固体火箭发动机橡胶绝热层粘接分析

介绍固体火箭发动机金属壳体、绝热层、胶粘剂表面特征,并对其各界面粘接问题进行分析。阐明绝热层配方设计与界面粘接关系。确定胶粘剂研制、选用原则,分析界面脱粘类型及原因。控制工艺要点、降低界面缺陷,提高粘接性能,以满足发动机装药结构完整性和使用可靠性的要求。     

固体火箭发动机燃烧室过载下的三维应力分析

采用三维线性粘弹性有限元模型,对固体发动机药柱、绝热层和壳体的应力场进行了分析,得出了固体发动机在轴向和横向过载作用下的应力。结果表明,药柱的前后端、翼槽和壳体-绝热层交界面均是产生裂纹或脱粘的危险部位,为固体发动机的结构完整性分析和结构设计提供了依据。     

发动机绝热层制作工艺研究

固体火箭发动机在批生产发动机事故中,绝热层事故占32%,国内情况类似。针对可能影响固体发动机壳体绝热层粘结质量的原材料状态、工艺与操作、杂质、温、湿度诸因素进行了实验研究,证明在我厂工艺质量控制条件下,杂质与环境温、湿度是影响粘结质量的主要因素,如不清理杂质即粘结较之清理后再粘结,其粘结强度τ降低74.04~77.79%,τch降低44.50~67.10%;夏季在湿度90%、温度31°时较湿度58%、温度22℃时τch降低95.25%;冬季在5℃时较18℃时τch降低77.60%,据此强化工艺指导,完善原材料检验、控制工艺环境、跟踪探伤检验等,经2年余11台的生产实践考验,产品质量稳定可靠、合格率达到100%。     

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。     

小型固体发动机燃烧室绝热层气囊自动膨胀加压粘贴成型工艺

提出了一种新型的固体火箭发动机燃烧室绝热层粘贴成型工艺。该方法使用成型模具先将绝热层模压硫化成预制件,然后在真空烘箱中,利用封口密闭气囊在真空环境下的自动膨胀加压作用,将硫化预制件粘贴到壳体上。该工艺方法显著特点是封闭气囊内的空气因热效应产生的压力增量抵消绝热套弹性变形的压力消耗。以TI116绝热层的使用为例,利用弹性变形模型计算出了该工艺方法所能适用的绝热层橡胶套的最大厚度,最低固化成型温度。通过拉伸试验确定了所用胶粘剂的固化参数,并对粘接数据曲线的原理进行了初步分析。整个粘贴成型过程中,真空烘箱还同时为绝热层/壳体界面提供了合适的真空度,避免粘贴界面的裹气、脱粘。相比于传统的气囊充气加压成型工艺方法,该工艺方法步骤简化,操作简便,单批次绝热成型壳体数量多,效率高,能很好地保证绝热层尺寸,适合于小型发动机的快速绝热成型。     

固体火箭发动机壳体/绝热层界面缺陷的声-超声检测

为了对固体火箭发动机钢壳体/绝热层界面缺陷进行有效检测,基于HSD4超声波发射/接收卡,构建了声-超声实验系统.对具有圆底孔和脱粘缺陷的钢壳体/绝热层试件进行了检测,检测信号分别采用了权振铃应力波因子方法和驻波共振模型进行分析.实验实现了对缺陷的有效检出,并可对圆底孔缺陷大小作定性评估和脱粘缺陷的定位.实验结果表明,声-超声实验系统对界面缺陷的检测是有效的.     

一种大型固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法

针对列装部队服役产品现场开展固体火箭发动机燃烧室界面粘接质量无损检测的需求,研制了一种针对大型固体火箭发动机燃烧室推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测系统。该系统基于机电阻抗频率响应函数方法,由多通道高速数据采集设备、压电主被动传感晶片、激励装置和软件评估系统组成,利用激励装置敲击固体发动机壳体待测结构表面,通过Lab VIEW数据采集程序测得响应信号,根据机电阻抗频响波形特征及波峰数量判断界面脱粘缺陷。当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时,频响函数曲线仅有一个明显平滑的主波峰,当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时,频响函数曲线的波峰数量增加,呈现明显的锯齿波形状。该方法便捷高效,非常适用于大型固体火箭发动机总装后整体产品燃烧室界面粘接质量的快速野外排查,也可进行长期的燃烧室界面状态健康监测。     

航天飞机固体火箭发动机喷管的修复

为了保证航天飞机每次飞行的成本保持最低,设计时考虑了喷管的金属零件都要重复使用。因为这些零件都是由大型铝和钢锻件机加成的,成本都很高。如果能重复使用19次,喷管柔性接头重复使用9次,那么对于每次飞行来说,就能大幅度地降低成本。航天飞机固体火箭发动机喷管是由作为支承件的大型铝和钢零件组成,这些零件内表面都粘结抗烧蚀绝热层.要重复使用的只是金属构件及柔性接头,因绝热层在工作期间要烧蚀、炭化,每次需重新更换。图1为喷管结构图,该喷管喉径136.86cm,全长424.7cm,出口直径369.9cm。这是当今固体发动机最大的喷管。喷管柔性接头的前法兰与后法兰及     

喷管粘接的超声波无损检测

叙述了超声波纵多次脉冲反射法对喷管粘接的超声波无损检测，在现有条件下，采用５ＰＣ×ｌ０×ｌ０×２分割式双晶片直探头和从做过地面试车的喷管上取下来的金属壳层作为模拟脱粘校准试块，可以检测出喷管金属壳层与绝热层粘接件中所出现的分离型脱粘和蜂窝型脱粘。     

某战术导弹发动机扩散段绝热层缠绕成型工艺改进

为消除某战术导弹发动机扩散段绝热层内表面出现沟槽等缺陷,对缠绕热压罐成型工艺进行了研究。通过分析和试验确定了高硅氧/酚醛预浸布带性能、缠绕张力、缠绕温度和加压时间等工艺参数,以及热压罐固化曲线,并从理论上讨论了成型的缠绕张力、缠绕温度和加压时间等的影响。性能测试结果表明,工艺改进后扩散段绝热层沟槽基本消除,制品性能提高。     

四院召开界面学术研讨会

航空航天部四院于1992年9月2日在西安召开固体发动机界面学术研讨会,会议由院科技委组织,为时二天。与会同志就界面理论、工艺研究、质量控制以及界面测量技术进行了交流和讨论,共发表学术论文14篇。复合材料固体火箭发动机有多种界面,包括增强纤维/基体界面(相),推进剂/衬层/绝热层/壳体各粘接界面,人工脱粘层粘结面,密封材料与部件接触面等等。界面质量不仅是材料和机械制造的一般问题,更是困扰宇航和导弹发动机研制生产厂家的重要问题。八十年代以来,在造成发射及试验失败的诸多原因之中,界面失效占了相当大的比例。因此抓住界面研究和工艺改进,正是抓住了固体发动机向高质量、高可靠性发展的一个关键。     

发动机绝热层粘接质量超声自动检测系统设计

针对壳体椭圆度较大且内壁采用喷砂处理的某型大口径固体火箭发动机壳体／绝热层界面粘接质量检测问题,采用水浸式脉冲回波超声检测方法作为检测手段,设计了具有两自由度支撑结构的粘接质量自动检测系统。通过对试件进行螺旋C扫描,获得了发动机粘接质量图像。基于对检测图像噪声的分析,采用中值滤波法提高了扫描图的信噪比。对有制作人工缺陷的发动机自动检测的结果表明,系统较为准确地计算出人工缺陷的位置及面积,其检测分辨率达到了Ф3 mm。     

固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测分析

为了给红外热像法在固体火箭发动机绝热层检测中的应用提供科学依据,用数值模拟法分析了绝热层脱粘脉冲热像检测的基本规律。得到了决策参数与结构参数之间的多变量关系,并对部分检测规律进行了实验验证。最大温差和最大对比度与脱粘尺寸之间的关系,可用分段线性函数近似描述,随着脱粘尺寸的增大,最大温差和最大对比度都增加;最大温差和最大对比度与绝热层厚度的关系是非线性函数关系,随着绝热层厚度增加,最大温差和最大对比度迅速下降;钢壳厚度的增加,对从绝热层一侧的单面法检测有利。所得数据和结论为固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测提供了指导。     

喷管扩张段绝热层的烧蚀计算

固体火箭发动机喷管的烧蚀预示是喷管结构分析的重要一环，本文用有限元法计算了喷管扩张段绝热层的烧蚀，计算中了对流换热１、材料热解及烧蚀吸热。计算结果与发动机热试车解决结果相近。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

固体火箭发动机封头界面粘接相控阵超声检测技术可行性研究

固体火箭发动机封头部分的界面粘接状态目前还没有有效的检测方法,采用相控阵超声自动电子聚焦技术为该结构的检测提供了新思路.根据声线理论,研究等厚、不等厚壳体的界面粘接相控聚焦检测方式,得出相控聚焦具有较高的检测分辨率,同时也能解决不等厚壳体构件的界面粘接检测;对固体火箭发动机封头构件的粘接状态进行仿真分析,结果显示相控阵超声能很好地检测出构件的脱粘区域和大小,表明该检测方式在界面粘接检测方面具有广泛的应用前景.     

固体发动机壳体一绝热层粘接检验试验和接收准则

大力神34D的固体助推器因接头处绝热层脱粘引起烧穿致使试飞失败后,提出在粘接界面机加一个“J”型槽来修正,对此结构进行了检验试验,并分析了其飞行条件下的应力,从而确定绝热层粘接界面所容许的“J”型槽最大深度为6.35mm.     

胶粘剂对固体发动机复合材料壳体多材料界面处粘接强度的影响

针对固体火箭发动机复合材料壳体多材料界面可能产生脱粘的问题,对钛合金/碳纤维复合材料(CFRP)层/橡胶绝热层/胶粘剂的界面粘接性能进行研究。对比不同胶粘剂粘接的钛合金与橡胶(丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM))、CFRP与橡胶、CFRP与钛合金层间剪切强度试验测试结果及破坏形式,并结合吸附理论、橡胶与胶粘剂分子结构、反应机理分析测试结果产生差异的原因。结果表明,采用730胶粘接的NBR/钛合金、NBR/CFRP层间强度明显高于Chemlok 252胶粘接的EPDM/钛合金、EPDM/CFRP层间强度,分别提高了224.24%、102.91%。对于CFRP/钛合金界面,Chemlok 252胶粘接后层间强度反而比730胶粘接的层间强度提高了92.34%,这是由于730胶溶剂挥发后为弹性体,层间剪切强度主要是弹性体本身强度,而Chemlok 252挥发后为薄膜,层间强度主要由环氧树脂提供。     

低温点火条件下固体发动机组合药柱的粘接界面力学响应分析

为了研究组合药柱结构在低温点火工况下粘接界面的损伤脱粘,以某型固体发动机为研究对象,基于内聚力模型,分析了组合药柱结构低温点火下的力学响应特性及界面损伤演化情况。结果表明,在低温点火工况下,壳体/包覆层间隙无压强时,组合药柱变形大,由于药柱所受应力超过材料极限性能,导致界面结构破坏,续航段/增速段药柱界面为结构损伤薄弱处。同时,针对续航段/增速段药柱界面进行研究,分析了界面力学性能及续航段药柱模量对界面损伤分布的影响。结果表明,随着界面强度、断裂能的提高,药柱结构完整性会显著改善,而随着界面刚度的增大,仍会出现界面脱粘现象;降低续航段药柱瞬时模量,界面脱粘范围减小,但同时续航段药柱的等效应变会显著增大。     

SRM壳体/绝热层脱粘的XFEM

将扩展有限元法(XFEM)用于研究固体火箭发动机(SRM)壳体/绝热层的脱粘。将层隙型和紧贴型脱粘等效为双材料界面裂纹,建立了XFEM的双材料界面裂纹分析模型,并给出了其中核心算法——应变矩阵的求解,通过相互作用积分求出应力强度因子和能量释放率。算例结果表明,XFEM的计算结果与理论值的差异较小,可用于有效求解脱粘问题。