粘接界面，有壳体/绝热层、绝热层/衬层、衬层/推进剂界面，其中任何一个界面发生脱粘，将直接破坏发动机的结构完整性，致使发动机失效，甚至使发动机发生爆炸事故。因此对于发动机各粘接界面性能的研究已成为该领域研究者所关注的重点。

对于固体火箭发动机状态监测的传感器子系统可分为外置式传感器和埋入式传感器。目前广泛使用的发动机无损检测系统就属于外置式传感器。典型的外置式传感器检测系统就是工业CT检测系统，工业CT检测系统具有系统复杂、检测时间长、检测截面有限、成本高、维护繁琐等缺点。埋入式传感器现阶段主要应用于飞机发动机的监检测，并取得了一定的研究成果，而采用埋入传感器对固体火箭发动机健康监检测的研究还只是局限在理论和模拟发动机的应用上。至今为止，埋入式传感器还只是用于模拟的监检测发动机中，并未用于实装发动机中；推进剂的所有化学性质仍然依靠解剖发动机、取出装药进行试验的破坏方式获得。

技术实现要素：

本实用新型的目的是具有实用性的固体发动机粘接界面受载状态监检测装置，所采取的技术方案是：

这种固体发动机粘接界面受载状态监检测装置，包括设置在固体发动机内壁的应力-温度传感器，设置在固体发动机外并与应力-温度传感器通过引线相连的应力变送器、与应力变送器相连的数据采集系统及激励电源，与现有技术不同的是：所述的应力-温度传感器共九个，结构形式为平膜圆柱型，传感器直径≤Φ15mm，厚度≤3mm，引线为绝缘扁平连接线，宽度3mm，厚度约为0.1mm；在所述的固体发动机距离其前端1/4处和1/2处、周向6 点钟位置、9点钟位置和12点钟位置的绝热层分别开设内径大于应力-温度传感器外径 2mm、深度≤3mm的盲孔，并在每个盲孔朝向固体发动机前端的方向开设宽度稍大于3mm 的斜坡槽，六个所述的应力-温度传感器通过环氧树脂AB胶粘附在所述盲孔内，其引线也通过环氧树脂AB胶粘附在斜坡槽及固体发动机绝热层并沿固体发动机轴向从固体发动机前端引出；在所述的固体发动机距离其前端3/4处、周向4点钟位置、8点钟位置和12点钟位置的壳体/绝热层界面开设内径大于应力-温度传感器外径2mm、深度≤3mm的盲孔，并在每个盲孔对应于传感器出线位置、朝向固体发动机前端的方向开设宽度稍大于3mm的斜坡槽，三个所述的应力-温度传感器通过环氧树脂AB胶粘附在所述盲孔内，其引线也通过环氧树脂AB胶粘附在斜坡槽及固体发动机绝热层并沿固体发动机轴向从固体发动机前端引出；所述的应力-温度传感器及其引线除与盲孔及绝热层接触面外其他各面涂刷衬层，衬层内浇筑推进剂药柱。

进一步地，所述的应力-温度传感器的应力范围：-0.1～1MPa；温度量程：-40～ 70℃；应力精度：≤5％；温度精度：≤1℃；传感器出线：聚酰亚胺导电膜。

当数据记录系统为16通道记录仪时，所述九个应力-温度传感器中八个为实际监检测用，另外一个为冗余。

与现有技术相比，本实用新型有如下特点：

(1)传感器易于安装、不影响装药应力场、具有较高的精确性与稳定性，并且能全面的监测所需要的数据信息；

(2)埋入后对发动机粘接界面强度特性、贮存特性以及工作特性的影响较低，不对发动机结构产生破坏性影响；

(3)埋入在发动机受各种载荷作用下时界面温度响应最快或应力最大处。

(4)与工业CT等现有外置式阶段性抽样检测装置相比，该检测装置具有实时性、全寿命周期可测性。

附图说明

图1是本实用新型应力-温度传感器在固体发动机上的分布示意图。

图2是图1中A-A处的剖视图。

图3是图1中B-B处的剖视图。

图4是图1中C-C处的剖视图。

其中：图中标号1的部件为应力-温度传感器。

具体实施方式

一、固体发动机及其健康监检测系统

固体发动机的结构主要由点火装置、燃烧室、喷管组成。其中燃烧室是固体发动机的核心部件，而发动机各粘接界面又是燃烧室的薄弱部位。因此，粘接界面健康状态的监检测是发动机结构健康监检测的重要组成部分。根据发动机粘接界面产生脱粘的原因、特点与失效模式分析结果，固体发动机结构健康监检测目标量确定为药柱粘接界面应力和温度。

固体发动机结构健康监检测系统主要由硬件——固体发动机粘接界面受载状态监检测装置和软件两部分组成。硬件部分包括传感器网络和相应的数据采集设备；软件部分包含信号的处理、分析和判废标准等。

固体发动机粘接界面受载状态监检测装置，重点是传感器技术方案的设计，而传感器的设计应重点考虑固体发动机药柱、衬层和绝热层的结构特点。

固体发动机燃烧室通常由药柱、绝热层、衬层、壳体组成。药柱是燃烧室的主要组成部分，一般质量分数最大。通常绝热层和衬层的结构质量占燃烧室总质量的分数较小，结构尺寸也较小，一般情况下衬层厚度为0.5mm-1mm；绝热层厚度在0.8mm-20mm之间；壳体材料有金属与非金属两种，壳体壁厚一般在1mm-5mm之间。

通常粘接界面应力测试的方法有两种，一种是在发动机壳体壁上打孔，传感器通过孔测量粘接界面应力，即活塞式界面应力传感器；另外一种是传感器内置在壳体内部，固定在壳体内壁上，即埋入式微型应力传感器。两种方法各有优缺点，第一种方法通常用于气体或液体应力的测试。优点是适用温度范围宽，对传感器结构尺寸和体积要求较低，而且对于药柱应力场的影响基本可以忽略；缺点是需要在壳体壁上打孔，影响发动机的结构完整性和可靠性。第二种方法通常用于固体或液体应力的测试。优点是不破坏发动机燃烧室的结构，不影响发动机的结构完整性和可靠性；缺点是对传感器结构尺寸和体积要求较高，对药柱应力场有一定的影响。

通过对国内外相关项目研究资料的跟踪、收集和梳理，可以看出由于埋入式应力-温度测试方法的优点比较突出，而且相关研制的基础支撑技术发展较快，因此，埋入式界面应力-温度传感器是未来监检测技术的发展趋势。本实用新型结合我国传感器设计生产技术水平实际，确定采用微型埋入式界面应力-温度传感器用于监测粘接界面的应力-温度数据。

粘接界面应力-温度监检测装置除了作为核心传感元件的应力-温度传感器之外，还包括激励电源、应力变送器、数据采集系统。从前述的燃烧室绝热层、衬层与壳体结构特征尺寸可知，燃烧室内部传感器的埋置空间非常有限，同时由于埋入式传感器技术水平与安全性的限制，粘接界面应力-温度监检测系统的激励源和输出变送装置放置在发动机外部。考虑到推进剂的安全性，传感器的供电采用低压直流供电，根据推进剂的安全指标确定直流电压为5V，这样就能提供低压、低功耗、高稳定性、高安全性的供电。由于压力传感器输出信号较弱，需要将传感器输出的微小压力变化转换为相应的电信号，通过放大、A/D转换和数字信号处理实现数据的自动采集。

二、粘接界面应力-温度传感器的结构及性能指标

作为整个结构健康监检测系统的感知和神经系统，传感器担负着在结构中采集与各种物理量直接相关的数据和信息的任务。是整个结构健康监检测系统实现的基础。粘接界面应力-温度传感器研究的第一步是确定传感器的结构方案和性能指标。

(1)结构方案的选择

早在60年代后期，美国洛克希德公司就依据与美国空军火箭推进实验室的合同要求开展了“STV”计划研究，研究了用于固体发动机药柱的应力、应变和温度传感技术。并在后续相关计划中持续对传感器结构与性能进行了改进和提高，近年随着微机电技术进入实用化阶段以及在美军方强烈需求的推动下，MICRON公司研制了能同时测量温度与应力的双参数微型粘接界面应力-温度传感器。该传感器技术成熟，应用情况良好。参考该传感器结构型式和参数，同时结合我国相关行业的技术水平，确定了本实用新型粘接界面应力-温度传感器的结构形式为平膜圆柱型，传感器直径≤Φ15mm，厚度≤3mm。

(2)性能指标的确定

固体发动机在生产、贮存、运输、值班和使用的全寿命周期内要经历各种环境与载荷的作用。发动机药柱/绝热层粘接界面的应力和温度与药柱结构、材料特性和环境历程密切相关，因此，需要根据极端环境下发动机粘接界面应力-温度确定传感器性能指标。

根据大量相关的有限元计算结果，极端环境下某型号发动机靠近前封头部位在典型载荷作用下的药柱/绝热层粘接界面应力最大值≤1MPa。根据计算结果，确定粘接界面应力- 温度传感器的主要性能指标如下：

应力范围：(-0.1～1)MPa；

温度量程：(-40～70)℃；

应力精度：≤5％；

温度精度：≤1℃；

超负荷：150％；

传感器尺寸:≤(Φ15×3)㎜；

供电电压：5VDC；

传感器出线：聚酰亚胺导电膜，引线长度2m；

引线要求：绝缘扁平抗干扰连接线；

传感器封装材料应具备防潮、防腐蚀能力。

三、监检测装置组成及技术指标

综合上述粘接界面应力-温度监检测系统方案，确定粘接界面应力-温度监检测装置中的变送器和数据采集系统的具体技术指标如下：

变送器尺寸：≤(70×60×40)mm；

变送器供电：24VDC；

变送器输出：两路，5VDC，(4～20)mA；

数据采集系统具备应力与温度零点调节功能；

数据采集系统外部供电；220V；

数据采集系统输出：24VDC；

数据采集系统显示位数：4位；

数据采集系统显示信号：两路(温度与应力各一路)。

四、仿真试验

1、监检测发动机的设计

考虑到经费问题，监检测发动机壳体采用45号钢，推进剂、绝热层和衬层材料与原型发动机相同，考虑到试验的安全性问题，推进剂采用与端羟基聚丁二烯复合固体推进剂力学性能一致的模拟装药，绝热层采用三元乙丙材料，衬层采用B703配方。为减少试验难度和降低成本，只对发动机的圆柱段结构进行模拟，装药为内孔型装药。

监检测发动机采用内孔型装药的结构形式，这样能够更加准确的监测到界面的温度和应力，并且保证各传感器监测数据的一致性。监检测发动机壳体设计成沿轴向分半式结构，两半壳体通过侧面的法兰进行连接。采用这样的结构形式能有效的降低界面应力传感器埋置的难度，确保界面传感器的安装精度与埋置质量，提高传感器的测量精度。

燃烧室筒体的壁厚：

材料选取45号钢(GB905-82)。最小壁厚：

式中δ_min为最小壁厚；φ为压力波动系数，一般取φ＝1.1～1.2，本文取1.2；p_max为最大工作压强，本文取10MPa；D_i为圆筒的内径，本文取300mm；ξ为焊缝强度系数，一般取ξ＝0.9～1.0，本文取0.9；σ为材料的许用应力，其中为在T℃下的强度极限； n_b为安全系数1.25～1.5，本文取安全系数取1.5。

综合上述，可得燃烧室筒体的最小壁厚为

考虑可靠性和采用现有材料，监检测发动机最终壁厚确定为5mm。

前后封头法兰连接的螺栓尺寸和数目：

考虑后续试验方便，前后封头连接采用法兰螺栓连接形式，为此应确定螺栓尺寸和数目。

法兰总承受力：

F_a＝kp_maxA

式中：F_a为法兰总的承受力；

k为修正系数，一般取k＝1.5～1.8，在此取1.8；

p_max为最大工作压强；

A为受力面积。

综合上述，可得法兰总的承受力为：

F_a＝381510(N)

经查GJB123《螺栓、螺钉技术条件》和GJB143《螺栓和螺钉的强度数据》得材料为 45号钢的M12×1.5的螺栓最小破坏拉力为F_E＝51900(N)，这样可得所需螺栓数目为

模拟发动机法兰连接的螺栓数目最终确定为8个均布的M12×1.5螺栓。

监检测发动机的强度校核：

在进行应力分析和强度校核前，首先应弄清发动机的受载情况。原型发动机承受的载荷有：内载荷(燃气产生的内压、轴向推力、点火冲击等)、外载荷(如重力、机械冲击、振动等)和连接载荷(零部件对壳体作用的载荷)。由于监检测发动机的试验任务是在地面进行的，虽然不进行点火试验，但考虑到误点火，故监检测发动机的应力分析只考虑燃气产生的内压载荷。

采用商用有限元计算软件，根据监检测发动机几何模型的对称性，取1/10进行三维应力应变分析。得出发动机壳体的节点最大等效应力为Pa。根据第四强度理论，等效应力小于材料的许用应力(材料的许用应力为Pa)，确定设计的监检测发动机安全可靠。

研究确定发动机壳体筒段内径Φ300mm，外径Φ310mm，长度为1200mm。两端面为外法兰连接方式。

药型、绝热层和衬层的确定：

为满足几何相似，绝热层厚度和衬层厚度与原型相同。药型采用内孔型装药，内孔直径为Φ 50mm。绝热层厚度为3mm，采用高温高压挤压法成型。衬层采用B703配方,采用刷涂法制成，厚度约为0.5mm(埋入传感器后刷涂衬层)。

2、传感器埋入位置

粘结界面应力-温度传感器埋入位置的确定应遵循以下三个原则：

(1)应考虑试验过程中传感器应满足易于安装、不影响装药应力场、具有较高的精确性与稳定性，并且能全面的监测所需要的数据信息；

(2)埋入后应尽量降低对发动机粘接界面强度特性、贮存特性以及工作特性的影响，不能对发动机结构产生破坏性影响；

(3)应埋入到发动机受各种载荷作用下时界面温度响应最快或应力最大处。

在固体火箭发动机的结构完整性分析中，界面粘接强度是其至关重要的影响因素。据不完全统计，国外服役的固体发动机由界面脱粘引起的失效报废达到三分之一。对浇铸式固体发动机而言，界面粘接质量尤为重要。浇铸式固体发动机包括多个粘接界面，有壳体/ 绝热层、绝热层/衬层、衬层/推进剂界面，其中任何一个界面发生脱粘，将直接破坏发动机的结构完整性，致使发动机失效，甚至使发动机发生爆炸事故。因此对于发动机各粘接界面性能的研究已成为该领域研究者所关注的重点。

依据以上分析，根据部队多年的发动机使用经验和工业CT无损检测的结果报告，分析得出发动机在装药固化、运输、贮存及值班过程中，发动机衬层与绝热层的粘接界面会受到往复的拉伸，使得衬层与绝热层界面最容易产生脱粘现象。综合文献的研究成果，将传感器的埋入界面确定为衬层与绝热层界面。

传感器的埋入位置根据传感器的尺寸(传感器尺寸为Φ15mm×3mm)，并考虑装药应力-应变场和安装传感器的个数和经济性。

由仿真结果可得：

(1)采用3个传感器成正三角形安装时，对装药应力应变的影响较小，只能测得一个界面应力-应变最大处的数据，但只有这种布置方案可以监测到非象限处的界面应力和温度。

(2)采用3个传感器成等腰直角三角形安装时，对装药应力应变的影响较第一种方案影响稍大，但总体影响不大，3个传感器能够测得界面应力-应变最大、最小处及剪切力最大处的应力应变。

(3)采用4个传感器成正方形安装时，对装药应力应变的影响较第二种方案影响大，4个传感器能够测得界面应力-应变最大、最小处及剪切力最大处的应力应变，但考虑到实验的经济性和采集数据的不重复性，不采用此种方法。

通过仿真计算安装传感器的药柱应力-应变场，分析确定传感器的安装位置和数量：确定传感器的安装位置采取如图3、4所示安装3个成等腰直角三角形分布传感器的方案。为了得到粘接界面非象限处的应力和温度，还需采用如图2所示的安装3个成正三角形分布的传感器。

由于只针对圆柱段发动机进行模拟试验研究，考虑到圆柱段装药的应力应变场，传感器的布置方案采用在监检测发动机圆柱段的1/2处和距前端1/4处，各安3个成等腰直角三角形分布的传感器；作为探索性研究，在距后段1/4处，安装3个成正三角形分布的3个传感器，以用来监测界面非象限处的轴向应力分布。传感器共9个，采集柱段界面的温度- 应力数据(数据记录系统为16通道记录仪，只能记录8个传感器的监测数据，多余的一个传感器为冗余)。界面应力-温度传感器埋置在绝热层与衬层界面，传感器的电缆线从绝热层与衬层界面间沿轴向从监检测发动机前端引出。总体分布方案如图1所示。

传感器的埋入方式选择在绝热层上打孔，粘接在壳体内壁的方式。首先在绝热层上挖去Φ17mm的盲孔，在引线方向加工一个斜坡槽，用以减少安装中引线的扭曲。并将壳体打磨光滑；其次采用环氧树脂AB胶将传感器的固定面直接粘在壳体上，传感器周围也用环氧树脂AB胶涂满；然后在传感器上加载一定的预压力，并固化1个小时；最后用乙酸乙酯将传感器的测试面清理干净，降低传感器的误差，提高传感器的测量精度。布线方式采用沿绝热层内表面布线的方式。采用环氧树脂AB胶将引线沿绝热层内表面粘接，并从发动机前端引出。需要注意的是引线不能有扭曲与交叉布线，以免损坏引线和产生信号干扰。由于引线为绝缘扁平连接线，宽度约为3mm，厚度约为0.1mm，将引线粘接在绝热层与衬层之间不会影响界面的粘接强度。埋设好传感器后，对每个传感器进行测试与调零。

传感器埋入并固化好后，进行衬层的涂刷，埋入传感器后监检测发动机壳体(含绝热层和衬层)涂刷均匀后放入50℃烘房内，保温24小时，进行衬层的半固化。半固化完成后，这时的衬层已经定型，不会发生流动和大变形，在浇铸时的真空环境里也不会出现气泡现象，且此时更容易与推进剂发生化学反应，形成更加牢固的化学键，形成的粘接界面强度更高，故为了保证界面的粘接强度，在半固化好后直接进行推进剂的浇铸。衬层保温并半固化好后，再次对每个传感器进行测试，传感器调试好后，直接将埋入传感器的发动机壳体送至装药工房进行浇铸装药。