人工脱粘层根部脱粘检测及修复技术①

关 桢，陈永钊，邓安华，曹勤峰，刘荣臻

(1.中国人民解放军96630部队，北京 102206；2.中国航天科工集团8610厂，宜昌 444299； 3.中国三江航天集团总部办公室，武汉 430040)

0 引言

结构完整性是固体火箭发动机技术重要的研究课题之一，预防药柱的裂纹与脱粘一直是固体火箭发动机研发人员的关注重点之一，人工脱粘结构技术有效解决了药柱与内绝热层的脱粘问题[1]。人工脱粘的成败在很大程度上取决于根部粘结的质量。人工脱粘成型后，首先检查其根部的粘结宽度及形式是否满足设计要求，不得有漏粘。同时，要求脱层必须均匀脱开，不得粘连。因此，研究人工脱粘层根部的缺陷检测及修复技术意义重大。田济民等[2]提出了固体火箭发动机绝热层及药柱的可修复性，论述了界面脱粘和药柱缺陷的危害性及修复缺陷的重要性，探讨了界面脱粘和半脱粘修复，头、尾端绝热层脱粘修复等技术途径。苏昌银等[3]根据复合推进剂界面特性，针对药柱缺陷，采用界面化学反应修复，提出粘接模型，成功用于型号发动机推进剂内部修复。

无损检测技术是固体火箭发动机结构完整性和质量检验的必要手段。工业CT影像易于识别和理解[4]，但检测灵敏度低；X射线照相检测灵敏度高，但影像是投影重叠的结果，不能定量缺陷沿射线方向的尺寸。本文将两种检测技术相互结合，研究人工脱粘层根部脱粘射线检测与三维定位技术，并研发修复材料配方，设计定向定量远距离大阻尼输送修复材料的高压活塞定量泵注装置，以实现人工脱粘层根部脱粘的精确修复。

1 人工脱粘层根部脱粘检测

综合运用X射线照相和工业CT检测方法，对某型号固体火箭发动机人工脱粘层根部脱粘进行检测，完整、准确地确定缺陷三维位置和尺寸，为其精密修复提供准确的空间位置坐标。

1.1 X射线照相检测

根据人工脱粘层根部结构特点，首先采用切向透照布置进行X射线照相检测，透照参数如表1所示。

发动机人工脱粘层根部脱粘射线照相检测影像如图1所示，缺陷影像清晰，其位置、几何形状、光学密度分布等特征明显。X射线照相检测人工脱粘层根部脱粘检测灵敏度非常高，优于0.1 mm，准确定量缺陷轴向位置，但还不能定量缺陷沿圆周方向位置和弧长。

1.2 工业CT检测

将发动机竖立安装到工业CT转台，发动机轴线稍偏离转台中心，主要技术参数见表2。根据射线照相影像确定扫描位置，间隔10 mm，连续进行工业CT检测，直到根部无脱粘。

发动机人工脱粘层根部脱粘工业CT检测影像如图2所示，缺陷影像清晰，其位置、几何形状、光学密度分布等特征明显。工业CT对人工脱粘层根部脱粘的检测灵敏度低于X射线照相，优于0.4 mm，其优点是不仅准确缺陷轴向定位，而且准确定量缺陷沿圆周方向位置和弧长。

表1 人工脱粘层根部X射线照相透照参数设置

表2 人工脱粘层根部工业CT检测技术参数设置

图1 人工脱粘层根部射线照相检测影像

图2 人工脱粘层根部脱粘工业CT检测影像

2 人工脱粘层根部脱粘修复

2.1 总体技术要求

某型号人工脱粘层根部脱粘主要原因是底层、盖层表面存在防粘粉。修复就是将异常脱开的底层和盖层重新粘结，其总体技术要求如下：

(1)修复材料，不影响底层/盖层粘结界面，各项性能满足设计要求，与绝热层相容且稳定；

(2)修复技术，克服修复材料料浆粘度高、流动性差，脱层缝隙狭小，根部距离发动机开口远(约1 000 mm)等难题，定向定量输送，并保证脱层自由伸展、不粘连、结构完整；

(3)可操作性强和可靠性高，鉴于修复过程不可逆，修复技术应可行、可靠，修复无遗漏。

2.2 修复材料

2.2.1 修复材料配方

经优化的修复材料配方的基本配比见表3。该配方料浆常温条件下失去流动性时间约为8 d，完全固化时间为20 d。

表3 修复材料基本配方

2.2.2 修复材料性能

修复材料与人工脱粘结构的底层、盖层不发生异化反应，各项技术指标满足人工脱粘底层和盖层粘结性能要求。各项技术性能指标要求及实测性能如表4所示。

2.3 根部脱粘修复技术

某型号发动机人工脱粘层根部距离开口的母线距离约为1 000 mm，脱粘深度50～100 mm。修复的目的就是将这深度范围50～100 mm的脱粘的底层和盖层重新粘结起来，并保留设计规定的人工脱粘结构自由伸张界面不得被粘结。

该型号发动机人工脱粘结构的缝隙异常狭窄，而底层和盖层表面粗糙，影响修复材料在其上的流动，从开口处直接灌注修复材料料浆，难于使料浆注入脱粘的部位，且将人工脱粘自由伸展界面粘结住。将1 000 mm远处宽度小于0.1 mm的脱粘缝隙粘结起来，并保持原人工脱粘的结构不被粘结，需专门研究修复装备和适用的修复技术。

表4 修复材料技术性能指标要求及实测结果

注： 1)采用0.5 mm间隙的玻璃板缝隙竖立进行流动性测试，72 h流动深度为252 mm。

2.3.1 高压活塞泵注装置

研制了专用手动高压活塞泵注装置，实现了定量定向输送修复材料，加压范围为15～30 MPa，定量精度可达0.1g左右。

在母线方向，该装置可深入至人工脱粘层根部设计位置±10 mm范围，在圆周方向，可准确定位。该装置对人工脱粘层根部的自由伸展界面无破坏，输送修复材料，不粘连底层和盖层，保证人工脱粘层自由状态。

2.3.2 修复工艺流程及其质量控制

修复工艺流程：

(1)发动机检测与修复安装。发动机竖立于工业CT转台，修复部位的开口向上；搭建空中平台，方便修复操作。

(2)确定修复顺序、材料用量。依据脱粘具体情况，按照先深后浅原则确定修复顺序。依据工业CT检测数据估计修复部位的脱粘缝隙容积，确定修复材料用量。

(3)检测定位。高压活塞泵注装置至脱粘部位上方后，工业CT检测定位。

(4)泵注修复。修复材料泵注到脱粘缺陷部位，在重力作用下填充脱粘缝隙，固化后，将脱开的底层和盖层粘结。

质量控制措施：

(1)控制材料泵注速度和泵注量。先深后浅、多次递进修复，保证人工脱粘自由伸展界面无粘结，修复范围无空气栓塞。

(2)工业CT在线检测。修复过程中每一次泵注修复材料后，均进行工业CT检测，确认脱粘缝隙完全被灌实。

(3)随机测试修复材料的粘结性能和力学性能。每次配制修复材料，均制作制作粘结性能和力学性能随机试件，试件固化条件与泵注到发动机内部的修复材料条件固化相同。

3 结果与分析

3.1 修复结果

某型号固体火箭发动机人工脱粘层根部射线检测，发现了人工脱粘层根部脱粘的批次性质量问题，脱粘深度在50～100 mm范围，应用本技术进行了修复。

修复完成后，某发动机人工脱粘层根部工业CT检测影像如图3所示，原脱开的盖层与底层已经粘结为一体。

修复完成20 d后，某发动机人工脱粘层根部射线照相检测影像如图4所示，原脱开的盖层与底层已经粘结为一体。

图3 人工脱粘层根部脱粘修复后工业CT检测影像

图4 人工脱粘层根部脱粘修复后射线照相检测影像

3.2 试验考核

批次性修复工作完成后，抽取2台产品进行温度试验、运输试验，射线检测，修复的根部无脱粘；随后，进行地面静止试验，试验获得圆满成功；试验后，解剖修复位置，原脱开的缝隙已经被修复材料粘结，燃气未侵入。随机抽取1台产品进行飞行试验，试验获得圆满成功。

经过全面的试验考核，检验了本技术的可靠性。

3.3 技术分析

3.3.1 修复材料配方选择

修复材料配方的选择应基于如下考虑：与人工脱粘层根部的底层、盖层具有良好的相容性，不影响原完好的粘结界面；与底层、盖层材料的粘结性能优异，工艺流动性好，失去流动性时间周期长且可调，固化周期长，且常温下能够固化。

3.3.2 应事先确定修复路径

根据工业CT检测影像，由开口沿壳体母线到修

复部位确定修复路径，严格按修复路径进行修复，修复路径工业CT检测确认。

3.3.3 泵注速度控制

通过试验，调整手动高压活塞泵注速度，控制泵注2次/min，保证泵注的修复材料在人工脱粘层内不淤积阻塞，或不沿扩散到非修复部位。

3.3.4 注入量确定

控制手动高压活塞泵注装置的单次注入量小于1.0 ml，便于每次注入的修复材料料浆快速流动，填充到需修复的缺陷部位。

3.3.5 在线检测

在每个部位多次递进修复的过程中，每次修复前后均进行工业CT检测，确认修复路径的准确性，确认修复过程中泵注的修复材料填充到了该修复的缺陷位置。

4 结论

(1)提出了人工脱粘层根部脱粘高灵敏度检测和准确定位方法；针对须保留人工脱粘自由伸展界面、脱粘缝隙狭小、脱粘距开口距离远、修复材料黏度高、底层和盖层表面粗糙等情况，提出了人工脱粘层根部脱粘的一种精准修复方法，已成功用于某型号固体火箭发动机批次性前人工脱粘层根部脱粘的修复，通过系列试验考核。

(2)通过引入X射线检测技术指导缺陷修复，实现了固体火箭发动机内部缺陷修复过程的可视化。文中方法可对固体火箭发动机制造、储存过程缺陷的检测和修复提供借鉴和参考。

参考文献：

[1] 范同起,陈继周.复合固体推进剂(导弹与航天丛书)[M].北京:宇航出版社,1994.

[2] 田济民,王秀珍.固体火箭发动机绝热层及药柱的可修复性[R].航天科技集团公司四院情报研究报告(第8集),1999:84-88.

[3] 苏昌银,张爱科.复合固体推进剂整机修复技术[J].航天工艺,1997(5):10-13.

[4] 刘荣臻.固体火箭发动机工业CT检测技术[J].战术导弹技术,2008(5):92-96.