一种固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法与流程

本发明涉及无损检测领域，具体为一种固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷快速排查的无损检测方法。

背景技术：

目前，国内针对固体火箭发动机推进剂/衬层界面/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测方法，根据壳体材料的不同只有射线照相检测和超声检测两种。

(1)对于壳体材料为非金属纤维材料的固体火箭发动机，其推进剂/衬层/绝热层界面的脱粘缺陷目前仅能唯一依靠射线照相技术进行检测，例如航天科技集团四院西安航天化学动力有限公司早在几十年前就已经采用射线照相技术进行各类发动机推进剂/衬层/绝热层界面的实际检测。射线检测一般采用电子直线加速器，能量在1～15mev，利用微波电场、沿直线轨道加速电子到较高能量，其产生的x射线穿透力强、灵敏度高，在固体火箭发动机燃烧室的质量检测中得到广泛应用。通常把能量在1mev以上的x射线称之为高能x射线，能够穿透燃烧室的被检部位，在此过程中产生散射和吸收，强度逐渐减弱，其衰减程度与被检工件材料及结构有密切的关系。经过衰减的射线投射到工业x射线胶片上，形成可视图像，供检测人员评判被检工件的质量。如果物体局部区域存在缺陷，它将改变物体对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，采用胶片检测透射射线强度，就可以判断物体内部的缺陷和物质分布。

(2)对于金属壳体材料的固体火箭发动机，其推进剂/衬层/绝热层界面的脱粘缺陷早期也是一直采用射线照相技术检测。2014年，上海航天科技集团八院某所首先采用低频超声波技术方法实现了壳体直径大于200mm、绝热层厚度小于8mm的钢壳体发动机推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的检测。其机理为绝热层的边界条件一侧固定、另一侧自由，通过调节超声波入射声波1/4波长的奇数倍，使其等于绝热层厚度，从而在绝热层中产生局部共振，表现为回波波形饱和长度的增加和衰减时间的延长，最终判断推进剂/衬层/绝热层界面是否脱粘缺陷。

上述两种方法中，超声检测的局限性是仅能在钢壳体材料的固体火箭发动机上有条件的实现推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的检测，对于在壳体材料为非金属纤维材料的固体火箭发动机检测，超声检测尚无法实现应用。而高能射线照相法虽然可以实现金属材料壳体和非金属纤维材料壳体的有效检测，但是存在着诸多的局限性。

(1)检测效率低，场地要求固定，操作及转运繁杂，尤其当固体发动机总装成品后再进行推进剂/衬层界面的质量检测，必须将整个产品进行分解拆卸，再转运至射线专用场地进行检测，期间过程需要耗费数月，操作复杂且存在较多的安全质量风险。

(2)射线照相检测对人体存在潜在的辐射伤害，对安全防护的要求非常高。

(3)成本较高以及检测部位难以全覆盖。

(4)对于大型固体火箭发动机尤其无法实现野外机动、便捷的检测。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的检测效率低、操作复杂且存在较多的安全质量风险、以及检测部位难以全覆盖的不足，本发明提出了一种固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法。

本发明的具体过程是：

步骤一：传感器的测量、粘贴。

所选用的传感器的电容应为2.5nf±30％。

所述传感器粘贴位置根据发动机壳体的长度确定，并沿该发动机壳体的圆周周向均布，每个圆周上均布八个传感器，并使相邻的两个圆周的传感器粘贴位置之间的距离为300mm。

步骤二：连接传感器

将转换盒与高速数据采集器连接。将一个传感器与该转换盒连接。

步骤三：设备调试与设置

所述设备调试与设置是，打开所述多通道高速数据采集器，打开力锤激励信号采集程序进入采集程序的主界面，设置采样频率为10000hz，采样时间为2s。

步骤四：传感器的检测

通过预测试分别对各传感器进行检测。

当检测中得到的三次敲击后的波峰频率和幅值一致时，该传感器检测合格；反之则判定该传感器检测不合格，应检查传感器的粘贴状态或重新测量传感器的电容参数，当粘贴松动或电容参数异常时，应重新更换、粘贴传感器。

当全部传感器检测完毕并判定全部传感器合格时，则进入步骤5，分别对全部传感器进行正式测试。

所述各传感器检测的具体过程是：运行程序，同时发出敲击指令，使力锤2s内在与转换盒连接的传感器周边100mm内的壳体表面进行第一次敲击；敲击力量不大于5n。敲击后通过传感器采集敲击后的信号。若采集成功，在采集程序的主界面的信号时域通道会产生1个脉冲信号，在采集程序的主界面的信号频域通道会产生1个时域波形；得到第一次敲击的波形。若采集失败，在采集程序的主界面的信号时域通道会产生空采直线，在信号频域通道会产生锯齿状噪声信号。

重复所述敲击和采集过程，继续对该与转换盒连接的传感器周边100mm处进行第二次敲击，得到第二次敲击的波形。

重复所述第二次敲击和采集过程，继续对该与转换盒连接的传感器周边100mm处进行第三次敲击，得到第三次敲击的波形线。

至此，完成对第一个传感器的预测试检测过程。

拆下第一个传感器与转换盒连接的导线，将转换盒与第二个传感器连接并重复所述第一个传感器的检测过程，对第二个传感器进行检测，并完成对第二个传感器的判定。

反复重复对第二个传感器的检测过程，分别对其余各传感器进行检测。直至完成对全部传感器的检测，并完成对全部传感器的判定。

步骤五：发动机缺陷的测试

分别得到各传感器各次敲击后的波形。

所述发动机缺陷的测试时，将第一个传感器与转换盒连接，在2s内使力锤在该第一个传感器周边100mm内进行第一次敲击；敲击力量不大于5n。敲击后通过传感器采集敲击后的信号。在采集程序的主界面的信号时域通道会产生1个脉冲信号，在采集程序的主界面的信号频域通道会产生1个时域波形；得到第一次敲击的波形。所述第一次敲击的波形以电压响应信号和电压激励信号的形式被保存。所述电压响应信号由传感器采集并保存，电压激励信号是由多通道高速数据采集器施加到传感器上。

重复所述得到第一次敲击波形的过程，对该第一个传感器进行第2～5次敲击，分别得到并保存第2～5次敲击后得到的波形。

至此，得到第一个传感器的测试结果。

拆除传感器与转换盒连接的导线，与下一个传感器连接并重复所述第一个传感器的测试过程，对第二个传感器进行测试；获得第二个传感器的测试结果。

重复所述第二个传感器的测试过程，直至完成所有的传感器的测试。步骤六：测试结果的处理与分析

所述测试结果处理与分析的具体过程是：

将得到的第一个传感器的五次测试数据导入matlab程序中，通过该matlab程序将第一个传感器上采集到五次测试数据的电压响应信号与施加的电压激励信号，通过matlab程序中的互功率谱密度函数除以激励信号的自功率谱密度函数，分别得到五次测试数据的频响函数曲线。

对该第一个传感器的五次测试数据进行波峰频率分析，若不存在所述的缺陷，则得到的五次测试的波形曲线均为光滑的抛物线形主波峰；若存在所述的缺陷，则得到的五次测试的波形曲线在1000hz内的频率内的波峰数量会达到两个以上、呈现明显的锯齿状的波峰，并且所述锯齿状的波峰会延伸至1000～3000hz的频率内。

重复对所述第一个传感器测试结果的处理与分析过程，逐个对各传感器测试结果进行处理与分析，直至完成全部各传感器测试结果的处理与分析。至此。完成对该固体火箭发动机缺陷的无损检测。

本发明命名为机电阻抗频响函数法，所述的机电阻抗法是一种公知技术，频响函数法是一种数据处理方法，二者结合运用目前没有发现相关记载，更没有在固体火箭发动机燃烧室界面检测应用的记载。本发明主要针对直径约2000mm、壳体材料为复合纤维材料的固体火箭发动机推进剂/衬层//绝热层界面脱粘缺陷机动、快速的无损检测，尤其对于已经总装的整体产品来讲，无需分解便能够在存储现场实现检测，具有非常便捷高效的优势，非常适合已经总装的整体产品界面脱粘缺陷的快速排查。本发明运用通用设备ni多通道高速数据采集器、pcb力锤和传感器等组成检测系统，利用力锤敲击待测结构表面给与脉冲状的力，通过信号采集程序测得响应信号的时域波形，进而获得发动机绝热层/衬层/推进剂界面的频响函数曲线，以判定所述界面结构是否完好。

其测试原理是根据固有频率公式：

式中：ωn为第n阶固有频率，k为刚度矩阵，m为质量矩阵。

当界面结构存在脱粘缺陷时，刚度矩阵和质量矩阵发生改变，结构的阻抗和固有频率也会产生相应的变化，即当界面结构脱粘和不脱粘时，刚度矩阵k和质量矩阵m会发生改变。通过统计结构的固有频率并分析其变化，可以判断界面结构的脱粘损伤。

当发动机绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时，频响函数曲线只有一个较为平滑的、且频率小于1000hz的主波峰，当发动机绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘时，频响函数曲线的波峰成分会变的丰富，在频率1000hz处出现若干个锯齿状波峰，甚至可延伸至频率3000hz处。

该方法在发动机上的实际检测结果见表1。

表1.频响函数法检测结果

从表1可以看出，该方法可以通过波峰数量和波峰频率实现绝热层/衬层/推进剂界面好粘和脱粘的定性。当发动机绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时，频响函数曲线在相对低频区(大约1000hz内)仅有一个波峰。当发动机筒体段绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时，频响函数曲线会出现两个以上的波峰，最多达到9个，且波峰会延伸至相对高频区(大约1000～3000hz)。

本发明适用于直径约2000mm、壳体材料为复合纤维材料的固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测，可以通过波峰数量和频率判断绝热层/衬层/推进剂界面是否完好粘贴，当发动机绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时，频响函数曲线在相对低频区(大约1000hz内)仅有一个光滑的抛物线形主波峰。当发动机筒体段绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时，频响函数曲线的波峰信息会变的丰富，在相对低频区(大约1000hz内)的波峰数量会达到两个以上，呈现明显的锯齿状，且波峰会延伸至相对高频区(大约1000～3000hz)。采用该方法可以对已经交付组装的整体产品进行快速、便捷的野外检测排查，通过波峰数量和频率判断产品绝热层/衬层/推进剂界面是否完好粘贴，对发现界面脱粘缺陷的产品再实施分解转运，通过射线照相检测进一步确认缺陷界面位置、面积等信息，可以实现发动机的精准分解，避免完好产品不必要的分解与转运。

附图说明

图1是具体实施框图；

图2是发动机界面结构完好波形；

图3是发动机界面脱粘波形；

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

本实施例是某固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷机动、快速的无损检测方法，所检测的发动机直径为2000mm，壳体材料为复合纤维材料，壳体内部结构依次为橡胶类绝热层材料、衬层材料以及复合固体推进剂，各种物质材料之间界面质量均要求粘接完好。

具体实施过程是：

步骤一：传感器的测量、粘贴

采用万用表对全部锆钛酸铅的传感器的电容进行确认测量，确认的标准为各传感器的电容应为2.5nf±30％。测量结果不符合的不予使用。

根据设计要求，在发动机壳体的检测区域标记出传感器粘贴位置。所述的标记传感器粘贴位置根据发动机壳体的长度确定，并沿该发动机壳体的圆周周向均布，每个圆周上均布八个传感器，并使相邻的两个圆周的传感器粘贴位置之间的距离为300mm。

粘贴时，将所述各传感器粘贴位置的壳体表面擦拭至干净无尘。取等量的ab胶充分搅拌后均匀涂抹于壳体表面待粘贴位置及传感器底面，将该传感器对准粘贴位置用手指轻轻压紧，至胶粘剂固化。

全部传感器粘贴完毕后进行编号并记录。

步骤二：连接传感器

将转换盒与nipxie-1071高速数据采集器连接。再将第一个传感器与该转换盒连接。

步骤三：设备调试与设置

打开所述多通道高速数据采集器，打开力锤激励信号采集程序进入采集程序的主界面，设置采样频率为10000hz，采样时间为2s。

步骤四：传感器的检测

通过预测试，分别对传感器进行检测。各传感器检测的具体过程是：运行程序，同时发出敲击指令，使力锤2s内在与转换盒连接的传感器周边100mm内的壳体表面进行第一次敲击；敲击力量不大于5n。敲击后通过传感器采集敲击后的信号。若采集成功，在采集程序的主界面的信号时域通道会产生1个脉冲信号，在采集程序的主界面的信号频域通道会产生1个时域波形；得到第一次敲击的波形。若采集失败，在采集程序的主界面的信号时域通道会产生空采直线，在信号频域通道会产生锯齿状噪声信号。

重复所述敲击和采集过程，继续对该与转换盒连接的传感器周边100mm处进行第二次敲击，得到第二次敲击的波形。

重复所述第二次敲击和采集过程，继续对该与转换盒连接的传感器周边100mm处进行第三次敲击，得到第三次敲击的波形线。

当得到的三次敲击后获得波峰频率和幅值一致时，该传感器检测合格；反之则判定该传感器检测不合格，应检查传感器的粘贴状态或重新测量传感器的电容参数，当粘贴松动或电容参数异常时，应重新更换、粘贴传感器。

至此，完成对第一个传感器的预测试检测过程。

拆下第一个传感器与转换盒连接的导线，将转换盒与第二个传感器连接并重复所述第一个传感器的检测过程，对第二个传感器进行检测，并完成对第二个传感器的判定。

反复重复对第二个传感器的检测过程，分别对其余各传感器进行检测。直至完成对全部传感器的检测，并完成对全部传感器的判定。

当全部传感器检测完毕并判定全部传感器合格时，则进入步骤5，分别对全部传感器进行正式测试。

步骤五：发动机缺陷的测试

所述的发动机缺陷是指推进剂与绝热层的界面缺陷、绝热层与发动机壳体界面缺陷。

测试时，将第一个传感器与转换盒连接。

测试时，在2s内使力锤在该第一个传感器周边100mm内进行第一次敲击；敲击力量不大于5n。敲击后通过传感器采集敲击后的信号。在采集程序的主界面的信号时域通道会产生1个脉冲信号，在采集程序的主界面的信号频域通道会产生1个时域波形；得到第一次敲击的波形。所述第一次敲击的波形以电压响应信号和电压激励信号的形式被保存。所述电压响应信号由传感器采集并保存，电压激励信号是由多通道高速数据采集器施加到传感器上。

重复所述得到第一次敲击波形的过程，对该第一个传感器进行第2～5次敲击，分别得到并保存第2～5次敲击后得到的波形。

至此，得到第一个传感器的测试结果。

拆除传感器与转换盒连接的导线，与下一个传感器连接并重复所述第一个传感器的测试过程，对第二个传感器进行测试；获得第二个传感器的测试结果。

重复所述第二个传感器的测试过程，直至完成所有的传感器的测试。

步骤六：测试结果的处理与分析

将得到的第一个传感器的五次测试数据导入matlab程序中，通过该matlab程序将第一个传感器上采集到五次测试数据的电压响应信号与施加的电压激励信号，通过matlab程序中的互功率谱密度函数除以激励信号的自功率谱密度函数，分别得到五次测试数据的频响函数曲线。所述的matlab程序为武汉大学编制。

对该第一个传感器的五次测试数据进行波峰频率分析，若不存在所述的缺陷，则得到的五次测试的波形曲线均为光滑的抛物线形主波峰；若存在所述的缺陷，则得到的五次测试的波形曲线在1000hz内的频率内的波峰数量会达到两个以上、呈现明显的锯齿状的波峰，并且所述锯齿状的波峰会延伸至1000～3000hz的频率内。

重复对所述第一个传感器测试结果的处理与分析过程，逐个对各传感器测试结果进行处理与分析，直至完成全部各传感器测试结果的处理与分析。至此。完成对该固体火箭发动机缺陷的无损检测。