基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法与流程

本发明属于固体发动机技术领域，涉及一种固体发动机药柱应变测量方法，尤其涉及一种基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法。

背景技术：

火箭固体发动机是航空航天最重要的核心部件，通常采用水平静置的方法批量长期存储。固体发动机壳体内部填充有中空圆柱体形药柱（由推进剂和少量添加剂组成），由于推进剂具有粘弹性（弹性模量≤3mpa），在发动机固定姿态长期静置时，药柱会在重力作用下发生弯曲应变，此外，药柱在远距离运输过程中也易产生不可预测的应变。目前采取定期调整固体发动机放置姿态的方法减弱药柱应变影响，且需要定期抽样检测，如地面点火、飞行试验或分解试验研究固体发动机的可靠性，其经济、人力成本较高。因此，在固体发动机内布置传感器对药柱应变进行监测，是实现发动机健康与寿命评估的新颖手段，具有重要的应用价值。

为实现固体发动机内部应变监测，人们采用在发动机内部预置光纤光栅传感器的方法。例如中国专利（公开号cn108194229a）公布了一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法。将光纤光栅传感器置入固体火箭发动机壳体结构中，以实现对固体火箭发动机壳体内部应变和缺陷损伤的实时监测。但该专利仅能监测发动机壳体应变，未实现对发动机内低弹性模量的药柱进行应变监测。又如中国专利（公开号cn106840012a）公布了一种基于光栅传感技术的固发装药ii界面应变测量方法。将光纤bragg光栅传感器预置在ii界面并与界面材料全表面接触，计算光纤光栅传感器获取的监测点输入光波波长和反射光波波长差值得到ii界面应变。但光纤光栅传感器的整体弹性模量大于推进剂，与药柱无法顺应贴合，因此难以实现对低模量药柱的大应变和高精度的测量。

综上所述，亟需一种高精度、长时间实时测量固体发动机药柱大应变的测量方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法，采用具有低弹性模量、大应变量程的全柔性大应变传感器，能够顺应药柱的大应变，实现固体发动机药柱大应变长时间实时测量，提高测量精度，降低测量成本，为发动机健康与寿命评估提供可靠依据，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法，具体按照以下步骤进行：

s1，制备弹性模量小于药柱的全柔性大应变传感器，全柔性大应变传感器包括敏感层，敏感层的外部包裹有柔性封装层，敏感层与引出电极连接；标定每个全柔性大应变传感器的应变-电阻变化特性；

s2，将n个全柔性大应变传感器分为多组，其中n≥12，各组全柔性大应变传感器沿药柱轴向均匀粘贴于药柱中心的燃气通道表面，同组全柔性大应变传感器位于燃气通道的同一径向截面、且沿燃气通道的周向均匀分布；全柔性大应变传感器底部与燃气通道表面完全接触，引出电极粘接于燃气通道表面，并沿药柱轴向方向伸出固体发动机壳体，与外部的传感器数据处理系统连接；分别记录每个全柔性大应变传感器的初始阻值；

s3，采用传感器数据处理系统按照一定频率实时采集每个全柔性大应变传感器的电阻测量值，参照步骤s1中标定的应变-电阻变化特性，得到药柱在全柔性大应变传感器对应位置的应变值，从而得到药柱的应变。

进一步的，所述步骤s3还包括以下步骤：根据药柱在全柔性大应变传感器对应位置的应变值，采用计算模拟方法获得药柱的内部应变；具体过程为：假定固体发动机壳体内表面和药柱外表面无脱离和变形，根据燃气通道表面分布点的应变值，得到药柱内表面在初始和变形后两种时刻的尺寸，建立药柱的三维有限元模型，结合药柱的机械特性，在有限元软件中计算模拟药柱由初始状态至测量状态的内部应变。

进一步的，所述步骤s1中，全柔性大应变传感器的整体弹性模量≤3mpa，应变测量范围0~40%。

进一步的，所述步骤s2中，全柔性大应变传感器分为3组，分别布置在药柱沿轴长度的1/4、1/2和3/4处，燃气通道的一个径向截面沿周向均匀分布的全柔性大应变传感器的数量不少于4个。

进一步的，所述步骤s1中，全柔性大应变传感器的横截面尺寸不大于长10mm×宽5mm，全柔性大应变传感器的厚度≤3mm，与敏感层顶部和底部接触的柔性封装层厚度为敏感层厚度的1/2。

进一步的，所述步骤s2中，全柔性大应变传感器底部、引出电极分别与燃气通道粘接所采用的粘接剂与药柱内推进剂的粘接剂相同。

进一步的，所述步骤s1中，敏感层采用还原氧化石墨烯-聚酰亚胺泡沫，还原氧化石墨烯附着在聚酰亚胺泡沫上。

进一步的，所述步骤s1中，柔性封装层采用聚二甲基硅氧烷或ecoflex00-30。

进一步的，所述步骤s1中，引出电极通过纳米导电银胶层与敏感层固定连接。

进一步的，所述步骤s3中，传感器数据处理系统的数据采集频率是1hz-100hz。

本发明的有益效果是，本发明通过采用具有低弹性模量、大应变量程的全柔性大应变传感器，能够顺应药柱的大应变，在测量固体发动机药柱应变的过程中对药柱本身机械特性几乎不产生影响；实现了固体发动机静置储存过程中对药柱大应变的高精度、长时间实时测量，降低测量成本，为发动机健康与寿命评估提供可靠依据，提高了固体发动机药柱的使用寿命。

本发明将全柔性大应变传感器粘接与药柱中心的燃气通道内，由于药柱外周表面上、下侧均与固体发动机外壳接触，具有一定支撑，不能完全反映重力的影响，而燃气通道无支撑结构，受重力影响产生的形变最大，药柱内部的微小形变传导至燃气通道表面产生了放大效果，因此，在该位置对药柱变形进行监测具有更加重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明全柔性大应变传感器示意图。

图2是本发明全柔性大应变传感器的布置透视图。

图3是本发明全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量硬件剖面示意图。

图4是本发明全柔性发应变传感器的应变特性曲线。

图中，1、敏感层，2、引出电极，3、纳米导电银胶层，4、柔性封装层，5、全柔性大应变传感器，6、固体发动机壳体，7、药柱，8、燃气通道，9、喷管，10、传感器数据处理系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法，具体按照以下步骤进行：

s1，制备全柔性大应变传感器5，如图1所示，由敏感层1、引出电极2和纳米导电银胶层3与柔性封装层4构成，敏感层1的外部包裹有柔性封装层4，敏感层1与引出电极2连接；标定每个全柔性大应变传感器5的应变-电阻变化特性。

全柔性大应变传感器5的整体弹性模量≤3mpa，应变测量范围达到0~40%，实现对药柱7大应变进行监测；全柔性大应变传感器5的弹性模量小于药柱7，因而具有全柔性、低模量特性，可以顺应贴合同样低弹性模量的药柱7内表面，提高测量精度，精度（即传感器的测量误差）≤5%。

s2，固体发动机的药柱7浇注且保温固化完成后，将n个全柔性大应变传感器5分为多组，其中n≥12，各组全柔性大应变传感器5沿药柱7轴向均匀粘贴于药柱7中心的燃气通道8表面，同组全柔性大应变传感器5位于燃气通道8的同一径向截面、且沿燃气通道8的周向均匀分布；全柔性大应变传感器5底部与燃气通道8表面完全接触，引出电极2粘接于燃气通道8表面，并沿药柱7轴向方向伸出固体发动机壳体6，与外部的传感器数据处理系统10连接，燃气通道8的一端设有喷管9；分别记录每个全柔性大应变传感器5的初始阻值。

相邻两组全柔性大应变传感器5轴向间距可根据药柱7的健康监测需求进行调整，可依据应变测量需求进行优化，测量核心关注区域的应变值。同组相邻两个全柔性大应变传感器5的周向间距根据燃气通道8的尺寸确定；传感器数量过少将限制对固体发动机药柱7同个区域的应变的监测精度。如果将全柔性大应变传感器5设置为环形，仅能够给出药柱7周向总应变，无法精确分辨药柱7周向不同位置处的应变；本发明全柔性大应变传感器5采用分布式粘接，提高了点或小区域应变测量的精度。

全柔性大应变传感器5的厚度≤3mm，极大降低对药柱7机械特性产生的影响，能够顺应变形；柔性封装层4与敏感层1顶部和底部接触的厚度为敏感层1厚度的1/2，过薄的柔性封装层4在传感器拉伸过程中容易损坏，例如仅覆盖敏感层1表面，由于柔性封装层4材料和敏感层1所用泡沫的弹性模量和拉伸率不同，因此应变传感器受拉伸时易撕裂柔性封装层4；而过厚的柔性封装层4增大了传感器整体的弹性模量，将对药柱7的机械特性和应变产生干扰，也会影响全柔性大应变传感器5与药柱7的顺应性。

全柔性大应变传感器5的横截面尺寸不大于长10mm×宽5mm，全柔性大应变传感器5的尺寸较小，适于放置在燃气通道8内，且相较于光纤传感器等具有低成本、可分布测量的优点；在燃气通道8内的布置数量可以根据需求增加，由于n个全柔性大应变传感器5的尺寸、性能一致，测量过程中的数量或布置密度改变不需要对测量装置进行重新设计，仅调整引出电极2输出连接的处理电路即可，通用性较好、操作简便、可扩展性强。

全柔性大应变传感器5底部、引出电极2分别与燃气通道8粘接所采用的粘接剂与药柱7内推进剂的粘接剂相同，均采用丁羟胶做胶粘剂，丁羟胶即端羟基聚丁二烯液体橡胶、又称聚丁二烯二醇，主要用于制造固体推进剂。

s3，采用传感器数据处理系统10按照一定频率实时采集每个全柔性大应变传感器5的电阻测量值，参照步骤s1中标定的应变-电阻变化特性，得到药柱7在全柔性大应变传感器5其对应位置的应变值，并将各测试点应变值在上位机进行绘图或显示，从而得到药柱7的应变。

传感器数据处理系统10的数据采集频率是1hz-100hz，采用全柔性大应变传感器5测量固体发动机长期静置保存过程中的药柱7应变，由于药柱7变形进行缓慢，因此测量频率不需过高，1hz-100hz即可满足，否则增大测量和处理的数据量，提高检测成本。

实施例，

基于全柔性大应变传感器的固体发动机药柱应变测量方法，具体按照以下步骤进行：

s1，制备全柔性大应变传感器5，如图2-3所示，敏感层1采用还原氧化石墨烯-聚酰亚胺泡沫，还原氧化石墨烯附着在聚酰亚胺泡沫上，还原氧化石墨烯-聚酰亚胺泡沫自身弹性模量极小，柔性封装层4采用聚二甲基硅氧烷或ecoflex00-30（产品成分为硅橡胶，生产厂家为美国smooth-on公司）等低弹性模量硅橡胶；全柔性大应变传感器5低弹性模量（≤3mpa）、大应变（0~40%）主要由敏感层1和柔性封装层4实现。敏感层1通过引出电极2与数字源表连接，采用推拉力计及数字源表标定每个全柔性大应变传感器5的应变-电阻变化特性；由于纳米导电银胶的固化工艺简单、电阻率低，因此引出电极2通过纳米导电银胶层3与敏感层1固定连接；引出电极2为包覆有绝缘材料的电极丝，与外部的数字源表或测量处理电路连接，电极丝采用铜、银或铝等电导率高的金属材料。采用推拉力计及传感器数据处理系统10，标定每个全柔性大应变传感器5的应变-电阻变化特性，如图4所示。

柔性封装层4选用聚二甲基硅氧烷或ecoflex00-30，能够保护敏感层1及纳米导电银胶层3。由于引出电极2和敏感层1的弹性模量有很大差异，通过纳米导电银胶层3连接引出电极2和敏感层1，从而成为应力集中点，容易在此处发生脱离破坏；增加了柔性封装层4后，拉伸过程中的变形应力分布在柔性封装层4中，缓解纳米导电银胶层3的应力，起到结构保护的作用。

s2，固体发动机的药柱7浇注且保温固化完成后，将12个全柔性大应变传感器5按照药柱7轴向的前、中、后部分为3组依次粘贴布置，全柔性大应变传感器5布置在药柱7沿轴向长度的1/4、1/2和3/4处较为合适，由于固体发动机为水平放置，因此在重力作用下，轴向1/2处的变形最大，而1/4和3/4处的位置可作为参考辅助的监测点。效果是对药柱7沿轴向方向上受重力作用下的应变情况进行了精确监测；4个全柔性大应变传感器5为一组，4个全柔性大应变传感器5沿周向均匀分布于燃气通道8的一个径向截面，采用90度圆周分布，能够对距地最远端、距地最近端和左右的中间部位应变进行监测，对药柱7沿周向方向上受重力作用下的应变情况进行了精确监测。

燃气通道8的一个径向截面沿周向均匀分布的全柔性大应变传感器5的数量不少于4个，限定该数目的原因是药柱7在静置保存中受到重力的作用发生形变，因此需要沿重力方向布置传感器，对燃气通道8表面同一轴向位置垂直方向的距地最远端、距地最近端分别布置应变传感器；对位于中部左右对称分布的应变传感器可对药柱7侧面的形变进行监测。少于该数目的应变传感器不能良好地反映药柱7内壁沿重力方向的变形情况。

s3，采用keithley2450数字源表，记录每个全柔性大应变传感器5的电阻值，能够实时监测电阻的动态变化，然后对电阻值进行处理获得应变值；传感器数据处理系统10可以是基于单片机的处理电路，集成电阻测量、数据处理、输出显示等功能，实现该功能的设计方法为本领域已知。将数字源表记录的每个全柔性大应变传感器5的电阻值，参照步骤s1中标定的应变-电阻变化特性，得到药柱7在全柔性大应变传感器5其对应位置的应变值，从而得到药柱7的应变，对分布的应变值在上位机进行绘图或显示。

目前固体发动机的应变监测多采用金属或玻璃光纤的应变传感器，由于缺乏韧性，不能对药柱7大变形进行精确监测。例如采用弓形金属应变片对固体发动机药柱7应变进行监测，最大应变为20%；而本发明全柔性大应变传感器5与常规的金属应变片和光纤应变传感器相比，弹性模量低（≤3mpa），其弹性模量小于药柱7，实施例中采用的还原氧化石墨烯-聚酰亚胺泡沫基的全柔性大应变传感器5能够达到40%的大应变，因此能贴合在药柱7的燃气通道8表面，并具有良好的顺应性；克服了由于光纤应变传感器和金属应变片自身高弹性模量，无法顺应低弹性模量药柱7变形、从而难以准确监测药柱7应变的技术困难，解决了固体发动机长期静置储存过程中对药柱7应变的实时监测难题。

因为药柱7为固体发动机制造过程中浇注固化于固体发动机壳体6内部，并进行了表面修饰，因此，无法将应变传感器5埋入药柱7内部；本发明将全柔性大应变传感器5布置在燃气通道8表面，可以不对药柱7的机械特性产生影响。此外，本发明将全柔性大应变传感器5粘接与药柱7中心的燃气通道8内，没有设于药柱7的外周表面，由于药柱7外周表面上、下侧均与固体发动机外壳接触，具有一定支撑，不能完全反映重力的影响，而燃气通道8无支撑结构，受重力影响产生的形变最大，药柱7内部的微小形变传导至燃气通道8表面产生了放大效果，因此，在该位置对药柱7变形进行监测具有更加重要的意义；可以在固体发动机静置保存期间准确监测药柱7的变形。

本发明将全柔性大应变传感器5布置在燃气通道8内，得到具体位置对应的应变测试值，采用计算模拟方法获得药柱7内部的应变，数值拟合出内表面整体的变形情况，从而反映药柱7的内部应变；具体过程为：假定固体发动机壳体6内表面和药柱7外表面无脱离和变形，根据燃气通道8表面分布点的应变值，得到药柱7内表面在初始和变形后两种时刻的尺寸，建立药柱7的三维有限元模型，结合药柱7的机械特性（如弹性模量、密度），在有限元软件中计算模拟药柱7由初始状态至测量状态的内部应力、应变，对分布的应变值在上位机进行绘图或显示，解决了无法对药柱7内部应变进行直接监测的难题。该测量结果更接近药柱7变形的真实情况，提高测量准确度，为发动机健康与寿命评估提供更真实、可靠的依据，对提高固体发动机药柱使用寿命具有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。