李寶星，舒慧明，朱佳佳，王 中，李宏巖

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

濕法帶藥纏繞包覆技術(shù)是在粘結(jié)劑輔助下，通過自動化方式，將連續(xù)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(shù)具有機械化、連續(xù)化生產(chǎn)的優(yōu)勢，是實現(xiàn)批量化制備中小型導(dǎo)彈裝藥包覆的重要手段，由此可增加中小型導(dǎo)彈動力裝置的生產(chǎn)效率，同時增加推進劑的裝填系數(shù)，減重效果明顯，具有十分巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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(zhì)量，同時纖維會給推進劑藥柱施加一定壓力，從而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，當(dāng)預(yù)應(yīng)力作用超過推進劑藥柱本體的屈服強度時，推進劑藥柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)將造成破壞，從而導(dǎo)致纏繞包覆產(chǎn)品結(jié)構(gòu)失效。然而，預(yù)應(yīng)力的大小和濕法纖維纏繞包覆工藝參數(shù)密切相關(guān)，由于纖維纏繞過程屬于旋轉(zhuǎn)動態(tài)的，同時纖維與藥柱表面經(jīng)歷了多次摩擦，對準(zhǔn)確掌握推進劑藥柱受到的預(yù)應(yīng)力帶來很大困難。

目前，固體推進劑藥柱在纏繞機上的動態(tài)纏繞包覆過程中的應(yīng)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(guī)應(yīng)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(zhuǎn)速超過100 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)過程推進劑藥柱應(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)變進行測量，并采用光纖滑環(huán)解決高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試問題。目前，F(xiàn)BG傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料的應(yīng)變、溫度、固化度、振動、損傷與斷裂等實時的監(jiān)測。在應(yīng)變測試方面，張燾等利用光纖光柵傳感器在固體發(fā)動機藥柱結(jié)構(gòu)溫度載荷響應(yīng)測試中的應(yīng)用進行了研究，植入式光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對固體推進劑的內(nèi)部溫度場和應(yīng)變場的實時在線監(jiān)檢測，且測量一致性很好，可實現(xiàn)推進劑藥柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)監(jiān)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(yīng)變進行測試。結(jié)果表明，采用埋入光纖傳感器來實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變的直接測量可行。章征林等在混凝土的內(nèi)爆炸試驗中，利用光纖光柵傳感器技術(shù)對混凝土表面的應(yīng)變進行了測量。豐雷等為直觀評估炸藥的性能，設(shè)計了相關(guān)的測試系統(tǒng)對高強度殼體中的炸藥爆炸應(yīng)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(nèi)部的應(yīng)變進行了測量，獲得了固體推進劑內(nèi)部的應(yīng)變變化規(guī)律。范微等研制了一種基于FPGA的推進劑藥柱大應(yīng)變存儲試驗裝置，用于測試模擬發(fā)動機發(fā)射過載條件下推進劑藥柱的應(yīng)變情況。

綜上，F(xiàn)BG傳感器在應(yīng)變測試方面得到了充分的應(yīng)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(tài)應(yīng)變特性的研究十分鮮見。本文采用FBG傳感器、光纖滑環(huán)、專用工裝和光纖光柵解調(diào)儀搭建推進劑在纏繞包覆及纖維固化過程中的旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，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(yīng)力給推進劑帶來的應(yīng)變，解決固體推進劑藥柱濕法纏繞包覆過程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)，從而形成空間相位光柵。FBG結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，內(nèi)層為纖芯結(jié)構(gòu)，外層為包層結(jié)構(gòu)，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(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation structure of FBG sensor

根據(jù)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(fā)生漂移。

光纖光柵在溫度變化和應(yīng)力(應(yīng)變)變化條件下，相應(yīng)會發(fā)生伸長或縮短(如圖2所示)，均會影響光柵周期，從而導(dǎo)致光纖光柵中心波長會發(fā)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(yīng)變(力)影響規(guī)律

無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，均會導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應(yīng)決定了其有效折射率必隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。在忽略外界溫度的影響，應(yīng)力、應(yīng)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(shù)；為測量應(yīng)變的靈敏度；為應(yīng)變。

(2)溫度影響規(guī)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(shù)；為FBG的熱光系數(shù)。

在不同溫度環(huán)境下，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應(yīng)變測量的影響。

2 旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)

通過搭建旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對濕法纏繞包覆的連續(xù)旋轉(zhuǎn)工藝中推進劑藥柱受到的應(yīng)變實時監(jiān)測，測試系統(tǒng)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(huán)和滑環(huán)固定裝置、調(diào)制解調(diào)器以及數(shù)據(jù)采集裝置。其中，光纖及光纖滑環(huán)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(shè)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，F(xiàn)BG傳感器安裝位置處涂上一層薄薄的粘結(jié)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(huán)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(diào)制解調(diào)器，由此完成信號的傳輸。光纖及光纖滑環(huán)連接好后，將推進劑藥柱旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度進行旋轉(zhuǎn)。在纏繞過程中，利用光纖滑環(huán)的定子和轉(zhuǎn)子來確保旋轉(zhuǎn)軸和推進劑藥柱上的纖維跟隨者旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，則與調(diào)制解調(diào)器連接的纖維保持不動，同時確保信號傳輸?shù)目煽糠€(wěn)定。測試系統(tǒng)和纏繞系統(tǒng)調(diào)試完畢，即具備固體推進劑濕法纏繞包覆工藝中的動態(tài)應(yīng)變測試條件。

圖3 旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of rotating dynamic strain measurement system

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

光纖滑環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，為光纖與光纖直接對接耦合結(jié)構(gòu)，圖中定子為固定端，轉(zhuǎn)子為旋轉(zhuǎn)端，轉(zhuǎn)子的一端設(shè)于定子內(nèi)并相對于定子旋轉(zhuǎn)。在定子和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有兩個軸承。定子的另一端設(shè)有用于固定軸承的端蓋，轉(zhuǎn)子的一端設(shè)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(shè)有內(nèi)隔環(huán)和外隔環(huán)。轉(zhuǎn)子的另一端設(shè)有用于調(diào)節(jié)光纖在轉(zhuǎn)子內(nèi)位置的修切環(huán)。

光纖傳感測試原理圖如圖6所示，光纖光柵傳感系統(tǒng)包括傳感部分和解調(diào)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(diào)制來實現(xiàn)，而解調(diào)過程恰好相反，是將反射波長的變化量轉(zhuǎn)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(yīng)待測結(jié)構(gòu)沿線分布各點的應(yīng)力應(yīng)變，并使它們的反射光波長發(fā)生改變；不同的改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出，通過光纖光柵解調(diào)器探測其波長改變量的大小，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號；并輸出給PC機進行數(shù)據(jù)處理和分析，對待測結(jié)構(gòu)各個測點的應(yīng)力應(yīng)變大小統(tǒng)計。

圖5 光纖滑環(huán)組成結(jié)構(gòu)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(diào)制解調(diào)器選用sm130型光纖光柵解調(diào)儀，測試性能參數(shù)如下：光通道數(shù)4個；波長1510～1590 nm；波長穩(wěn)定性2 pm；波長重復(fù)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(shù)：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(nèi)。

本文試驗選用FO100A系列單通道光纖滑環(huán)，可360°不受限制的連續(xù)或斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時滿足大量的數(shù)據(jù)和信號的傳輸，且在動態(tài)旋轉(zhuǎn)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(huán)性能參數(shù)如表1所示。

表1 FO100A 系列單通道光纖滑環(huán)性能參數(shù)

在推進劑藥柱濕法纏繞包覆工藝，旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)中采用光纖光柵傳感器與常規(guī)的應(yīng)變片傳感器相比，具有以下優(yōu)點：

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

(2)光纖光柵傳感頻帶寬、動態(tài)范圍大而且測量精度和靈敏度高；

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

3 旋轉(zhuǎn)纏繞動態(tài)應(yīng)變測試

旋轉(zhuǎn)動態(tài)應(yīng)變測試涉及主要原料與設(shè)備有：EP-170環(huán)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(shù)控纖維纏繞機(非標(biāo))。

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(jié)構(gòu)最大破壞應(yīng)變值為2.5%。在濕法纖維纏繞過程中采用12K單束纖維，數(shù)控纖維纏繞機轉(zhuǎn)速為6.28 rad/s，軸方向移動速度為6 mm/s，纖維纏繞張力設(shè)置為35 N，纖維的帶寬為6 mm，纖維輸送速度根據(jù)纖維纏繞中設(shè)置的張力、纏繞機轉(zhuǎn)速以及軸方向上的移動速度進行自適應(yīng)調(diào)整。在纏繞過程中，設(shè)置了螺旋纏繞(纏繞角為30°)和環(huán)向纏繞(纏繞角為90°)各2層，順序為螺旋纏繞→環(huán)向纏繞→螺旋纏繞→環(huán)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(zhuǎn)軸固定，通過光纖滑環(huán)，可跟隨纏繞軸的旋轉(zhuǎn)速度一起旋轉(zhuǎn)，以避免纖維在纏繞過程中與推進劑藥柱發(fā)生相對偏轉(zhuǎn)。由于應(yīng)變測量時，F(xiàn)BG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(tài)環(huán)境中)進行溫度補償，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。在該工況條件下，在不同層數(shù)的纏繞包覆下推進劑表面受到的應(yīng)變變化情況如圖7和表2所示。其中，ε為微應(yīng)變(μ)，其數(shù)值大小為10，第一層螺旋纏繞對藥柱表面產(chǎn)生的平均應(yīng)變約為30.9(該應(yīng)變?yōu)閴嚎s應(yīng)變，且為相對值)；第二層環(huán)向纏繞對藥柱表面產(chǎn)生的平均應(yīng)變約為162.4；第三層螺旋纏繞對藥柱表面產(chǎn)生的平均應(yīng)變約為278.0；第四層環(huán)向纏繞對藥柱表面產(chǎn)生的平均應(yīng)變約為209.4ε。

圖7 不同層下推進劑纏繞包覆過程中的應(yīng)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(shù)下的平均應(yīng)變

由測試結(jié)果可知，纖維纏繞在每層纏繞結(jié)束后，由于纖維截斷張力消失，同時旋轉(zhuǎn)停下來，向心力也消失后，應(yīng)變值會出現(xiàn)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(yīng)變表現(xiàn)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(yīng)變值未超過第三層纏繞時候的應(yīng)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(huán)向纏繞層會對已纏繞層的張力產(chǎn)生一定的放松作用，從而出現(xiàn)纏繞第四層后的實時應(yīng)變小于第三層纏完后的應(yīng)變，該現(xiàn)象稱之為“放松效應(yīng)”。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(xiàn)松弛，使得藥柱表面受到的應(yīng)力有所緩解，從而出現(xiàn)纏繞第四層時推進劑藥柱表面產(chǎn)生的應(yīng)變小于纏繞第三層時的應(yīng)變。

4 固化過程中的應(yīng)變測試

纖維纏繞完成后，環(huán)氧樹脂在固化過程中會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，這會導(dǎo)致復(fù)合材料殼體在固化成型過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力和固化收縮應(yīng)力，為防止出現(xiàn)纏繞固化應(yīng)力過大而破壞藥柱的結(jié)構(gòu)完整性，除了設(shè)計固化收縮率小的室溫固化環(huán)氧樹脂外，對固化過程的藥柱進行實時監(jiān)測獲取固化工藝過程的真實應(yīng)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(diào)整為主軸10 rad/min緩慢旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)跟蹤藥柱在纏繞層固化過程中的應(yīng)變。固化過程是在自然環(huán)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(yīng)變變化情況如圖8所示。

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

從應(yīng)變變化結(jié)果，環(huán)氧樹脂從膠凝到安全固化結(jié)束持續(xù)時間超過33 h，主要經(jīng)歷三個階段：第一階段為初始固化反應(yīng)階段，這個階段固化反應(yīng)放出大量熱，熱傳導(dǎo)導(dǎo)致材料膨脹變形，使得藥柱表面產(chǎn)生快速應(yīng)變，由100.5增加至185.3(該應(yīng)變屬于壓縮應(yīng)變)；第二階段，隨著固化度增加，固化反應(yīng)放熱量減慢，藥柱表面溫度也隨之降低，導(dǎo)致藥柱表面應(yīng)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(yīng)放熱量更加小，纏繞層溫度逐步降低至室溫，藥柱表面應(yīng)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(xué)變化，其本質(zhì)是樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)體積收縮并放出熱量。在內(nèi)熱源和外界環(huán)境溫度的共同作用下，復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)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(dǎo)致熱應(yīng)變，熱應(yīng)變導(dǎo)致熱應(yīng)力。在第一階段，纖維上的樹脂快速反應(yīng)速率和釋放熱量逐漸增大，引起藥柱表面快速應(yīng)變逐漸增大；隨著固化時間的增加，固化度增加，固化反應(yīng)和釋放熱量降低，使得藥柱表面應(yīng)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(chǎn)生化學(xué)收縮應(yīng)力使材料逐漸發(fā)生化學(xué)收縮變形，從而引起藥柱表面的應(yīng)變再次逐漸增大。

為更詳細了解樹脂室溫固化的反應(yīng)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(jié)果如圖9所示，得到純樹脂固化反應(yīng)周期在460 min左右，與應(yīng)變測試對應(yīng)的第一階段時間550 min較為接近，從側(cè)面也證實了固化反應(yīng)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(jié)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(yīng)變實現(xiàn)動態(tài)測試，測試結(jié)果能夠真實準(zhǔn)確反映出濕法包覆纏繞工藝中固體推進劑所受到應(yīng)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(dāng)前纏繞層會對已纏繞層的張力產(chǎn)生一定的放松作用，表現(xiàn)出“放松效應(yīng)”；固化過程中樹脂放熱和降溫時的收縮是導(dǎo)致藥柱表面產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)變均在其結(jié)構(gòu)最大破壞應(yīng)變2.5%范圍內(nèi)，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(tài)應(yīng)變測試技術(shù)，可為推進劑藥柱在濕法纖維纏繞包覆工藝實施過程的應(yīng)變特性研究提供有利的技術(shù)支撐。