埋入傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接性能影響試驗(yàn)研究

張春龍，呂安國(guó)，鈕 江

（1.中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)52分隊(duì)，三亞，572016；2. 中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)45分隊(duì)，三亞，572016）

埋入傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接性能影響試驗(yàn)研究

張春龍1，呂安國(guó)2，鈕 江1

（1.中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)52分隊(duì)，三亞，572016；2. 中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)45分隊(duì)，三亞，572016）

針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)檢測(cè)中埋入傳感器后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接性能的影響，自制埋入傳感器的粘接試件，通過對(duì)粘接試件的cT無(wú)損探傷與力學(xué)性能試驗(yàn)，得到傳感器的埋入方法可靠、埋入傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接性能無(wú)明顯影響；通過對(duì)自然貯存粘接試件的力學(xué)性能監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得到粘接界面力學(xué)變化規(guī)律，進(jìn)而確定埋入式傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)界面中至少可以穩(wěn)定工作3個(gè)月以上。

埋入式傳感器；粘接界面；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引 言

基于內(nèi)嵌式傳感器的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)健康監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)試成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的重要研究方向之一[1～6]。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室界面嵌入應(yīng)力傳感器后，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響的關(guān)鍵是對(duì)襯層（傳感器）/推進(jìn)劑界面性能的影響[7，8]。為此，需對(duì)傳感器嵌入界面粘接強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究[9～12]。

本文借鑒部標(biāo)QJ2038.1-91粘接試件制作方法，自制含內(nèi)嵌式傳感器的粘接試件并設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究界面應(yīng)力傳感器嵌入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接強(qiáng)度的影響，以及界面粘接強(qiáng)度變化情況，分析界面應(yīng)力傳感器對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果可為今后基于內(nèi)嵌式傳感器的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)健康監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)研制提供技術(shù)支持。

1 界面粘接性能測(cè)定方法

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面嵌入傳感器后的長(zhǎng)期貯存過程中，受溫度、濕度等貯存條件的影響，界面粘接性能會(huì)因老化出現(xiàn)下降，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面老化性能進(jìn)行測(cè)試。本文所用的測(cè)試方法為cT無(wú)損檢測(cè)法和強(qiáng)度測(cè)定法。

cT無(wú)損檢測(cè)法是利用X射線對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)界面狀態(tài)進(jìn)行直觀判讀，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面是否存在脫粘等現(xiàn)象。工業(yè)cT可一次性對(duì)多個(gè)粘接試件的多層斷面進(jìn)行檢測(cè)。為了確認(rèn)殼體/襯層（傳感器）、襯層/傳感器以及襯層（傳感器）/推進(jìn)劑等界面粘接情況是否良好，本試驗(yàn)采用工業(yè)cT對(duì)自制的含內(nèi)嵌式傳感器的粘接試件貯存前后界面粘接情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，摸清各界面有無(wú)脫粘等現(xiàn)象，直觀判斷貯存前后界面粘接性能的變化情況。

強(qiáng)度測(cè)定法是利用自制的粘接試件在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)貯存條件下進(jìn)行貯存，測(cè)量經(jīng)歷不同貯存時(shí)間后的粘接強(qiáng)度，以此判定發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接性能。本文對(duì)貯存前后的粘接試件進(jìn)行粘接強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試粘接試件達(dá)到破壞時(shí)的拉力，以計(jì)算出其強(qiáng)度，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究。

2 傳感器嵌入對(duì)界面粘接性能影響試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

制作含內(nèi)嵌式傳感器Φ15 mm×3 mm的粘接試件如圖1、圖2所示，并利用工業(yè)cT進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)試件粘接情況良好。

圖1 粘接試件結(jié)構(gòu)

圖2 粘接試件實(shí)物

2.2 傳感器粘接試件力學(xué)性能試驗(yàn)

將經(jīng)無(wú)損檢測(cè)完好的含內(nèi)嵌式傳感器的粘接試件置于密閉容器中進(jìn)行自然貯存，試件個(gè)數(shù)為25個(gè)，按QJ2038.1規(guī)定的條件，貯存情況如圖3所示。

圖3 粘接試件貯存情況

在試件初始階段以及貯存10天、20天、40天和80天后，分別隨機(jī)取出5個(gè)粘接試件，進(jìn)行粘接強(qiáng)度試驗(yàn)（根據(jù)航空航天工業(yè)部航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ2038.1《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室界面粘接強(qiáng)度測(cè)定方法》進(jìn)行）。根據(jù)貯存前后試件的粘接界面強(qiáng)度情況，分析界面強(qiáng)度變化規(guī)律，研究傳感器嵌入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 貯存前后粘接試件無(wú)損檢測(cè)結(jié)果分析

利用工業(yè)cT分別對(duì)含內(nèi)嵌式傳感器的粘接試件初始狀態(tài)以及貯存80天后的界面情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，得到貯存前后試件各界面的典型無(wú)損檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，貯存前后殼體/襯層（傳感器）界面、襯層/傳感器界面以及襯層（傳感器）/推進(jìn)劑界面粘接情況均保持良好，貯存過程中未發(fā)現(xiàn)有脫粘等缺陷發(fā)生，說明本文所述傳感器嵌入工藝可行，粘接試件制作方法可靠性較高；在粘接試件整個(gè)貯存過程中，傳感器嵌入并未對(duì)試件粘接界面產(chǎn)生明顯影響。

3.2 粘接強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文分別測(cè)定了含內(nèi)嵌式傳感器的粘接試件初始階段以及自然貯存10天、20天、40天和80天后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表2 老化模型系數(shù)

表1 不同貯存時(shí)間平均界面粘接強(qiáng)度

由表1可知，粘接試件界面粘接強(qiáng)度隨貯存時(shí)間的變化規(guī)律為：界面粘接強(qiáng)度先有所增強(qiáng)，原因?yàn)檎辰觿┑暮蠊袒^程引起的；后固化結(jié)束后，界面粘接強(qiáng)度隨貯存時(shí)間增加開始下降；且貯存時(shí)間越長(zhǎng)，粘接強(qiáng)度下降速率越低。由于界面應(yīng)力傳感器相對(duì)較小，界面應(yīng)力傳感器嵌入并未對(duì)粘接試件強(qiáng)度性能產(chǎn)生較大影響。

對(duì)粘接試件貯存老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，通常選用以下3種模型：

式中 P為試件某時(shí)刻的性能；P0為常數(shù)；K為性能變化速率常數(shù)；t為試件貯存時(shí)間。

式（1）中，令X=t，Y=lnP，a=lnP0，b=-K；式（2）中令X=lgt，Y=P，a=P0，b=K；式（3）中令X=t，Y=P，a=P0，b=K，則以上3種老化模型均可表示為一次方程形式：Y=a+bX。

根據(jù)前文分析，傳感器貯存20天以后試件粘接性能出現(xiàn)老化下降。本文用界面粘接強(qiáng)度表征粘接試件性能變化，通過試驗(yàn)獲得試件貯存20～80天時(shí)的界面粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用最小二乘法可求以上3種模型對(duì)應(yīng)直線方程Y=a+bX的系數(shù)a，b以及相關(guān)系數(shù)ρxy=cov(x，y)，其中cov（x, y）為x，y的協(xié)方差，d( x)，d( y)為x，y的方差。如表2所示。

由表2可知，模型P=P0+Klgt的相關(guān)系數(shù)最接近1，故選擇式（2）為老化模型。

根據(jù)老化模型，利用最小二乘法對(duì)粘接試件老化階段界面粘接強(qiáng)度隨時(shí)間變化按對(duì)數(shù)規(guī)律進(jìn)行擬合，得到擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 傳感器界面粘接強(qiáng)度-時(shí)間擬合曲線

由擬合公式可知，傳感器粘接試件的老化速率為0.05，同時(shí)從圖5可以看出，含埋入式傳感器的粘接試件貯存3個(gè)月后，其界面粘接強(qiáng)度仍然大于廠家規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求0.6 Mpa，說明傳感器嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)界面后，在傳感器自身指標(biāo)滿足要求的情況下，至少可以穩(wěn)定工作3個(gè)月以上。

4 結(jié) 論

通過以上研究得到界面應(yīng)力傳感器對(duì)界面粘接強(qiáng)度影響規(guī)律：a）在粘接試件貯存前期，界面粘接強(qiáng)度隨貯存時(shí)間增加而加大，后固化結(jié)束后，因老化作用影響，粘接試件界面粘接強(qiáng)度出現(xiàn)下降，且下降速率隨貯存時(shí)間增加而降低；b）其性能變化符合發(fā)動(dòng)機(jī)自身老化規(guī)律，受傳感器嵌入影響很小；c）在不影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用的前提下，內(nèi)嵌式傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)中至少可以穩(wěn)定工作3個(gè)月以上。

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Research of Embedded Sensor Impact on Interface Adhesive Performance

Zhang chun-long1, Lv an-guo2, Niu Jiang1
(1. 52 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016; 2. 45 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016)

For knowing the influence of embedded sensors to interface adhesive performance of motor at the researching on health monitoring technology of solid rocket motor, the adhesive specimen containing embedded sensor was made. Through the NdT and mechanical properties tests on adhesive specimen, came to the conclusion that the embedding method of sensors was reliable and there was no apparent influence for embedded sensors to interface adhesive performance of motor. The mechanics change laws of adhesive interface were obtained by the mechanical properties tests of adhesive specimen under the natural condition. Finally got that embedded sensors could work at least 3 months stably at the interface of motor.

embedded sensor; Bonding interface; Solid rocket motor

V435

a

1004-7182(2016)01-0085-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160120

2014-10-09；

2015-12-23

張春龍（1981-），男，博士，工程師，主要從事固體發(fā)動(dòng)機(jī)壽命研究