固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)襯層固化狀態(tài)超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

楊亞軍,王召巴

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051）

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)襯層固化狀態(tài)超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

楊亞軍,王召巴

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051）

為了正確判定襯層“半固化”狀態(tài),更好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量,采用了超聲縱波反射技術(shù)和激光測(cè)厚技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯層固化反應(yīng)過程,并針對(duì)襯層固化溫度和普通超聲探頭工作環(huán)境要求設(shè)計(jì)了襯層固化過程超聲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)襯層厚度、縱波傳播速度、聲衰減系數(shù)的變化對(duì)襯層固化狀態(tài)進(jìn)行表征。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,隨著襯層固化反應(yīng)的進(jìn)行,襯層厚度和聲衰減系數(shù)逐漸減小,縱波傳播速度逐漸增大,完整反應(yīng)了襯層固化狀態(tài)的變化,能夠判定襯層的“半固化”狀態(tài)。

兵器科學(xué)與技術(shù);固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);襯層;固化狀態(tài);超聲縱波

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng),主要由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成,其中燃燒室由殼體、絕熱層和襯層構(gòu)成,是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件[1]。襯層作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)粘接絕熱層和推進(jìn)劑的重要彈性材料,目前很多企業(yè)采用的工藝是將刮涂好襯層的發(fā)動(dòng)機(jī)置于某恒溫環(huán)境中旋轉(zhuǎn),在離心力作用下使得襯層厚度均勻,經(jīng)過一定時(shí)間達(dá)到半固化狀態(tài)后澆注推進(jìn)劑。但是由于絕熱層的隔熱性能,使得襯層達(dá)到半固化過程的時(shí)間不同,時(shí)常發(fā)生襯層表面已經(jīng)達(dá)到半固化過程,而內(nèi)部還處于粘稠狀態(tài),在這種情況下澆注推進(jìn)劑,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)腔內(nèi)抽真空將破壞襯層表面,造成粘稠狀態(tài)的襯層移位,推進(jìn)劑與絕熱層直接接觸導(dǎo)致界面脫粘,使得發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥燃面發(fā)生變化,影響內(nèi)彈道性能,甚至使發(fā)動(dòng)機(jī)解體。因此監(jiān)測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)襯層固化過程,正確判定襯層“半固化”狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量控制具有重要意義。

目前為止,襯層“半固化”狀態(tài)主要采用人手指壓法,依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)判斷,嚴(yán)重影響裝藥質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對(duì)這一問題,楊士山等采用紅外光譜技術(shù)對(duì)襯層固化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了表征,并初步探討了襯層固化程度影響界面粘接強(qiáng)度的機(jī)理[2]。此方法監(jiān)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確,但是只適用于特定配方,不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而且監(jiān)測(cè)儀器昂貴。

超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù),具有無(wú)損傷、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3],能夠克服上述方法的不足,已經(jīng)成功應(yīng)用于樹脂固化、聚合物結(jié)晶[4]、化學(xué)反應(yīng)[5]等過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文采用超聲縱波反射技術(shù),結(jié)合激光測(cè)厚技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯層固化反應(yīng)過程,研究了襯層固化反應(yīng)過程中襯層厚度、縱波傳播速度、聲衰減系數(shù)及固化狀態(tài)的變化規(guī)律。

1 監(jiān)測(cè)原理

襯層固化反應(yīng)過程是從初始粘流態(tài)到拉絲狀態(tài),再到稍粘手“半固化”狀態(tài),最后達(dá)到不粘手完全固化的過程,其厚度、形態(tài)、粘彈性、密度、阻抗、模量等特性參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化,因此與這些參數(shù)密切相關(guān)的超聲波傳播速度、聲衰減系數(shù)以及厚度的變化規(guī)律能提供襯層固化狀態(tài)的相關(guān)信息。本文采用激光測(cè)厚方法監(jiān)測(cè)襯層固化反應(yīng)過程中襯層厚度的變化,利用超聲縱波技術(shù)監(jiān)測(cè)襯層固化反應(yīng)過程中超聲波傳播速度和聲衰減系數(shù)的變化,監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

襯層固化反應(yīng)過程有氣體產(chǎn)生,其厚度d可表示為

式中:L為激光測(cè)微頭到襯層上表面的距離;L0為激光測(cè)微頭到超聲緩沖桿上表面的距離。

圖1 襯層固化狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理Fig.1 Real-time monitoring principle of liner curing state

由于襯層的厚度一般在0.5～3 mm,在固化反應(yīng)初始階段會(huì)伴隨大量氣泡產(chǎn)生,如果采用超聲縱波透射技術(shù),會(huì)導(dǎo)致襯層固化反應(yīng)過程中大量氣泡無(wú)法排出,使得襯層固化過程中內(nèi)部夾雜大量小氣泡(見圖2),將嚴(yán)重影響超聲監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此本文采用超聲縱波反射技術(shù)監(jiān)測(cè)襯層固化過程。根據(jù)聲波傳播原理,超聲波P0入射到聲特性阻抗不同的界面(超聲緩沖桿和襯層)會(huì)發(fā)生反射和透射,超聲回波Pr、P′t的能量主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲特性阻抗Z1和Z2,Pr、P′t的到達(dá)時(shí)間主要取決于介質(zhì)的厚度和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度[6]。

圖2 完全固化襯層Fig.2 Fully cured liner

超聲波在襯層中的傳播速度c為

式中:t為超聲波在厚度為d的襯層中的傳播時(shí)間。

超聲波聲衰減系數(shù)α定義為超聲波穿過厚度為d的襯層在能量上的衰減。通過分析超聲回波時(shí)域信號(hào),可以計(jì)算出超聲回波能量以及衰減系數(shù)的變化,公式如下:

式中:f(k)為時(shí)域信號(hào)幅值;k為時(shí)間;B為k1～k2時(shí)間內(nèi)超聲回波能量。式中:B1為超聲回波Pr能量;B2為超聲回波P′t能量。

設(shè)R為Z1/Z2界面聲壓反射系數(shù);T、T′分別為Z1/Z2界面、Z2/Z1界面聲壓透射系數(shù),在不考慮超聲波在緩沖桿和襯層中傳播時(shí)由材質(zhì)本身造成的聲衰減時(shí)可得

襯層固化從液態(tài)到固體,聲阻抗Z2逐漸增大,聲衰減逐漸減小,由(5)式～(7)式可知,Pr逐漸減小,P′t逐漸增大,α逐漸減小。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)襯層固化狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括恒溫箱、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光測(cè)厚系統(tǒng)(見圖3)。其中恒溫箱用于保證襯層恒定的固化溫度,一般為50℃～80℃;普通超聲傳感器需要工作在常溫下才能保證性能穩(wěn)定和測(cè)量準(zhǔn)確度,因此在固化溫度下使用需要水循環(huán)冷卻系統(tǒng)保證其工作溫度為20℃～30℃左右;激光測(cè)微頭和控制及信號(hào)處理器組成的激光測(cè)厚系統(tǒng)用于精確采集固化過程中襯層的厚度,解析度為3 μm;緩沖桿、耦合劑、超聲波傳感器和采集及信號(hào)處理器組成的超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于采集超聲回波信號(hào),超聲縱波傳感器頻率為5 MHz.

圖3 襯層固化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Monitoring system for liner curing state

襯層固化溫度為50℃～80℃,而普通超聲傳感器使用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)保持20℃～30℃工作環(huán)境溫度,因此需要一定長(zhǎng)度的具有穩(wěn)定的聲學(xué)傳播特性和高信噪比的超聲緩沖桿連接超聲傳感器和高溫襯層,一方面可以保證襯層不受冷卻系統(tǒng)影響在恒定固化溫度下固化、避免粘流態(tài)的襯層直接接觸、污染損壞超聲傳感器,同時(shí)可以保證超聲傳感器性能的穩(wěn)定性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、精度。由于PEEK材料在高溫下具有良好的聲學(xué)穩(wěn)定性,同時(shí)可以很好的抑制尾隨波[7]。本文選用長(zhǎng)度8 cm、直徑3 cm表面光滑的PEEK材料作為緩沖桿。80℃下緩沖桿的一次回波信號(hào)見圖4.可知,在30 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)中,一次回波峰值和到達(dá)時(shí)間基本不變,非常穩(wěn)定,是理想的緩沖桿材料。

圖4 PEEK緩沖桿超聲回波信號(hào)分析Fig.4 Ultrasonic echo signals of PEEK buffer rod

耦合劑用來(lái)排出超聲傳感器和被測(cè)物體之間的空氣,使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測(cè)目的,如果耦合不好將影響超聲回波信號(hào)的幅值和到達(dá)時(shí)間。圖5為超聲傳感器和緩沖桿之間采用循環(huán)水和高溫耦合劑作為耦合劑的超聲回波信號(hào)。結(jié)果顯示,采用水耦合,隨著時(shí)間的推移,緩沖桿上表面一次回波峰值逐漸降低,一次回波到達(dá)時(shí)間越來(lái)越不穩(wěn)定,最終導(dǎo)致超聲信號(hào)非常微弱。這是由于水中氣泡不斷地附著在緩沖桿下表面和超聲傳感器表面,使得超聲波被反射和散射,因此不適宜用循環(huán)水做耦合劑。采用高溫耦合劑耦合,400 min內(nèi)緩沖桿上表面一次回波峰值和到達(dá)時(shí)間都非常穩(wěn)定,能夠很好地起到超聲傳感器和緩沖桿之間的耦合作用,這是由于高溫耦合劑不流動(dòng)、不溶于水,而且有很好的粘性。

圖5 不同耦合劑PEEK緩沖桿超聲回波信號(hào)Fig.5 Ultrasonic echo signals of PEEK buffer rods with different coupling agents

2.2 襯層料漿的制備

實(shí)驗(yàn)所用襯層料漿由由西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司提供,主要成分由端羥基聚丁二烯HTPB、甲苯二異氰酸酯TDI及其他添加劑組成。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

將配好的料漿倒入緩沖桿上面直徑2.5 cm、深3 mm的凹槽中,置于65℃恒溫固化,待料漿表面呈水平不流動(dòng)后開啟激光測(cè)厚系統(tǒng)與超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始監(jiān)測(cè),每1 min采集一組超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù),衰減保存范圍為30～80 dB,每20 min采集一組襯層厚度信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 固化過程襯層厚度的變化

襯層固化反應(yīng)過程伴隨有氣泡產(chǎn)生,隨著氣泡逐漸排出,襯層體積減小、厚度變薄。根據(jù)激光測(cè)厚系統(tǒng)采集的L、L0,由(1)式可以計(jì)算出襯層厚度隨固化時(shí)間的變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合,如圖6所示。襯層在固化反應(yīng)的初始粘流態(tài),即t1(600 min)之前,厚度d從2.498 mm急劇減小至2.455 mm,這是由于反應(yīng)初期化學(xué)反應(yīng)劇烈。t1～t2(600～2 600 min),化學(xué)反應(yīng)減弱,襯層處于拉絲狀態(tài),厚度緩慢減小;t2～t3(2 600～3 400 min),厚度從2.446 mm減小到2.444 mm,進(jìn)入半固化狀態(tài)(稍粘手,不拉絲)階段,襯層厚度變化非常小。t3之后,厚度變化更加微弱,慢慢趨于穩(wěn)定,最終達(dá)到最小值2.442 mm達(dá)到完全固化狀態(tài)?？梢?襯層厚度的變化可以表征其固化狀態(tài)。

圖6 襯層厚度隨固化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.6 The change of liner thickness with curing time

3.2 信號(hào)降噪

超聲信號(hào)傳播過程中,不可避免存在干擾和噪聲,必須對(duì)信號(hào)降噪,提高信噪比。小波分析具有良好的時(shí)頻特性和多分辨率特性,在時(shí)域和頻域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,其特有的低熵性、去相關(guān)性使得小波在圖像降噪處理方面比經(jīng)典的降噪算法更具優(yōu)勢(shì)[8]。降噪前后的信號(hào)如圖7所示,利用小波分析理論對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行降噪不僅有效去除了噪聲,而且完整地保留了信號(hào)的邊緣信息。

3.3 超聲回波信號(hào)分析

襯層固化過程伴隨著襯層力學(xué)性能的變化。隨著襯層固化深度的增加,襯層密度、模量、粘彈性、形態(tài)等不斷變化,引起襯層中超聲波傳播速度、到達(dá)時(shí)間、幅值的變化,如圖8中不同固化時(shí)間的超聲回波信號(hào)所示。根據(jù)時(shí)域信號(hào),由(2)式可以計(jì)算得出超聲縱波傳播速度的變化規(guī)律,由(3)式、(4)式可以計(jì)算得出聲衰減系數(shù)隨固化時(shí)間的變化規(guī)律。

圖7 小波降噪前后超聲回波信號(hào)Fig.7 Ultrasonic echo signals before and after wavelet de-noising

圖8 襯層不同固化時(shí)間超聲回波信號(hào)Fig.8 Ultrasonic echo signals at different curing times

3.3.1 固化過程襯層超聲縱波傳播速度的變化

襯層固化過程密度、模量的不斷變化,將引起超聲波傳播速度的變化。根據(jù)(2)式,對(duì)采集的超聲回波信號(hào),結(jié)合襯層厚度進(jìn)行計(jì)算得到超聲縱波傳播速度c隨固化時(shí)間的變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合如圖9所示。t1之前為初始粘流態(tài),聲速?gòu)? 275 m/s急劇增長(zhǎng)至1 381 m/s.t1～t2為拉絲狀態(tài), c緩慢增加到1 405 m/s.t2～t3為半固化狀態(tài),c變化非常小,從1 405 m/s緩慢增長(zhǎng)到1 409 m/s.t3之后,聲速增長(zhǎng)更加緩慢,最后達(dá)到最大值1 415 m/s,趨于穩(wěn)定,襯層完全固化。由此可知,縱波聲速的變化可以表征襯層的固化狀態(tài)。

圖9 縱波聲速隨固化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 The change of longitudinal wave velocity with curing time

3.3.2 固化過程襯層超聲波衰減系數(shù)的變化

經(jīng)過測(cè)量固化過程中襯層質(zhì)量變化小于0.01%可以忽略不計(jì),厚度d不斷減小(見圖6),因此密度ρ不斷增大,且聲速c不斷增大(見圖9),則襯層聲特性阻抗Z2=ρc不斷增大。根據(jù)聲波透射原理,緩沖桿上表面的反射回波Pr能量B1將逐漸減小,而從緩沖桿透射到襯層中的聲波能量將逐漸增大,導(dǎo)致超聲回波P′t能量B2逐漸增大,根據(jù)(4)式可知,超聲波衰減系數(shù)α將逐漸減小。

對(duì)采集的超聲回波信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到聲衰減系數(shù)隨固化時(shí)間的變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合如圖10所示。t1之前,α從10 dB/mm急劇下降到-5.852 dB/mm,為初始粘流態(tài),α值從正值減小到負(fù)值,表明超聲回波Pr能量從大于P′t能量變?yōu)樾∮赑′t能量。t1～t2拉絲狀態(tài),α緩慢減小到-8.613 dB/mm.t2～t3半固化狀態(tài),α變化非常小,從-8.613 dB/mm緩慢減小到-8.946 dB/mm.t3之后, α緩慢減小直至趨于穩(wěn)定達(dá)到最小值-9.284 dB/mm,到達(dá)完全固化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述理論相吻合,表明可以用聲衰減系數(shù)的變化表征襯層的固化狀態(tài)。

4 結(jié)論

采用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯層固化反應(yīng)過程,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,襯層厚度、縱波傳播速度、聲衰減系數(shù)的變化能夠完整反應(yīng)襯層固化過程,可以用來(lái)對(duì)襯層不同固化狀態(tài)進(jìn)行表征,能夠判定襯層的“半固化”狀態(tài)。如表1所示,初始厚度為2.498 mm的襯層,在65℃溫度下恒溫固化,當(dāng)襯層厚度達(dá)到2.446～2.444 mm,聲傳播速度達(dá)到1 405～1409 m/s,聲衰減系數(shù)達(dá)到-8.613～-8.946 dB/mm,判定襯層達(dá)到“半固化”狀態(tài),這對(duì)于改變襯層工藝和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量控制具有重要意義。

表1 不同固化狀態(tài)襯層厚度、聲速和聲衰減系數(shù)變化規(guī)律Tab.1 Change rules of thickness,ultrasonic velocity and acoustic attenuation coefficient with different curing state

References)

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Real Time Ultrasonic Monitoring of Curing State of Liner in Solid Rocket Engine

YANG Ya-jun,WANG Zhao-ba
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China)

The ultrasonic longitudinal wave reflection technology and the laser thickness measurement technology are used to monitor the curing process of solid rocket engine liner.An ultrasonic system is designed to monitor the curing process of liner in real-time to meet the need of using common ultrasonic probe under the curing temperature.The curing state of liner is characterized by the changes of liner thickness,ultrasonic longitudinal wave velocity and acoustic attenuation coefficient.The experimental results show that the liner thickness and acoustic attenuation coefficient decrease and the propagation velocity of longitudinal wave increases gradually during the curing reaction of liner,which reflects the change in curing state of liner,and its“half curing”state can be determined.

ordnance science and technology;solid rocket engine;liner;curing state;ultrasonic longitudinal wave

V438

:A

1000-1093(2014)05-0697-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.018

2013-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61201412);山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(20120210115)

楊亞軍(1981—),男,博士研究生。E-mail:yangyajun1999@163.com;

王召巴(1967—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:wangzb@nuc.edu.cn