張 波，董可海，張春龍，唐巖輝，王永帥

(1.海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，煙臺(tái) 264001；2.91515部隊(duì)，三亞 572000)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)①

張 波1，董可海1，張春龍2，唐巖輝1，王永帥1

(1.海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，煙臺(tái) 264001；2.91515部隊(duì)，三亞 572000)

針對(duì)某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，突破了可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和界面應(yīng)力的微型、低功耗內(nèi)埋式界面?zhèn)鞲衅鞯难兄坪吐裰眉夹g(shù)，成功搭建了基于界面?zhèn)鞲衅鞯陌l(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)公路運(yùn)輸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)界面的應(yīng)力-溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了公路運(yùn)輸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)界面的應(yīng)力-溫度變化規(guī)律；利用工業(yè)CT對(duì)經(jīng)歷公路運(yùn)輸后的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無損探傷，驗(yàn)證了傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)界面的相容性。研究結(jié)果表明，在2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成等腰直角三角形分布的界面?zhèn)鞲衅鳎瑫r(shí)在另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成正三角形分布的界面?zhèn)鞲衅鞯牟贾梅桨副O(jiān)測(cè)效果較為理想；公路運(yùn)輸載荷引起的應(yīng)力變化幅值約為0.003 MPa，遠(yuǎn)小于界面的允許應(yīng)力0.6 MPa；經(jīng)歷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)現(xiàn)有界面脫粘現(xiàn)象，傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)界面相容性較好。研究結(jié)果可為型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制提供技術(shù)支持，對(duì)提高武器導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；界面?zhèn)鞲衅?；界面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；公路運(yùn)輸

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在其全壽命歷程中，受各種載荷的影響，藥柱可能會(huì)有裂紋和縮孔產(chǎn)生，發(fā)動(dòng)機(jī)界面也可能產(chǎn)生脫粘和虛粘等缺陷。如何對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的各種缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并評(píng)估缺陷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，已成為該領(lǐng)域重要的研究課題[1-4]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本內(nèi)涵是通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的老化狀態(tài)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維護(hù)和壽命預(yù)估提供依據(jù)和指導(dǎo)。就當(dāng)前技術(shù)水平而言，傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)如ICT、射線照相等均為定期抽樣檢測(cè)，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)要求。

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)和國際先進(jìn)水平差距明顯。美國已經(jīng)研制出庫存壽命10 a以上，能在監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工作4 a的微型界面應(yīng)力和溫度傳感器(DBST)，并成功搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而我國在這方面尚未起步。

本文設(shè)計(jì)基于內(nèi)埋式界面?zhèn)鞲衅鞯墓腆w發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)開展試驗(yàn)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力在載荷作用下的實(shí)時(shí)變化規(guī)律，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

就目前國內(nèi)研究情況來看，針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待突破：

(1)能代表全尺寸、真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；

(2)微型、低功耗、耐腐蝕的內(nèi)埋式傳感器技術(shù)；

(3)傳感器的埋置技術(shù)及傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性技術(shù)研究。

基于以上技術(shù)難點(diǎn)，分別從監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建、傳感器研制技術(shù)、傳感器布置方案及傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性技術(shù)等方面開展相應(yīng)研究和技術(shù)論證工作，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)的界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的基體。監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用45號(hào)鋼，考慮到試驗(yàn)的安全性問題，推進(jìn)劑采用與HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑力學(xué)性能一致的模擬藥柱，絕熱層采用三元乙丙材料，襯層采用B703配方。為減少試驗(yàn)難度和降低成本，只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的圓柱段結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，藥柱為內(nèi)孔型。監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體設(shè)計(jì)成沿軸向分半式結(jié)構(gòu)，兩半殼體通過側(cè)面的法蘭進(jìn)行連接。

(1)燃燒室筒體的壁厚

材料選取45號(hào)鋼(GB 905—82)。最小壁厚：

(1)

綜上所述，可得燃燒室筒體的最小壁厚：

(2)

考慮可靠性和現(xiàn)有材料，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)最終壁厚確定為5 mm。

(2)前后封頭法蘭連接的螺栓尺寸和數(shù)目

考慮后續(xù)試驗(yàn)操作，前后封頭連接采用法蘭螺栓連接形式，為此應(yīng)確定螺栓尺寸和數(shù)目。

法蘭總承受力：

Fa=kpmaxA

式中k為修正系數(shù)，k=1.8；A為受力面積。

綜上所述，可得法蘭總的承受力：

Fa=381 510N

(3)

經(jīng)查GJB 123《螺栓、螺釘技術(shù)條件》和GJB 143《螺栓和螺釘?shù)膹?qiáng)度數(shù)據(jù)》得材料為45號(hào)鋼的螺栓最小破壞拉力FE=51 900 N，可得所需螺栓數(shù)目：

(4)

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭連接的螺栓數(shù)目最終確定為8個(gè)均布的M12×1.5螺栓。

研究確定發(fā)動(dòng)機(jī)殼體筒段內(nèi)徑φ300 mm，長度1 200 mm，兩端面為外法蘭連接方式。

(3)藥型、絕熱層和襯層的確定

為滿足幾何相似，絕熱層厚度和襯層厚度與原型相同。藥型采用內(nèi)孔型藥柱，內(nèi)孔直徑為50 mm；絕熱層厚度為3 mm，采用高溫高壓擠壓法成型；襯層采用B703配方，采用刷涂法制成，厚度約為0.5 mm(埋入傳感器后刷涂襯層)。

綜上所述，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖及含絕熱層殼體實(shí)物如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)示意圖及含絕熱層殼體實(shí)物圖Fig.1 Design sketch map of monitoring motor and physical map of shell with thermal insulation layer

1.2 界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面受載狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其技術(shù)方案為：以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，研制符合微型、低功耗、耐腐蝕、與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性好等技術(shù)要求的內(nèi)埋式傳感器，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、特征提取、數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)等環(huán)節(jié)，開展典型載荷條件下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，構(gòu)建固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)健康故障診斷與健康管理，詳細(xì)技術(shù)研究方案如圖2所示。

基于以上研究方案，設(shè)計(jì)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包含兩方面內(nèi)容：第一，傳感器技術(shù)研究，需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)、傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的布置及傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性等問題開展研究，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)和載荷信息的感知與獲取能力；第二，整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究，主要對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)開展研究，進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的實(shí)時(shí)健康故障診斷與健康管理。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成[5]。硬件部分包括傳感器網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；軟件部分包含信號(hào)的處理、分析和判廢標(biāo)準(zhǔn)等。界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心元件是傳感器，根據(jù)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)要求，傳感器需同時(shí)監(jiān)測(cè)界面的溫度和應(yīng)力。除此之外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括激勵(lì)電源、應(yīng)力變送器、數(shù)據(jù)采集模塊。從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特征尺寸可知，燃燒室內(nèi)部傳感器的埋置空間非常有限，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)源和輸出變送裝置放置在發(fā)動(dòng)機(jī)外部。

圖2 固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究方案Fig.2 Interface monitoring real-time technology research plan of SRM

綜上分析，界面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建方案如圖3所示。在通過電源進(jìn)行能量供應(yīng)的情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面受載信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和獲取，并對(duì)信息進(jìn)行初步預(yù)處理后，通過變送器進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，最后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理和特征提取，據(jù)此實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)界面狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)。

1.3 傳感器的研制與埋置技術(shù)研究

根據(jù)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求，研制了如圖4所示界面?zhèn)鞲衅鳎赏瑫r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力和溫度。傳感器設(shè)計(jì)尺寸為直徑15 mm，厚度2.5 mm。它利用元器件微應(yīng)變引起感應(yīng)電阻變化從而引起電輸出變化的基本原理，感應(yīng)電阻組成測(cè)量電橋，在外加電壓激勵(lì)的情況下，輸出微弱電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化放大處理后被采集、記錄，并在儀表上顯示；溫度信號(hào)的測(cè)量原理相同。同時(shí)，為降低傳感器埋入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的影響，傳感器采用超薄扁平狀電纜，埋置時(shí)，將電纜直接內(nèi)嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)襯層中，以避開對(duì)界面的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)及傳感網(wǎng)絡(luò) 電源及變送器 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建方案Fig.3 Monitoring system scheme

圖4 界面?zhèn)鞲衅鱂ig.4 Interface sensor

參考相關(guān)研究和服役多年的發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在裝藥固化、運(yùn)輸、貯存及值班過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)襯層與絕熱層的粘接界面會(huì)受到往復(fù)的拉伸，使得襯層與絕熱層界面最容易產(chǎn)生脫粘現(xiàn)象，將傳感器的埋入界面確定為襯層與絕熱層界面[6-10]。

針對(duì)傳感器埋入位置與嵌入方式的研究是界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由方案設(shè)計(jì)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。根據(jù)傳感器的尺寸并考慮藥柱應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和安裝傳感器的個(gè)數(shù)和經(jīng)濟(jì)性，本文分析了3種布置方案。通過有限元計(jì)算得到3種布置方案時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)埋入界面的應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5所示。

3個(gè)界面?zhèn)鞲衅鞒烧切伟惭b時(shí)，應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5(a)所示，這種方案對(duì)藥柱應(yīng)力應(yīng)變的影響較小，但只能測(cè)得一個(gè)界面應(yīng)力-應(yīng)變最大處的數(shù)據(jù)；采用3個(gè)傳感器按等腰直角三角形安裝，應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5(b)所示，這種方案對(duì)藥柱應(yīng)力應(yīng)變影響稍大，3個(gè)傳感器能夠測(cè)得界面最大正應(yīng)力、最小正應(yīng)力及最大剪應(yīng)力；采用4個(gè)傳感器按正方形安裝時(shí)，應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5(c)所示，這種方案對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響最大，界面?zhèn)鞲衅骺赏瑫r(shí)測(cè)得最大正應(yīng)力、最小正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，但采集數(shù)據(jù)重復(fù)。

(a) 3個(gè)傳感器成正三角形 (b) 3個(gè)傳感器成直角三角形 (c) 4個(gè)傳感器成正方形圖5 應(yīng)變場(chǎng)分布圖Fig.5 Distribution of strain

綜上分析，確定傳感器的布置方案為在2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成等腰直角三角形分布的界面?zhèn)鞲衅鳌Ｍ瑫r(shí)，為研究粘接界面非象限處的應(yīng)力和溫度，在1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成正三角形分布的界面?zhèn)鞲衅??？傮w分布方案如圖6所示。

圖6 界面?zhèn)鞲衅鞯陌惭b位置示意圖Fig.6 Map of interface sensors' embedding location

按上述方案埋置傳感器，并對(duì)傳感器按照如圖5所示進(jìn)行編號(hào)，埋入后對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)試。傳感器調(diào)試好后，直接將埋入傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體送至裝藥工房進(jìn)行澆注裝藥。

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)

根據(jù)傳感器的尺寸，參考QJ 2038.1標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，自制含傳感器粘接試件進(jìn)行傳感器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。由于傳感器造價(jià)較高，本文只制作了3個(gè)校準(zhǔn)試件。

用設(shè)備CMT6203臺(tái)式微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖7所示，對(duì)制作的含內(nèi)埋式傳感器的校準(zhǔn)試件在垂直于粘接界面方向上施加一定的應(yīng)力，讀取傳感器的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表1數(shù)據(jù)可知，不同定應(yīng)力情況下，各試件中傳感器的測(cè)量值與實(shí)際定應(yīng)力大小基本相符。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖8所示曲線，可看出，傳感器測(cè)量值的線性較好，整體誤差較小。在小應(yīng)力測(cè)試時(shí)，由于系統(tǒng)誤差和松弛的作用，使得傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化較快、誤差較大，線性程度不好；在大應(yīng)力測(cè)試時(shí)，線性程度較高。同時(shí)，不同傳感器測(cè)量值之間的一致性也較為理想，系統(tǒng)誤差精度達(dá)到預(yù)期要求。

圖7 校準(zhǔn)試驗(yàn)圖Fig.7 Sketch picture of calibration test表1 傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Table 1 Sensors calibration data

MPa

2 公路運(yùn)輸監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

利用搭建的界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)開展公路運(yùn)輸過程的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究公路運(yùn)輸載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)界面的應(yīng)力變化規(guī)律[11-12]。

圖8 傳感器校準(zhǔn)曲線Fig.8 Curves of sensors calibration

2.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13-15]，按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸要求確定運(yùn)輸路線為高速公路優(yōu)先，里程累積路段為呼和浩特→煙臺(tái)，最大行駛車速60 km/h。全程歷時(shí)2 d，運(yùn)輸里程為1 200 km多。行車過程中全程監(jiān)測(cè)，停車過程中需斷電，停止監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得到運(yùn)輸?shù)?天、第2天的各傳感器溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。

(a) 第1天

(b) 第2天圖9 公路運(yùn)輸界面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)溫度-應(yīng)力圖Fig.9 Temperature-stress map of interface sensors transporting on highway

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得到：

(1)在整個(gè)公路運(yùn)輸過程中，傳感器02、05、09數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，分析為傳感器本身出現(xiàn)故障，不再記錄和分析其數(shù)據(jù)。其余各傳感器的溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)一致性較好，并且整體趨勢(shì)相同，證明傳感器埋入工藝可靠、傳感器埋入后能正常工作。

(2)在運(yùn)輸過程中，由于火工品專用車有保溫層，車廂內(nèi)溫度基本保持恒溫。由圖9可看出第1天晚上約10 h的休息時(shí)間，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各位置的傳感器測(cè)得的溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)均無明顯變化。

(3)由圖9可看出，在整個(gè)運(yùn)輸過程中，傳感器01的應(yīng)力響應(yīng)最為劇烈。因此選取傳感器01進(jìn)行具體分析，其運(yùn)輸過程第1天(約600 km)的界面應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)如圖10所示(傳感器數(shù)據(jù)為拉正壓負(fù))。

圖10 公路運(yùn)輸界面?zhèn)鞲衅?1監(jiān)測(cè)的溫度-應(yīng)力圖Fig.10 Temperature-stress map of sensor 01 transporting on highway

由圖10可看出，界面應(yīng)力主要受溫度的影響較大，隨溫度下降，拉應(yīng)力增大；溫度上升，壓應(yīng)力增大。受運(yùn)輸振動(dòng)的影響，應(yīng)力變化最大幅值為0.003 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于界面的允許應(yīng)力0.6 MPa，不會(huì)引起界面脫粘等缺陷。圖中A、B點(diǎn)的溫度和應(yīng)力都有較大變化，原因?yàn)檫\(yùn)輸過程中停車，并停止監(jiān)測(cè)，再次行車后導(dǎo)致數(shù)據(jù)不連續(xù)，但符合整體變化規(guī)律。

(4)由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到各傳感器2 d中的溫度變化幅值和應(yīng)力變化幅值見表2。由表2可見，2 d中發(fā)動(dòng)機(jī)界面的溫度變化都很小，應(yīng)力變化幅值也不大。

通過以上試驗(yàn)研究，得到：

(1)傳感器有持續(xù)數(shù)據(jù)輸出，且符合溫度-應(yīng)力變化規(guī)律，說明研制的傳感器可靠，傳感器埋入方法可行，埋入后能夠穩(wěn)定工作，并輸出有效數(shù)據(jù)；

(2)運(yùn)輸過程中界面應(yīng)力主要受溫度的影響較大，隨溫度下降，拉應(yīng)力增大；溫度上升，壓應(yīng)力增大；

(3)受運(yùn)輸振動(dòng)的影響，應(yīng)力變化最大幅值為0.003 MPa，因藥柱由公路運(yùn)輸所引起的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于界面的允許應(yīng)力0.6 MPa，所以公路運(yùn)輸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面的影響較小。

表2 各傳感器2 d中的溫度變化幅值和應(yīng)力變化幅值Table 2 Temperature and stress variation of sensors in two days

3 界面相容性驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)嵌有傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)界面經(jīng)歷公路運(yùn)輸載荷后的損傷情況，驗(yàn)證傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)界面的相容性，采用450 kVe的工業(yè)CT設(shè)備對(duì)經(jīng)歷了公路運(yùn)輸后的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無損探傷。根據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

形式和殼體、裝藥的厚度，確定采用450 kV/1.8 A的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)埋入傳感器的A-A、B-B和C-C截面進(jìn)行無損探傷，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)界面和傳感器界面是否出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。

工業(yè)CT設(shè)備和監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝方式如圖11所示，各界面的探傷圖像如圖12所示。

根據(jù)CT的檢測(cè)圖像分析得到：監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱層與襯層之間的界面沒有出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整性良好，傳感器嵌入不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)造成太大影響。

圖11 工業(yè)CT設(shè)備和監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝圖Fig.11 Installation drawing of ICT and monitoring motor

(a)A-A截面無損探傷圖 (b)B-B截面無損探傷圖 (c)C-C截面無損探傷圖圖12 無損檢測(cè)圖像Fig.12 NDT image

4 結(jié)論

(1)突破了可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和界面應(yīng)力的微型、低功耗內(nèi)埋式界面?zhèn)鞲衅餮兄萍夹g(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，成功搭建了基于界面?zhèn)鞲衅鞯墓腆w發(fā)動(dòng)機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)對(duì)傳感器的埋入位置和布置方式進(jìn)行了研究，得到在2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成等腰直角三角形分布的界面?zhèn)鞲衅鳎瑫r(shí)在另1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)截面安裝3個(gè)成正三角形分布的界面?zhèn)鞲衅鞯牟贾梅桨副O(jiān)測(cè)效果較為理想，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性影響也較小。

(3)應(yīng)用界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)公路運(yùn)輸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到公路運(yùn)輸載荷引起的應(yīng)力變化幅值為0.003 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于界面的允許應(yīng)力0.6 MPa，公路運(yùn)輸過程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面的影響較小。

(4)利用工業(yè)CT對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了無損探傷，未發(fā)現(xiàn)有界面脫粘現(xiàn)象，得到了傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)界面相容性較好的試驗(yàn)結(jié)論。

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(編輯：呂耀輝)

Design and test of solid rocket motor interface real-time monitoring system

ZHANG Bo1, DONG Ke-hai1, ZHANG Chun-long2, TANG Yan-hui1, WANG Yong-shuai1

(1.Department of Aerocraft Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001, China；2.The 91515 Unit of PLA, Sanya 572000, China)

Aiming at a type solid rocket motor, a monitoring motor was designed and the manufacturing and embedding technology of micro low-power embedded interface sensors which could monitor stress and temperature at the same time was broken through. The solid rocket motor interface real-time monitoring system was set up successfully. Interface stress and temperature of motor at highway transportation were real-time monitored and the stress and temperature changing rule of motor interface were obtained. The monitoring motor were detected nondestructively by ICT after highway transportation and the compatibility of sensors and motor interface was verified. The results show that the design that install 3 sensors by isosceles right triangle at 2 sections and 3 sensors by regular triangle at other section is ideal; The stress change amplitude is 0.003 MPa at highway transportation, which is far less than the interface allowing stress 0.6 MPa; After monitoring test , the interface debonding phenomenon has not been found and the compatibility of sensors and interface is good. The results can provide technical support for the development of model solid rocket motor health monitoring system. It is of great significance to improve the reliability of missile weapons system.

solid rocket motor；interface sensors；interface monitoring system；highway transportation

2015-11-26；

2016-03-29。

總裝備部預(yù)研基金項(xiàng)目(51328050101)。

張波(1989—)，男，博士生，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用工程。E-mail:zb112060@163.com

V435

A

1006-2793(2016)06-0759-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.005