基于光纖光柵傳感器的濕法纏繞包覆工藝中固體推進劑藥柱動態應變測試技術①

李寶星，舒慧明，朱佳佳，王 中，李宏巖

(西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

濕法帶藥纏繞包覆技術是在粘結劑輔助下，通過自動化方式，將連續的纖維包覆材料纏繞于固體推進劑藥柱表面，起到承壓、隔熱和限燃的作用。濕法纏繞包覆技術具有機械化、連續化生產的優勢，是實現批量化制備中小型導彈裝藥包覆的重要手段，由此可增加中小型導彈動力裝置的生產效率，同時增加推進劑的裝填系數，減重效果明顯，具有十分巨大的發展潛力。

固體推進劑藥柱在進行濕法纏繞包覆過程中，須對纏繞纖維施加一定的張力，以保證纖維纏繞層的成型質量，同時纖維會給推進劑藥柱施加一定壓力，從而產生預應力，當預應力作用超過推進劑藥柱本體的屈服強度時，推進劑藥柱內部結構將造成破壞，從而導致纏繞包覆產品結構失效。然而，預應力的大小和濕法纖維纏繞包覆工藝參數密切相關，由于纖維纏繞過程屬于旋轉動態的，同時纖維與藥柱表面經歷了多次摩擦，對準確掌握推進劑藥柱受到的預應力帶來很大困難。

目前，固體推進劑藥柱在纏繞機上的動態纏繞包覆過程中的應變測試尚未形成切實有效的測試方法。主要存在以下兩方面問題：一方面，常規應變傳感器尺寸過大，難以與圓柱形推進劑藥表面貼合，同時對纖維纏繞型面造成一定影響；另一方面，推進劑藥柱纏繞包覆過程中轉速超過100 r/min，在高速旋轉動態過程推進劑藥柱應變采集信號的傳遞與儲存也是十分困難。基于上述問題本文嘗試采用光纖光柵傳感器(簡稱FBG傳感器)對推進劑藥柱表面所產生的應變進行測量，并采用光纖滑環解決高速旋轉動態應變測試問題。目前，FBG傳感器已經廣泛應用于材料的應變、溫度、固化度、振動、損傷與斷裂等實時的監測。在應變測試方面，張燾等利用光纖光柵傳感器在固體發動機藥柱結構溫度載荷響應測試中的應用進行了研究，植入式光纖光柵傳感器可以實現對固體推進劑的內部溫度場和應變場的實時在線監檢測，且測量一致性很好，可實現推進劑藥柱內部結構監測。余尚江等通過將光纖光柵傳感器埋入混凝土中，在沖擊條件下對混凝土試件的應變進行測試。結果表明，采用埋入光纖傳感器來實現混凝土結構內應變的直接測量可行。章征林等在混凝土的內爆炸試驗中，利用光纖光柵傳感器技術對混凝土表面的應變進行了測量。豐雷等為直觀評估炸藥的性能，設計了相關的測試系統對高強度殼體中的炸藥爆炸應變進行了測量。張燾等利用光纖光柵傳感器，對固體推進劑內部的應變進行了測量，獲得了固體推進劑內部的應變變化規律。范微等研制了一種基于FPGA的推進劑藥柱大應變存儲試驗裝置，用于測試模擬發動機發射過載條件下推進劑藥柱的應變情況。

綜上，FBG傳感器在應變測試方面得到了充分的應用，其可行性得到證實。然而，針對推進劑藥柱纏繞包覆過程中動態應變特性的研究十分鮮見。本文采用FBG傳感器、光纖滑環、專用工裝和光纖光柵解調儀搭建推進劑在纏繞包覆及纖維固化過程中的旋轉動態應變測試系統，研究推進劑藥柱在纏繞包覆過程受到纖維張力以及固化應力給推進劑帶來的應變，解決固體推進劑藥柱濕法纏繞包覆過程中的應變測試問題。

1 光纖光柵傳感器測試原理

光纖光柵是利用摻雜光纖的紫外光敏特性，通過空間周期性強紫外激光照射使外界入射光子和纖芯里面的摻雜粒子相互作用，使纖芯形成折射率沿軸向非周期性或周期性分布的結構，從而形成空間相位光柵。FBG結構如圖1所示，其中，內層為纖芯結構，外層為包層結構，纖芯的折射率比包層的折射率稍大。圖1中，為光柵的周期，當光波通過FBG傳感器時，滿足特定波長的光被光纖光柵反射回去，其他波長的光則會透過。

圖1 光纖光柵傳感器安裝結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation structure of FBG sensor

根據光纖耦合理論，光纖光柵的諧振方程為

=2

(1)

式中為光纖光柵中心波長；為纖芯有效折射率；為光柵周期。

由此可知，光纖光柵中心波長由其纖芯有效值折射律和光纖光柵周期共同決定。對式(1)微分可得

Δ=2Δ+2Δ

(2)

由式(2)可知，或改變時，光纖光柵中心波長會發生漂移。

光纖光柵在溫度變化和應力(應變)變化條件下，相應會發生伸長或縮短(如圖2所示)，均會影響光柵周期，從而導致光纖光柵中心波長會發生漂移。

圖2 光纖光柵周期變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of period change of FBG

(1)應變(力)影響規律

無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，均會導致光柵周期發生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應決定了其有效折射率必隨外界應力狀態的變化而變化。在忽略外界溫度的影響，應力、應變引起光纖光柵中心波長漂移ΔB可表示為

ΔB=(1-)··B=··B

(3)

式中為FBG的彈光系數；為測量應變的靈敏度；為應變。

(2)溫度影響規律

溫度變化引起光纖光柵中心波長漂移ΔB可用表示為

ΔB=BΔ=B(+)Δ

(4)

式中為FBG的熱膨脹系數；為FBG的熱光系數。

在不同溫度環境下，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應變測量的影響。

2 旋轉動態應變測試系統

通過搭建旋轉動態應變測試系統對濕法纏繞包覆的連續旋轉工藝中推進劑藥柱受到的應變實時監測，測試系統的組成如圖3所示，包括光纖(光纖上可含多個FBG傳感器)、光纖滑環和滑環固定裝置、調制解調器以及數據采集裝置。其中，光纖及光纖滑環的連接示意圖如圖4所示，首先將刻有光纖傳感器的光纖布設在藥柱表面，光纖傳感器的安裝方向與推進劑藥柱的軸向平行，距離推進劑近端100 mm，位置如圖中箭頭所示，FBG傳感器安裝位置處涂上一層薄薄的粘結劑，用于固定FBG傳感器器；光纖則是從連接桿中心穿出，并與連接桿固定在一起，通過光纖滑環兩端完成光纖連接，使得光纖的一段連接FBG傳感器，另一端連接采集調制解調器，由此完成信號的傳輸。光纖及光纖滑環連接好后，將推進劑藥柱旋轉軸的兩端固定在纏繞機左右氣動卡盤上，使推進劑藥柱隨著纏繞旋轉速度進行旋轉。在纏繞過程中，利用光纖滑環的定子和轉子來確保旋轉軸和推進劑藥柱上的纖維跟隨者旋轉軸同步旋轉，則與調制解調器連接的纖維保持不動，同時確保信號傳輸的可靠穩定。測試系統和纏繞系統調試完畢，即具備固體推進劑濕法纏繞包覆工藝中的動態應變測試條件。

圖3 旋轉動態應變測試系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of rotating dynamic strain measurement system

圖4 光纖及光纖滑環連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of fiber and fiber slip ring connection

光纖滑環的結構如圖5所示，為光纖與光纖直接對接耦合結構，圖中定子為固定端，轉子為旋轉端，轉子的一端設于定子內并相對于定子旋轉。在定子和轉子之間設有兩個軸承。定子的另一端設有用于固定軸承的端蓋，轉子的一端設有用于固定軸承的螺母，端蓋與下部的軸承抵接，螺母與上部的軸承抵接。在兩個軸承之間設有內隔環和外隔環。轉子的另一端設有用于調節光纖在轉子內位置的修切環。

光纖傳感測試原理圖如圖6所示，光纖光柵傳感系統包括傳感部分和解調部分。FBG傳感器埋入被測物體表面，由光纖作為光波傳輸通道，傳感過程是通過外界參量對光纖光柵中心波長的調制來實現，而解調過程恰好相反，是將反射波長的變化量轉化為未知的外界參量信息的過程。不同中心波長的FBG傳感器組成傳感，感應待測結構沿線分布各點的應力應變，并使它們的反射光波長發生改變；不同的改變的反射光經傳輸光纖從測量現場傳出，通過光纖光柵解調器探測其波長改變量的大小，并將它們轉換成電信號；并輸出給PC機進行數據處理和分析，對待測結構各個測點的應力應變大小統計。

圖5 光纖滑環組成結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of composition and structure of fiber slip ring

圖6 傳感測試原理圖Fig.6 Schematic diagram of sensing test system

調制解調器選用sm130型光纖光柵解調儀，測試性能參數如下：光通道數4個；波長1510～1590 nm；波長穩定性2 pm；波長重復性1 pm；傳感器最大容量20個；工作溫度0～50 ℃。

光纖光柵傳感器性能參數：工作溫度-40～ 120 ℃；檢測范圍0～10 000 με；波長范圍1510～ 1590 nm；接口fc/apc；測量誤差在5%范圍內。

本文試驗選用FO100A系列單通道光纖滑環，可360°不受限制的連續或斷續旋轉，同時滿足大量的數據和信號的傳輸，且在動態旋轉過程中具有良好的機械性能。在測試過程中，為了降低插入損耗，選擇使用其單模測試類型，該系列單通道光纖滑環性能參數如表1所示。

表1 FO100A 系列單通道光纖滑環性能參數

在推進劑藥柱濕法纏繞包覆工藝，旋轉動態應變測試系統中采用光纖光柵傳感器與常規的應變片傳感器相比，具有以下優點：

(1)光纖光柵結構簡單，尺寸較小，易于埋入或附著結構體表面，可滿足更細微結構的測試；

(2)光纖光柵傳感頻帶寬、動態范圍大而且測量精度和靈敏度高；

(3)通過光纖滑環將傳感信號連通，滿足轉動的藥柱表面應變的測量，而常規應變傳感器的連接方式難以滿足。

3 旋轉纏繞動態應變測試

旋轉動態應變測試涉及主要原料與設備有：EP-170環氧樹脂，陜西太航阻火聚合物有限公司；T700碳纖維，日本東麗；數控纖維纏繞機(非標)。

本次測試固體推進劑藥柱為壓伸成型工藝改性雙基推進劑藥柱，試樣外徑為65 mm，在慢速壓縮試驗中該推進劑藥柱結構最大破壞應變值為2.5%。在濕法纖維纏繞過程中采用12K單束纖維，數控纖維纏繞機轉速為6.28 rad/s，軸方向移動速度為6 mm/s，纖維纏繞張力設置為35 N，纖維的帶寬為6 mm，纖維輸送速度根據纖維纏繞中設置的張力、纏繞機轉速以及軸方向上的移動速度進行自適應調整。在纏繞過程中，設置了螺旋纏繞(纏繞角為30°)和環向纏繞(纏繞角為90°)各2層，順序為螺旋纏繞→環向纏繞→螺旋纏繞→環向纏繞。為了排除光纖傳感器安裝的影響，光纖傳感器采用300 mm長裸光纖，推進劑藥柱兩端均與纏繞旋轉軸固定，通過光纖滑環，可跟隨纏繞軸的旋轉速度一起旋轉，以避免纖維在纏繞過程中與推進劑藥柱發生相對偏轉。由于應變測量時，FBG傳感器對溫度較敏感，因此在測試過程中，采用輔助光纖傳感器(置于同樣帶膠纖維靜態環境中)進行溫度補償，以確保測試結果的準確性。在該工況條件下，在不同層數的纏繞包覆下推進劑表面受到的應變變化情況如圖7和表2所示。其中，ε為微應變(μ)，其數值大小為10，第一層螺旋纏繞對藥柱表面產生的平均應變約為30.9(該應變為壓縮應變，且為相對值)；第二層環向纏繞對藥柱表面產生的平均應變約為162.4；第三層螺旋纏繞對藥柱表面產生的平均應變約為278.0；第四層環向纏繞對藥柱表面產生的平均應變約為209.4ε。

圖7 不同層下推進劑纏繞包覆過程中的應變時程曲線Fig.7 Strain time-history curves during the winding process of propellant under different layers

表2 推進劑在不同纏繞包覆層數下的平均應變

由測試結果可知，纖維纏繞在每層纏繞結束后，由于纖維截斷張力消失，同時旋轉停下來，向心力也消失后，應變值會出現明顯下降，第一層到第二層下降約130，第二層到第三層下降約140ε，第三層到第四層下降約160ε；在前三層纏繞過程中，藥柱表面應變表現為累積增加，第一層到第二層增加約130，第二層到第三層增加約120；第四層纏繞后，藥柱表面最終應變值未超過第三層纏繞時候的應變值。主要是在纏繞過程中，采用的是恒張力模式進行纏繞，即各層施加的纖維張力是一致的，第四層環向纏繞層會對已纏繞層的張力產生一定的放松作用，從而出現纏繞第四層后的實時應變小于第三層纏完后的應變，該現象稱之為“放松效應”。光纖傳感器位于藥柱的表面，且固定于藥柱表面，與第一層纖維緊貼，由于第一層纖維出現松弛，使得藥柱表面受到的應力有所緩解，從而出現纏繞第四層時推進劑藥柱表面產生的應變小于纏繞第三層時的應變。

4 固化過程中的應變測試

纖維纏繞完成后，環氧樹脂在固化過程中會出現收縮現象，這會導致復合材料殼體在固化成型過程中會產生熱應力和固化收縮應力，為防止出現纏繞固化應力過大而破壞藥柱的結構完整性，除了設計固化收縮率小的室溫固化環氧樹脂外，對固化過程的藥柱進行實時監測獲取固化工藝過程的真實應變尤為重要。

固體推進劑藥柱完成4層纖維纏繞后，將纏繞機調整為主軸10 rad/min緩慢旋轉，繼續跟蹤藥柱在纏繞層固化過程中的應變。固化過程是在自然環境溫度20 ℃條件下完成的，在該過程中推進劑藥柱表面進一步受到的應變變化情況如圖8所示。

圖8 固化過程推進劑藥柱表面應變時程曲線Fig.8 Surface strain time-history curve of propellant grain during curing

從應變變化結果，環氧樹脂從膠凝到安全固化結束持續時間超過33 h，主要經歷三個階段：第一階段為初始固化反應階段，這個階段固化反應放出大量熱，熱傳導導致材料膨脹變形，使得藥柱表面產生快速應變，由100.5增加至185.3(該應變屬于壓縮應變)；第二階段，隨著固化度增加，固化反應放熱量減慢，藥柱表面溫度也隨之降低，導致藥柱表面應變略微降低，由185.3減至158.8；第三階段為后固化階段，固化反應放熱量更加小，纏繞層溫度逐步降低至室溫，藥柱表面應變也呈逐步增大趨勢，由158.8升至最高214.8。

固體推進劑藥柱通過濕法纖維纏繞完成后的固化過程涉及物理變化和化學變化，其本質是樹脂發生化學反應體積收縮并放出熱量。在內熱源和外界環境溫度的共同作用下，復合材料內部產生了復雜的溫度梯度和固化度梯度，溫度梯度引起不均勻的熱變形，不均勻的熱變形導致熱應變，熱應變導致熱應力。在第一階段，纖維上的樹脂快速反應速率和釋放熱量逐漸增大，引起藥柱表面快速應變逐漸增大；隨著固化時間的增加，固化度增加，固化反應和釋放熱量降低，使得藥柱表面應變得到緩解；隨后進入第三階段，固化速率開始減小，固化放熱量減少，纖維纏繞層接近自然溫度，固化度進一步增大，樹脂的體積收縮，纖維纏繞材料在固化作用下產生化學收縮應力使材料逐漸發生化學收縮變形，從而引起藥柱表面的應變再次逐漸增大。

為更詳細了解樹脂室溫固化的反應歷程，試驗采用了GSA紅外光譜儀對樹脂固化過程中的近紅外光譜吸收變化情況進行了在線檢測，結果如圖9所示，得到純樹脂固化反應周期在460 min左右，與應變測試對應的第一階段時間550 min較為接近，從側面也證實了固化反應放熱量主要集中在這個階段。

圖9 纏繞包覆用的樹脂固化過程中近紅外光譜吸收變化情況Fig.9 Changes in near-infrared spectral absorption during the curing of resins for winding

5 結論

(1)首次嘗試使用光纖光柵傳感器對濕法包覆纏繞固體推進劑的應變實現動態測試，測試結果能夠真實準確反映出濕法包覆纏繞工藝中固體推進劑所受到應變的變化特性。

(2)在纏繞包覆過程中，恒定的纏繞張力和送紗速率條件下，當前纏繞層會對已纏繞層的張力產生一定的放松作用，表現出“放松效應”；固化過程中樹脂放熱和降溫時的收縮是導致藥柱表面產生應變的主要因素。

(3)在整個濕法纏繞包覆工藝中，推進劑藥柱表面受到的應變均在其結構最大破壞應變2.5%范圍內，壓伸成型的改性雙基推進劑藥柱能夠滿足濕法纖維纏繞包覆工藝。

通過基于光纖光柵傳感器的固體推進劑藥柱濕法纏繞包覆工藝中動態應變測試技術，可為推進劑藥柱在濕法纖維纏繞包覆工藝實施過程的應變特性研究提供有利的技術支撐。