摘要： 本文分析了固体火箭发动机常见缺陷，介绍了常用于固体火箭发动机的几种无损探伤检测技术，分析了各自的优缺点，为固体火箭发动机无损检测领域的应用研究提供了借鉴和参考。
关键词： 固体发动机；缺陷；无损检测
中图分类号：TG115.28 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）09-0047-02
0 引言
固体火箭发动机作为当今各种导弹武器的主要动力装置，具有其独特优势，主要表现在结构简单、安全性和稳定性强、易于保养维护等，被广泛应用至航空航天领域，有效地提升了航空航天机械自动化水平[1]。固体火箭发动机的推进剂药柱在运行过程中受各种载荷的综合作用，这在一定程度上破坏了其发动机结构的完整性，使其产生气孔、裂纹、药柱与壳体粘结脱粘等问题，导致其安全性降低，甚至影响其使用寿命。因此，如何有效地分析出固体火箭发动机缺陷，并制定科学有效的缺陷处理方案是当前航空航天技术领域研究者应该认真思考的课题。
1 固体火箭发动机缺陷分析
根据缺陷发生部位的不同，我们可以将固体火箭发动机缺陷划分为燃烧室缺陷和喷管缺陷两种。其中，燃烧室缺陷可以进一步细分为粘结界面脱粘缺陷和药柱缺陷两大类。粘结界面脱粘缺陷是威胁发动机安全的罪魁祸首。
1.1 药柱缺陷 根据药柱缺陷的严重程度，我们可以将该缺陷分为以下几种情况：一是药柱在推进剂药浆灌注的过程中，由于排气不畅，导致柱内气体残留，待推进剂凝固后便出现气孔。同时，若浇注过程中药浆温度与芯模温度差异过大，就会一定程度上影响药浆的流动性，使其产生孔洞；二是推进剂的力学性能不佳，在进行拔模时，药柱在外部施加拉力和交变温度的共同作用下出现裂缝；三是推进剂在完成整项浇注过程后，一些异物不慎落入尚未完全固化的药柱内，最终出现夹杂，直接影响其推进效果；四是药柱在存储过程中由于存储管理不当导致其表面龟裂、拖湿、变形，影响药柱表面的平整性；五是贮存或闲置时间过长导致限燃层和包覆层脱粘，直接影响了发动机功能的正常发挥。
1.2 粘接界面脱粘缺陷 根据粘接界面缺陷的不同，我们可将其分为以下五种，即壳体与绝热层之间的界面脱粘、绝热层与衬层之间的界面脱粘、衬层与推进剂药柱之间的界面脱粘、层间脱粘、层间粘结界面疏松。其中，壳体与绝缘层之间的界面脱粘主要是由于生产环节中绝热层贴片在壳体未清洁干净的情况下就进行粘接造成的。壳体与绝缘层粘结失效直接影响了固体火箭发动机的正常运行。同时，固化加热加压不当、粘结剂质量差、贮存老化等也会引发壳体与绝缘层界面脱粘问题。当技术人员在对衬层进行喷涂时，绝缘层清洁不彻底或衬层与绝缘层材料化学相容性差等都会导致界面脱粘，出现绝缘层与衬层之间界面脱粘问题。衬层与推进剂药柱间的界面脱落主要是由于贮存过程中的老化或过度应力造成的。层间脱粘主要跟绝缘层的层次结构复杂有关，层次结构越多，各层间粘接的牢固度就相应降低。层间粘结界面疏松主要包括分层和微孔两种。在对绝热材料进行粘接时，各层粘接不牢固或固化压力不足就会出现界面疏松情况，产生脱粘缺陷。
2 固体火箭发动机无损检测技术
目前对于固体火箭发动机常用的探伤检测方法主要有：超声波检测技术、射线计算机断层扫描法和激光全息（散斑）无损检测法等。
2.1 超声波检测技术 超声波探伤的方法有脉冲反射法、穿透法、共振法，现在应用最普遍的是脉冲反射法。
①脉冲反射法。脉冲反射法主要利用超声波的强反射性能进行故障检测，它对接口脱粘和壳体与衬层的粘接质量故障检测十分有效。脉冲反射法中超声波的传播时间极短，在包覆层或推进剂中一旦遇到缺陷或底面就会出现反射情况。当探头接收到反射波后，就会根据发射波的接收情况进行缺陷判断，最终得出其缺陷所在位置和尺寸大小。②穿透法。穿透法适用于固体火箭发动机推进剂无损检测，它通过超声波穿透的方式进行故障检测，若药柱内部存在故障，则接收到的能量就减小，反之，则差别不明显。穿透法灵敏度低，不能检测小缺陷，也不能对缺陷进行定位，但适合于检测超声波衰减大的材料，同时也避免了盲区。
缺陷在工件中的位置、大小、性质是决定其危害程度之关键参数，脉冲反射法超声波探伤技术依靠声传播时间分析决定缺陷位置，依靠回波幅度强度分析判定缺陷大小，但该技术没有直接给出缺陷性质的信息源，因此缺陷定性准确性问题长期以来一直在困扰着超声探伤工作者。为了解决缺陷定性问题，超声探伤工作者做了大量的工作，但到目前为止仍然没能实现标准化。现在一般认为较有效的方法是综合判定法，即根据材料的特性、制造工艺、缺陷的位置、回波的方向性特征、回波的动态波形等综合因素，估判缺陷性质。这就要求探伤人员对材料、对工艺、对各种缺陷有较全面的了解，所以超声探伤人员的个人素质及工作经验在缺陷定性这个问题上表现出很大差异。
超声设备造价低，对人体无害，且检测方法简单易行，主要适用于平面状的火箭发动机故障检测。在检测精度上，超声波穿透法对缺陷定位的精度远远高于传统检测法。同时，穿透法的检测成本较低，检测周期短，在当前固体火箭发动机缺陷检测中的应用较广。但是超声探伤对缺陷性质判断不直观，经验性强，同时探伤面的平整度和光洁度直接影响着探测结果的准确度。超声波设备虽然具有很强的穿透能力，但仅限于细晶材料。超声波在粗晶材料中的衰减较为严重，无法适应粗晶体材料的检测需求。
2.2 X射线检查技术
2.2.1 射线照相 照相法是利用射线感光材料放在被透照试件的后面接受来自透过试件后不同强度分布的射线，因为射线强度与胶片乳剂的摄影作用，在正常条件下成正比，因而胶片在射线作用下形成潜影，经暗室处理后，就会显示出物体的结构图像。根据底片上的影像的形状及黑度的不均匀度，就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状和位置。此法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好，是射线检测法中应用最广的一种常规方法，其缺点是存在前后缺陷重合的问题。
2.2.2 工业CT CT 技术是断层照相技术，又称计算机X射线层析照相技术，是目前最先进的一种无损探伤手段之一。在进行检测时，CT技术先发出一束狭窄的X射线，并通过该射线对被检测物体进行多角度的反复照射，并以透照后所获得的射线强度分布值为依据，建立起一个立体的数学模型，并将其直观显示于屏幕上。射线照相一般仅能提供定性信息，不能够适用于测定结构尺寸、缺陷方向和大小。它还存在三维物体二维成像、前后缺陷重叠的缺点。射线CT技术提出了全新的影像形成概念，它还比射线照相法更快、更精确地检测出材料和构件内部细微的变化，消除了照相法可能导致的检查失真和图像重叠，并且大大提高了空间分辨力和密度分辨力。
射线CT对工业无损检测应用有下列5大优点：
①能逐点测定工件薄层密度值，对连续横断面进行比较后可获得3维图像，不存在前后缺陷重叠的问题。
②具有超大面积、低对比度成像分辨力，高质量对比度分辨力可达0.02%，比一般射线照相法提高接近两个数量级。
③检测具有多样性，大的如直径在2000mm以上火箭发动机，小的如直径为100mm的工件，空间分辨率接近25μm。
④检测能力强，精度高，定向二维成像，适用于自动检测。
⑤改善成像质量，提高可靠性。一般照相只能定性，对工件需要较高的安全系数，而射线CT能定量，因此可以减少安全系数，使新产品废品率下降，合格件可信度提高。
另外，射线检测较好地适应了当前的固体火箭发动机缺陷的检测需求，，适用于多界面质量检测（二、三界面粘结质量及药柱内部质量等），且其检测图像较清晰、直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易，射线检测结果可作为档案资料长期保存。
但射线检测设备生产成本高，检验周期长，射线对人体有害，需专业的防护设备。
2.2.3 微波检测 微波检测产生自上世纪六十年代，它是在传统检测基础上产生并发展起来的一种无损检测技术，目前已被应用至喷管检测和复合材料壳体发动机故障检测中。微波是一种电磁波，由于它能够穿透声衰减很大的非金属材料，可以用于检测各层间的粘接情况，监视贮存、运输后的产品内部缺陷扩展情况。美国采用69GHz频率的微波散射法，成功地检测了纤维缠绕壳体内机10mm×0.5mm的分层和l0mm×2mm的扁孔。一项研究结果证实，一种频率在10GHZ的微波穿透法可以成功检测出固体发动机推进剂药中存在的气孔。
微波检测法具有自动化程度高、连续性好、成本低、高效便捷等优势，它可以穿透多种非金属材料。但微波检测法也存在精确度低、屏蔽作用强、专业操作技术要求高等缺陷。
2.3 激光全息（散斑）无损检测法 激光全息无损检测法利用被检测构件在施加外力的情况会发生表面位移变化，且其位移变化与其内部缺陷和应力分布密切相关这一特性，可以准确地检测出复合材料构件的缺陷问题。这种检测方法可以准确地检测到构件在不同承载情况下的应力分布，所得的检测数据量较大，检测效率高。
激光全息检测的检测精度极高，它可以检测到微米数量级的变形。同时，该检测方法的限制较少，可以对任何材料和构成表面进行检测，它既可以借助干涉条纹的数量和分布规律确定缺陷的位置与大小，又可以通过非接触的方式准确判断出缺陷所在部位。目前，激光全息检测已被广泛应用至航空航天产品缺陷检测领域。
3 结论与建议
由于固体火箭发动机缺陷的复杂性，目前尚无确定出一种最理想的检测技术和检测标准对所有缺陷进行探伤检测，因此实际检测时应结合不同型号发动机的具体结构，考虑被探伤对象的特性、检验目的及要求、检测成本、检测周期等因素，结合超声波、X射线和激光全息检测技术各自的特点及其最适宜的探伤对象、适宜的范围和场合，合理地选择一种或多种探伤方法，配合使用，取长补短，才能获得最佳的探伤效果。
参考文献：
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