固體火箭發動機復合材料殼體健康監/檢測方法

吳昊，杜鵬程，王華斌

(1.海軍裝備部駐西安地區軍事代表局，陜西 西安 710000；2.中國航天科工集團有限公司 六院41所，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

固體火箭發動機是當今各種導彈武器和航空航天器主要的動力裝置，以其機動性好、可靠性高以及易于維護的優點，被廣泛地應用于現代戰爭和航空航天[1]。為適應固體發動機減重、提升工作壓強等性能提升的需要，碳纖維增強復合材料被廣泛地用于固體發動機殼體的制造。復合材料屬于非均質各項異性材料，內部結構復雜，其成型工藝穩定性較差。同時在儲存和運輸過程中力載荷(支撐壓力、沖擊、過載、碰撞)和環境載荷(高溫、高濕、腐蝕介質)的作用下，復合材料殼體結構內部容易產生脫粘、裂紋等損傷。這些缺陷或者損傷會導致固體火箭發動機殼體爆破壓強的降低，導致飛行失敗。因此對固體發動機碳纖維復合材料殼體的缺陷進行檢測，對其健康狀態的實時評估成為保障導彈安全服役的重要課題[2]。

目前，對固體發動機絕熱層與殼體和藥柱的粘接界面、藥柱的力學性能衰減等已形成較為完備的檢測技術和方法[3-4]，而對碳纖維復合材料為基礎材料的殼體的健康監測技術研究仍顯得相對滯后。本文將對目前復合材料及結構無損檢測方法和固體火箭發動機健康監測領域的研究內容進行綜述，找出適合固體發動機復合材料殼體出廠評價及服役后維護的健康監測技術和方法，同時指出固體發動機復合材料殼體健康監測領域的發展方向。

1 固體火箭發動機復合材料殼體健康檢測方法

1.1 人工檢測方法

目視法和敲擊法是碳纖維復合材料殼體生產及出廠后評定的2種人工檢測方法。目視法主要通過放大鏡等輔助觀察工具，通過目視來檢查復合材料部件表面的表面狀態，如缺口、裂紋、磕碰傷、掉漆等缺陷。目視法嚴重依賴技術人員的經驗和知識，只能作為殼體或發動機在生產和服役過程中的初步檢查手段。

敲擊法的主要應用場景為復合材料結構內部孔隙、纖維層脫粘等缺陷以及粘接界面的脫粘評價。南京航空航天大學李艷軍課題組開發了智能敲擊檢測系統，通過數字敲擊錘激勵復合材料構件產生機械振動，經測量復合材料構件振動的特征來判定其內部的缺陷。該系統已用于蜂窩狀結構檢測、復合材料檢測、膠接強度檢測等[5]。智能敲擊檢測設備輕巧，操作簡單，自動化程度高，可用于固體發動機復合材料殼體原位檢測等領域。

人工測試方法操作簡單，結果直觀，但是該方法主觀性強，嚴重依賴技術人員的經驗。對固體火箭發動機而言，人工檢測方法僅限于復合材料殼體缺陷的初步判定，其精度不能滿足復合材料結構精細化評定的要求。

1.2 聲學檢測方法

1.2.1 超聲檢測法

超聲檢測法，是利用復合材料內部缺陷和連續區域對超聲波反射信號的不同來定位缺陷和判定缺陷大小的一種無損檢測方法。復合材料成型的工藝特點決定了復合材料結構具有明顯的各項異性，材料結構內部存在較多的孔隙、分層等缺陷。再加上復合材料的聲衰減大，噪聲與缺陷反射信號的信噪比低，導致缺陷信號分辨率低[6]。對于小型結構件通常采用水浸式反射法，對于尺寸較大的構件多采用噴水穿透法或噴水脈沖反射法[7]。圖1給出了一種用于大型火箭結構的自動化超聲檢測系統。

圖1 大型火箭結構自動化超聲檢測系統Fig.1 Automatic ultrasonic detection system for large rocket structure

歐美國家對超聲檢測方法的研究起步早，建立了完備的超聲無損檢測理論體系，同時推動了檢測儀器的數字化和圖像化。從超聲無損檢測理論研究方面，Smith[8],Rokhlin[9],Matin[10],Kanaun[11]等人通過建立聲波在各向異性復合材料中傳播的穩態遞歸剛度矩陣算法，超聲波在含孔隙碳纖維復合材料中傳播的理論聲速計算模型，使用全新的復合材料聲波散射方程等方法實現對復合材料內部缺陷的定量評估。在工程領域實現方面，ICI Fiberite公司、德國的Nukem Nutronik公司、德國智能無損檢測系統和服務公司研制的檢測設備可以實現對復雜表面復合材料結構的無損檢測，確定大型復雜構件內部缺陷特征[12-13]。

目前，超聲檢測方法延伸出許多技術分支，極大豐富了超聲無損檢測技術門類[14]。實際檢測中，多種方法有機配合，相互補充，極大提高了復合材料構件缺陷檢測精度。

1.2.2 聲發射檢測法

聲發射檢測法，其原理是通過纖維斷裂聲學判斷纖維絲束斷裂載荷，主要用來評價纖維絲束的質量，是一種動態的檢測技術[15]。聲發射檢測技術配合復合材料殼體水壓試驗可以確定殼體整體的質量水平，為后期發動機維護提供數據支撐。美國國家航天局(NASA)曾采用聲發射法有效地檢測出航天器結構中裂紋等缺陷，是航天器質量監控的一種有效手段[15]。

1.2.3 聲-超聲檢測法

聲-超聲檢測技術，又稱應力波因子技術，利用應力波在連續介質中較高的傳播效率確定復合材料質量。提取的應力波因子(stress wave factor,SWF)數值越大，則表明材料及其結構的強度、剛度和斷裂韌度更高，或材料內損傷更少[16]。寧志威等[17]采用壓電陶瓷傳感器和數字示波器相結合的方法檢測了含預置脫粘層的復合材料板。結果表明，該方法能夠準確地檢測出脫粘層的位置及大小。

1.3 射線及光學成像檢測法

1.3.1 X射線照相法

X射線照相檢測，是固體發動機無損檢測最為傳統的方法之一，主要是根據X射線穿過不同材料時衰減量不同從而在底片上呈現明暗不同的影像[18]。密度較大的物質顯示白色，而脫粘缺陷顯示暗色。目前X射線照相法仍是固體火箭發動機及殼體、噴管及喉襯缺陷的最為主流的檢測方法。

X射線實時成像法是對X射線照相檢測法的繼承，采用該方法能夠實現金屬、復合材料及其膠接部位的缺陷檢測[19]。在固體火箭發動機金屬裙和復合材料筒段膠粘部位的無損檢測方面，具有顯著的優勢和推廣價值。

1.3.2 工業CT(computerized tomography)法

工業CT法，也稱射線計算機斷層掃描法，也是通過X射線照相來判定損傷的一種方法。工業CT設備一般比較龐大，通常在發動機生產過程中對發動機藥柱以及各粘接界面進行檢測。美國率先將工業CT技術應用于固體火箭發動機內部缺陷的檢測[20]。我國也相繼研制了大中型發動機的工業CT設備并形成相應的檢測標準[3,21]。在復合材料殼體檢測方面，工業CT主要用于發動機殼體靜力試驗、水壓試驗等試驗后殼體筒段、裙粘接部位以及接頭部位的結構完整性檢測，如圖2所示為靜力試驗后固體發動機殼體裙部位破壞X射線影像。

圖2 固體發動機裙部位破壞工業CT影像Fig.2 Industrial CT image of destroyed solid rocket moto skirt

1.3.3 激光全息成像檢測法

激光全息檢測法，是對被檢測結構施加力、熱或力-熱聯合載荷，根據缺陷與連續介質對力或熱載荷的響應敏感度不同來確定缺陷位置。該方法需首先確定缺陷位置。由于激光光源相干長度大，可檢測大尺寸的復合材料結構件，如蜂窩夾層結構脫膠、復合材料層壓板分層、復合材料殼體中的裂紋和分層等缺陷的檢測[7]，也應用于復合材料殼體在靜力試驗過程中非接觸式應變采集系統。

2 固體火箭發動機殼體健康監測及壽命評估技術

前文介紹了固體發動機復合材料殼體缺陷檢測方法，如X射線照相法作為目前發動機殼體出廠時殼體缺陷和質量優劣的主要評判手段。待發動機殼體交付，發動機生產完畢后進行CT技術、微波掃描后激光全息成像等方法檢測固體火箭發動機界面脫粘等缺陷。而導彈與其他(如風力發電葉片、飛機復合材料結構等)裝備的最大區別就是“長期貯存，少量測試，一次使用”。無損檢測手段只能提供復合材料殼體當前自身狀態信息，難以反映復合材料力學性能衰減規律，無法實施在線、連續、實時檢測，其檢測結果可為發動機健康狀態及使用壽命提供相關數據支持。鑒于上述原因，仍需結合其他檢測手段與實驗方法對服役期復合材料及固體發動機健康監測進行深入研究和探討。

2.1 數值評估方法

對固體發動機的無損檢測能夠獲取檢測時刻固體發動機的健康狀態，無法預知發動機的壽命。趙汝巖等[22]建立基于證據推理(evidential reasoning,ER)算法的發動機健康狀態計算模型，通過引入時間修正函數處理評估過程中的不確定性信息，實現發動機健康狀態的實時評估。

該模型的具體方法步驟為，以發動機脫粘、老化、裂紋等缺陷作為發動機健康狀態指標，對無損檢測獲得的缺陷數據進行歸一量化，利用時間修正函數對歸一量化的數據進行修正，確定三角模糊函數下的隸屬度，利用ER算法合成計算，確定等級分配信任度。通過上述過程可以求得下次無損檢測發動機健康為“正常”狀態的概率和“注意”狀態的概率[22]。

2.2 植入式傳感器法

基于植入式傳感器的結構健康監測技術，能夠實現對發動機殼體及藥柱的損傷識別和定位，是物理檢測的一種重要方法。

2.2.1 植入式傳感器布置方法

傳感器的布置數量直接影響發動機殼體可靠性和監測數據量。海軍工程學院徐廷學等[23]利用ANSYS分析軟件分析殼體應變和模態，獲取傳感器初始布點，再基于遺傳算法對傳感器布點進行優化。同時其他比較熟悉的方法有，Udwadia基于Fisher信息陣，提出了一種適合線性和非線性系統的傳感器最優布置的快速算法，討論了在已有傳感器系統基礎上增設傳感器的最優布置方法[24]；Guyan減縮法也是一種常用的測點選擇方法，它將包含有主次坐標關系的約束方程代入系統的動能或應變能表達式，產生減縮的質量或剛度矩陣，逐次迭代，把那些對模態反應起主要作用的主坐標保留下來作為測點的布置[25]。在設置傳感器過程中，通常這些方法相互配合，并考慮實際工藝特點優化設置。

2.2.2 傳感器檢測

由于固體發動機復合材料殼體損傷導致1997年DELTA導彈升空后爆炸，促使美國空軍開展了固體發動機復合材料殼體健康監測系統研究。采用光纖傳感器、基于微機電系統(micro-electro-mecha-nical systems，MEMS)技術的無線多參數傳感器，集成了多通道微電子傳感器，可以測量溫度、過載、壓力、相對濕度等等環境參數，并集成了存儲、電源裝置，可以獲得固體發動機的絕大多數的環境載荷信息，并在DELTA Ⅱ復合材料殼體上采用了基于光纖傳感器網絡的結構健康監測系統。除應力應變監測技術外，美國也研制了氧傳感器、氮氧化物(NOx)傳感系統等化學傳感器，豐富了發動機狀態信息監測的多樣性。同時，美國探索了健康監測技術的網絡智能化研究，這種技術的優點是可以經濟、準確、實時地獲得老化數據，提升固體發動機健康監測系統的整機應用技術能力。航天科工集團六院359廠提出一種智能固體火箭發動機殼體的制作方法，該方法是將光纖光柵傳感器在碳纖維纏繞過程中鋪放于殼體內部，從而實現復合材料殼體在線、實時監測。該成果能夠有助于發現復合材料殼體中的早期缺陷，為發動機可靠性和安全性提供有力保證，避免重大事故的發生[26]。光柵傳感器布放方式見圖3。

圖3 一種復合材料內部光柵傳感器布放方式Fig.3 A layout method of grating sensor inside composite material

在其他復合材料結構健康檢測領域，如美國波音公司的777，787飛機、諾斯羅普(格魯曼(Northrop)公司的B-2戰略轟炸機、全球鷹無人機等項目已經成功應用了成熟的健康實時監測系統，在飛機內部埋入壓電傳感器及光纖應變傳感器陣列監測機翼結構的損傷及應變。在美國的聯合打擊戰斗機、歐洲聯合研制的“臺風”戰機、A380飛機等項目研究中也得到了應用，在提高產品安全性、降低成本和維護費用方面的作用效果顯著。

植入式傳感器(如壓電材料、形狀記憶合金等)在監測殼體狀態的同時改變了殼體結構，增加成本和設計難度。碳纖維具有較好的導電性和壓阻效應，其本身作為傳感器在混凝土結構完整性監測領域已取得成熟應用[27]。武漢理工大學李卓球和朱四榮課題組對碳纖維智能束及其傳感機理開展了大量的研究[28]，實現了利用碳纖維智能束測試復合材料懸臂梁的模態、位移等數據，并且碳纖維智能束的電阻變化與結構的應變呈定性的關聯關系。碳纖維智能束應用于固體發動機殼體時，既可以發揮其力學性能，同時可以利用其力-電特性實現殼體自身狀態的感知功能。然而，目前鮮有碳纖維智能傳感器在復合材料殼體應用的報道，這將是碳纖維復合材料殼體健康監測領域的發展方向。

2.3 貯存試驗方法

碳纖維復合材料在長時間貯存或在高溫和高濕環境下貯存時，其力學性能會有不同程度的衰減[29]。目前，國內外普遍采用加速老化試驗的方法研究復合材料的貯存壽命[30]。阿斯派德導彈開展加速老化試驗，發動機在71 ℃下貯存13周，經過評定該條件下發動機狀態相當于在自然環境下貯存7-8年。俄羅斯火炬設計局設置專業的自然環境實驗室，并對C-300防空導彈進行環境老化試驗。美國軍用標準MIL-R-23139B更是規定了固體發動機在極限高、低溫下分別貯存的時間與壽命的等效關系。

通過無損檢測數據建立相同復合材料結構健康數據庫，再輔以少量地面點火抽檢試驗，可以對復合材料發動機及殼體加速老化結果進行修正，并對貯存狀態的發動機壽命給出預測。

3 固體火箭發動機殼體健康監/檢測關鍵技術

因金屬材料固體發動機殼體性能對環境及時間等因素敏感度低，所以對發動機殼體的健康監/檢測，主要是對殼體中復合材料損傷信息的監測、收集和處理，以此來判斷發動機及殼體的健康狀態，如圖4所示。復合材料殼體的健康監/檢測系統主要包含以下3個方面。

圖4 復合材料結構健康監測關鍵技術Fig.4 Key technology of composite material structure health monitoring

3.1 硬件系統

硬件性能是實現復合材料殼體健康監/檢測的先決條件。目前的檢測方法，如工業CT設備通常以線掃描的方式檢測發動機殼體4個象限部位，難以實現殼體全域面檢測，非常容易導致缺陷及損傷的漏判。實現檢測設備的小型化、智能化以及殼體等構件面掃描，輔以掃描信息的數字化判定將大大提高殼體無損檢測效率，提升檢測的全面性和準確度。

基于植入式傳感器的健康監/檢測系統在殼體中的應用，將顯著提升復合材料殼體及構件健康態勢實時感知能力，能夠準確預測復合材料結構壽命，獲取力學性能衰減規律。與傳統金屬基、陶瓷基傳感器相比，基于智能纖維束的殼體健康檢測系統在復合材料組織結構的連續性、力學性能的匹配性具有先天優勢，在克服目前的缺陷定位精度、缺陷定性判定等缺陷后將顯著提升復合材料殼體的健康監測技術水平。

3.2 信號采集及處理技術

對傳感器數據的采集、識別和處理是健康監/檢測系統的技術基礎。采用高靈敏度、高分辨率的傳感器或探測器對信號進行采集，信號的采集應考慮信號識別的局限性，如植入式傳感器隨發動機受載荷歷程，自身材料及其與發動機復合材料界面存在老化問題，其檢測數據不能準確反映復合材料真實的力學性能衰減過程。傳感器布放時需結合殼體受力特征進行合理布放，對可能出現的缺陷位置進行監測。在信號采集和處理時需要考慮信號補償以提升信號的分辨率，降低信號噪聲。

結構的損傷定義需要復雜的技術支撐，特別是多重損傷的辨識率直接決定了復合材料結構健康狀態的辨識準確度。將傳感器的監測數據和結構損傷進行高度關聯，方能實現對損傷模式的精確識別，以及對損傷的精確定位和定量評價[3]。

3.3 數據庫及大數據分析技術

復合材料的老化是一個損傷累積的過程，在日常的檢測以及維護過程中會產生大量的健康狀態數據，對離散的數據進行存儲、分析是考驗工程師的一項艱巨任務。借助大容量存儲區對結構健康數據進行匯總、分類整理，利用計算機結合算法對發動機及其殼體經歷的載荷以及可能的損傷模式進行計算和預測，如根據發動機直徑、碳纖維復合材料受力狀態、環境載荷等大數據信息建立損傷模型，分析預測發動機及其復合材料結構損傷模式及位置，并在隨后的發動機保養、維護過程中重點關注和檢測。

4 結束語

無損檢測是固體火箭發動機殼體健康監測和壽命評估的重要基礎。目前固體發動機殼體出廠評定的無損檢測技術仍以X射線照相法和工業CT法為主。隨著時間的推移，傳統的無損檢測方法仍將占主導，但隨著技術的進步無損檢測精度和分辨率將會大幅度提升，無損檢測設備的小型化、數字化、自動化水平會有顯著的提升。

不改變復合材料殼體結構的碳纖維智能傳感器將是殼體結構健康檢測的研究方向。且能夠實現對殼體損傷的定位、損傷模式判定、損傷實時監測等監測項目。

基于無損檢測數據和先進的數學模型，輔以數據庫和高性能計算機的應用，必能實現殼體以及發動機壽命的智能評估和精確預測。