周伟武，任志忠，周 杰

(江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411207)

固体火箭发动机在现代导弹武器系统中应用广泛，为导弹安全可靠飞行提供动力支持。固体火箭发动机由装药、燃烧室、喷管和点火装置等组成。固体火箭发动机工作期间无法停止，而推进剂作为发动机的能源，发动机装药的性能决定了发动机工作的使用安全性，因此在加工过程中需要对发动机装药的稳定性及可靠性提出严格的要求，从而保证导弹等飞行器运行的安全可靠[1-2]。为了保证发动机装药的正常工作，必须要求推进剂与包覆层间贴合粘接紧密。如果两者间出现一定面积大小的脱粘间隙，发动机工作时，燃气可能进入脱粘间隙内，发生蹿火，导致推进剂包覆处暴露燃烧，引起推进剂燃面扩大；如果脱粘面在燃烧过程中发生扩展，在极短的时间内装药燃烧面积大幅度増大，燃烧室压力和压力时间曲线将瞬间偏离设计状态，燃烧室燃气压强急剧升高，如果偏离值过大，燃烧室将会烧穿甚至解体，导致出现故障甚至发生爆炸[3-4]。因此，必须对装药的包覆/推进剂界面粘接质量进行检测，确保包覆界面不存在超出设计规定范围的脱粘缺陷。

由于包覆层与推进剂需紧密结合，为了其整体结构完整性和使用性得以保证，只宜采取无损检测的方式进行缺陷检测。用于固体火箭发动机包覆界面粘接质量诊断的无损检测方式有多种，如X射线、计算机层析成像(CT)、超声、红外热成像[5-8]以及激光散斑[9]等技术。其中激光错位散斑干涉技术具有全场性、非接触、无污染、高精度和灵敏度、快速实时检测等优点[10-12]，因此相对于其他传统常规无损检测手段来说，该技术在针对复合材料的无损探伤方面具有独特的优势且更加有效。为了直观评估激光散斑干涉技术对于装药的包覆/推进剂界面脱粘缺陷的无损探伤效果，通过开展研究，针对具有脱粘缺陷的某型包覆推进剂，运用研发的S60-PLUS型激光散斑设备进行散斑干涉实验。

1 实验

本文制作的某型包覆推进剂为自由装填式固体火箭发动机的装药部分，该发动机装药由起飞级推进剂、续航级推进剂和绝热包覆层3部分组成。其中推进剂为改性双基推进剂，包覆层采用改性三元乙丙橡胶制成包覆套筒，套筒内壁与推进剂所需覆盖的外表面涂粘接剂后，按包覆工艺进行包覆，最终制作某型包覆推进剂。装药的包覆层覆盖在推进剂侧面及上球头面，覆盖部分阻止推进剂燃烧以获得特定推力，同时隔绝高温燃气扩散避免推进剂包覆部分提前燃烧以破坏推进剂燃烧规律，包覆层还具有保护固体推进剂避免机械效应损伤等作用。

本文使用S60-PLUS型号的激光散斑设备(见图1)来进行包覆推进剂中脱粘缺陷的检测。该设备的错位散斑干涉光路示意图如图2所示，主要由激光器、激光扩束透镜、包覆推进剂、旋转平台、升降探头、迈克尔逊干涉仪、CCD照相机和计算机等部分组成。错位散斑干涉技术是一种可以无损检测物体变形表面离面位移导数的技术。对于内部具有缺陷的复合材料，当材料受到外部载荷时，内部缺陷位置的外表面会产生微小而不均匀的变形。利用错位散斑干涉技术可以将这种不均匀的表面变形以蝴蝶状干涉条纹的形式显现出来，并利用计算机技术精确地测量缺陷的大小。根据图2光路图的结构，研制出S60-PLUS型号的激光散斑设备对包覆推进剂进行缺陷检测。

图1 S60-PLUS激光散斑设备

图2 错位散斑光路图

2 结果和讨论

在设备的旋转平台上顺时针以120°间隔划分出3个柱形扇面区域，同时将待测包覆推进剂以母线中点为界划分为上下两部分，每个部分以旋转平台的区域为基准划分出3个柱形扇面区域，划分完成后给每个区域赋予标号1～6。将划分完成的包覆推进剂放入真空舱内的旋转平台上，紧闭真空舱门，真空加载负压至20 kPa±2 kPa开始检测，筛选出明显缺陷的散斑图像。因为包覆推进剂被划分成了6块区域，所以需要利用旋转平台和升降探头对6块区域分别进行检测，检测出缺陷的图像及时进行处理，测量缺陷大小。

检测过程中得到了图3所示的散斑图像，从图像中可以明显地观察出错位散斑干涉特有的蝴蝶状条纹图，非常直观地看到包覆推进剂内部粘接缺陷的位置和大小。实验的结果表明，错位散斑干涉可以无损有效地检测出包覆推进剂的脱粘缺陷，完全可以胜任实际工程要求。

图3 散斑检测结果图

为了进一步表示错位散斑干涉技术在检测包覆推进剂脱粘缺陷的正确性和准确性，本文利用计算机层析成像(CT)技术做了对比实验，错位散斑检测脱粘缺陷尺寸与计算机层析成像(CT)检测缺陷尺寸基本相同，CT检测的结果如图4所示。

图4 计算机层析成像(CT)检测结果图

在对包覆推进剂的脱粘缺陷的检测过程中，剪切散斑干涉主要测量的是推进剂变形位移的一阶导数，而推进剂的刚性位移并不会影响变形位移的一阶导数，因此文中推进剂的旋转不会影响测试的结果和精度。由于缺陷位置处应力集中，剪切散斑测量对于缺陷的分辨能力要优于散斑测量，另外剪切散斑测量不需要参考光束，抗干扰能力强，对于测试环境隔振要求不高，可以满足工程实际的应用。文中使用的S60-PLUS型号激光散斑设备，是完备的系统的集成化设备，不仅能满足高校或科研院所的实验使用要求，还可以满足实际工程的需求。剪切散斑测量对激光器的相干性要求低，并且搭建的光路系统简单，对于系统的调整和优化容易实现。

脱粘缺陷检测时，研究人员往往会利用其他无损检测技术。红外线热成像是检测复合材料脱粘缺陷时常用的一种方法，但是这种方法需要对材料进行加热，时间较长，对检测环境及操作要求高，且从安全角度出发，固体火箭发动机推进剂材料不宜加热，不能满足快速检测需求；超声检测也是普遍使用的一种方法，这种方法需要接触到被测材料，探头需要添加耦合剂，造成工件污染的同时也将影响产品使用性能，降低测量精度。剪切散斑测量就可以避免上述方法带来的影响，做到无接触，实时快速精确地测量出包覆推进剂的缺陷位置，利用摄像机采集的图像信息准确地找到研究人员需要的缺陷参数。

3 结语

本文利用S60-PLUS型号激光散斑设备对某型包覆推进剂进行了脱胶缺陷的检测实验。实验结果显示，错位散斑干涉技术对包覆推进剂的脱胶缺陷检测是一种非常有效的无损检测方法。同时进行计算机层析成像(CT)技术的对比实验，测试结果表明错位散斑干涉技术可以更加快速准确地显示缺陷位置，更能准确地测量出缺陷尺寸。