埋入传感器对发动机界面粘接性能影响试验研究

张春龙，吕安国，钮 江

（1.中国人民解放军91515部队52分队，三亚，572016；2. 中国人民解放军91515部队45分队，三亚，572016）

埋入传感器对发动机界面粘接性能影响试验研究

张春龙1，吕安国2，钮 江1

（1.中国人民解放军91515部队52分队，三亚，572016；2. 中国人民解放军91515部队45分队，三亚，572016）

针对固体火箭发动机健康监检测中埋入传感器后对发动机界面粘接性能的影响，自制埋入传感器的粘接试件，通过对粘接试件的cT无损探伤与力学性能试验，得到传感器的埋入方法可靠、埋入传感器对发动机界面粘接性能无明显影响；通过对自然贮存粘接试件的力学性能监测试验，得到粘接界面力学变化规律，进而确定埋入式传感器在发动机界面中至少可以稳定工作3个月以上。

埋入式传感器；粘接界面；固体火箭发动机

0 引 言

基于内嵌式传感器的固体火箭发动机实时健康监检测系统能够实时监测发动机健康状况，具有系统简单、测试成本低、实时性强以及测量精度高等优点，是目前固体火箭发动机领域的重要研究方向之一[1～6]。在固体火箭发动机燃烧室界面嵌入应力传感器后，对固体火箭发动机结构影响的关键是对衬层（传感器）/推进剂界面性能的影响[7，8]。为此，需对传感器嵌入界面粘接强度变化规律进行研究[9～12]。

本文借鉴部标QJ2038.1-91粘接试件制作方法，自制含内嵌式传感器的粘接试件并设计试验，研究界面应力传感器嵌入对发动机界面粘接强度的影响，以及界面粘接强度变化情况，分析界面应力传感器对固体火箭发动机结构的影响，研究结果可为今后基于内嵌式传感器的固体火箭发动机实时健康监检测系统研制提供技术支持。

1 界面粘接性能测定方法

在固体火箭发动机界面嵌入传感器后的长期贮存过程中，受温度、湿度等贮存条件的影响，界面粘接性能会因老化出现下降，需对发动机界面老化性能进行测试。本文所用的测试方法为cT无损检测法和强度测定法。

cT无损检测法是利用X射线对实际发动机界面状态进行直观判读，以确定发动机粘接界面是否存在脱粘等现象。工业cT可一次性对多个粘接试件的多层断面进行检测。为了确认壳体/衬层（传感器）、衬层/传感器以及衬层（传感器）/推进剂等界面粘接情况是否良好，本试验采用工业cT对自制的含内嵌式传感器的粘接试件贮存前后界面粘接情况进行无损检测，摸清各界面有无脱粘等现象，直观判断贮存前后界面粘接性能的变化情况。

强度测定法是利用自制的粘接试件在模拟发动机贮存条件下进行贮存，测量经历不同贮存时间后的粘接强度，以此判定发动机界面粘接性能。本文对贮存前后的粘接试件进行粘接强度试验，测试粘接试件达到破坏时的拉力，以计算出其强度，对固体火箭发动机界面粘接强度变化规律进行研究。

2 传感器嵌入对界面粘接性能影响试验研究

2.1 试验对象

制作含内嵌式传感器Φ15 mm×3 mm的粘接试件如图1、图2所示，并利用工业cT进行无损检测，确认试件粘接情况良好。

图1 粘接试件结构

图2 粘接试件实物

2.2 传感器粘接试件力学性能试验

将经无损检测完好的含内嵌式传感器的粘接试件置于密闭容器中进行自然贮存，试件个数为25个，按QJ2038.1规定的条件，贮存情况如图3所示。

图3 粘接试件贮存情况

在试件初始阶段以及贮存10天、20天、40天和80天后，分别随机取出5个粘接试件，进行粘接强度试验（根据航空航天工业部航天工业标准QJ2038.1《固体火箭发动机燃烧室界面粘接强度测定方法》进行）。根据贮存前后试件的粘接界面强度情况，分析界面强度变化规律，研究传感器嵌入对发动机的影响。

3 试验数据分析

3.1 贮存前后粘接试件无损检测结果分析

利用工业cT分别对含内嵌式传感器的粘接试件初始状态以及贮存80天后的界面情况进行无损检测，得到贮存前后试件各界面的典型无损检测结果如图4所示。

从图4中可以看出，贮存前后壳体/衬层（传感器）界面、衬层/传感器界面以及衬层（传感器）/推进剂界面粘接情况均保持良好，贮存过程中未发现有脱粘等缺陷发生，说明本文所述传感器嵌入工艺可行，粘接试件制作方法可靠性较高；在粘接试件整个贮存过程中，传感器嵌入并未对试件粘接界面产生明显影响。

3.2 粘接强度试验数据分析

本文分别测定了含内嵌式传感器的粘接试件初始阶段以及自然贮存10天、20天、40天和80天后的试验数据，如表1所示。

表2 老化模型系数

表1 不同贮存时间平均界面粘接强度

由表1可知，粘接试件界面粘接强度随贮存时间的变化规律为：界面粘接强度先有所增强，原因为粘接剂的后固化过程引起的；后固化结束后，界面粘接强度随贮存时间增加开始下降；且贮存时间越长，粘接强度下降速率越低。由于界面应力传感器相对较小，界面应力传感器嵌入并未对粘接试件强度性能产生较大影响。

对粘接试件贮存老化试验数据进行处理时，通常选用以下3种模型：

式中 P为试件某时刻的性能；P0为常数；K为性能变化速率常数；t为试件贮存时间。

式（1）中，令X=t，Y=lnP，a=lnP0，b=-K；式（2）中令X=lgt，Y=P，a=P0，b=K；式（3）中令X=t，Y=P，a=P0，b=K，则以上3种老化模型均可表示为一次方程形式：Y=a+bX。

根据前文分析，传感器贮存20天以后试件粘接性能出现老化下降。本文用界面粘接强度表征粘接试件性能变化，通过试验获得试件贮存20～80天时的界面粘接强度数据，对数据进行处理，利用最小二乘法可求以上3种模型对应直线方程Y=a+bX的系数a，b以及相关系数ρxy=cov(x，y)，其中cov（x, y）为x，y的协方差，d( x)，d( y)为x，y的方差。如表2所示。

由表2可知，模型P=P0+Klgt的相关系数最接近1，故选择式（2）为老化模型。

根据老化模型，利用最小二乘法对粘接试件老化阶段界面粘接强度随时间变化按对数规律进行拟合，得到拟合结果如图5所示。

图5 传感器界面粘接强度-时间拟合曲线

由拟合公式可知，传感器粘接试件的老化速率为0.05，同时从图5可以看出，含埋入式传感器的粘接试件贮存3个月后，其界面粘接强度仍然大于厂家规定的技术指标要求0.6 Mpa，说明传感器嵌入发动机界面后，在传感器自身指标满足要求的情况下，至少可以稳定工作3个月以上。

4 结 论

通过以上研究得到界面应力传感器对界面粘接强度影响规律：a）在粘接试件贮存前期，界面粘接强度随贮存时间增加而加大，后固化结束后，因老化作用影响，粘接试件界面粘接强度出现下降，且下降速率随贮存时间增加而降低；b）其性能变化符合发动机自身老化规律，受传感器嵌入影响很小；c）在不影响固体火箭发动机正常使用的前提下，内嵌式传感器在发动机中至少可以稳定工作3个月以上。

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Research of Embedded Sensor Impact on Interface Adhesive Performance

Zhang chun-long1, Lv an-guo2, Niu Jiang1
(1. 52 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016; 2. 45 contingent Unit 91515 of pLa, Sanya, 572016)

For knowing the influence of embedded sensors to interface adhesive performance of motor at the researching on health monitoring technology of solid rocket motor, the adhesive specimen containing embedded sensor was made. Through the NdT and mechanical properties tests on adhesive specimen, came to the conclusion that the embedding method of sensors was reliable and there was no apparent influence for embedded sensors to interface adhesive performance of motor. The mechanics change laws of adhesive interface were obtained by the mechanical properties tests of adhesive specimen under the natural condition. Finally got that embedded sensors could work at least 3 months stably at the interface of motor.

embedded sensor; Bonding interface; Solid rocket motor

V435

a

1004-7182(2016)01-0085-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160120

2014-10-09；

2015-12-23

张春龙（1981-），男，博士，工程师，主要从事固体发动机寿命研究