郭 宇，申志彬，李海陽，張 漩，卞云龍

(1.國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.空天任務(wù)智能規(guī)劃與仿真湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073；3.中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司六院四十一所，呼和浩特 010010)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī))在貯存過程中，受到溫度、應(yīng)力等影響，非金屬殼體、固體推進(jìn)劑及它們之間的界面會(huì)發(fā)生老化，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能劣化。為獲得這些材料和結(jié)構(gòu)老化趨勢(shì)，工程上通常在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)附帶隨機(jī)試件，通過檢測(cè)隨機(jī)試件來代表產(chǎn)品材料性能。而隨機(jī)試件與產(chǎn)品實(shí)際存放條件的貯存微環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)存在差異，二者的老化規(guī)律并不一致，性能差異有時(shí)候會(huì)十分明顯。由于難以實(shí)現(xiàn)原位無損檢測(cè)，為了更加全面了解發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在貯存后的性能及其分布，目前最佳的方式是對(duì)同批次發(fā)動(dòng)機(jī)一臺(tái)或多臺(tái)進(jìn)行全面解剖，對(duì)材料和界面進(jìn)行取樣測(cè)試。雖然周期長(zhǎng)、成本高，但所得樣本真實(shí)、數(shù)據(jù)和老化規(guī)律比較可靠，因而發(fā)動(dòng)機(jī)解剖是其壽命研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。

德國(guó)的Fraunhofer Institute(ICT)實(shí)驗(yàn)室[1]和荷蘭的TNO Prins Maurits實(shí)驗(yàn)室[2]都曾開展過帶鋸切割解剖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究試驗(yàn)。美國(guó)采用電化學(xué)腐蝕方式開展金屬殼體發(fā)動(dòng)機(jī)的解剖試驗(yàn)[3-7]。國(guó)內(nèi)海軍航空大學(xué)也采用手工鋸解剖方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥老化性能研究[8]。上述研究對(duì)象都是金屬殼體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，但進(jìn)行復(fù)合材料殼體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖時(shí)，會(huì)面臨如下問題：(1)電化學(xué)腐蝕法無法進(jìn)行復(fù)合材料切割，傳統(tǒng)鋸割方式切削樹脂基體復(fù)合材料是會(huì)發(fā)生黏刀現(xiàn)象，切割溫升也較高，解剖過程存在嚴(yán)重安全隱患;(2)采用組合切割方式解剖，作業(yè)效率也比較低，粘接界面試件取樣率不高。因此，如何安全、高效開展解剖是當(dāng)然技術(shù)研究的重點(diǎn)。

超聲振動(dòng)鋸割技術(shù)是在普通絲鋸加工的基礎(chǔ)上，在鋸絲上疊加一個(gè)高頻低幅振動(dòng)，使絲鋸實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)切割加工和超聲波振動(dòng)切割加工的復(fù)合加工。這種施加了超聲振動(dòng)的金剛石絲鋸將以超聲波形式的高頻振動(dòng)和周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行高效切割，從根本上改變了傳統(tǒng)往復(fù)式金剛石絲鋸磨粒的加工狀態(tài)，磨粒在加工中與工件之間間歇接觸和分開，使得超聲波振動(dòng)金剛石絲鋸割技術(shù)具有切縫窄、平均切削力小、切削溫度低、切面光潔度高、可干切削的特點(diǎn)[9-10]，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于非金屬和難加工材料加工[11-13]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)動(dòng)機(jī)采用纖維纏繞殼體比例逐步增大，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命研究中纖維纏繞殼體燃燒室解剖需求日益緊迫。對(duì)比各種可用于發(fā)動(dòng)機(jī)解剖的工技術(shù)的特點(diǎn)(如表1所示)，本文嘗試?yán)贸曊駝?dòng)鋸割技術(shù)進(jìn)行該類型燃燒室的安全、高效解剖，實(shí)現(xiàn)燃燒室的全位置取樣。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室安全解剖工藝試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由外到內(nèi)依此由復(fù)合材料殼體、絕熱層和固體推進(jìn)劑粘接組成，因此安全切割工藝參數(shù)，主要取決于殼體、絕熱層和固體推進(jìn)劑的物理化學(xué)和力學(xué)特性。典型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室各材料的主要力學(xué)和物理性能如表2所示。

表2 典型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要材料物理性能

根據(jù)機(jī)械切削原理[10,14]，認(rèn)為上述材料切削溫升的順序?yàn)闅んw>絕熱層>藥柱。因此，試驗(yàn)方案在準(zhǔn)此原則的基礎(chǔ)上，以切溫最高材料初步確定工藝參數(shù)，然后在低切溫材料進(jìn)行參數(shù)安全性校核，最后通過燃燒室樣件切割驗(yàn)證，研究方案如圖1所示。

圖1 超聲振動(dòng)鋸割工藝優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)方案

為獲得燃燒室解剖的最優(yōu)工藝參數(shù)，切割試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則如下：(1)安全原則。確保解剖過程的安全性，設(shè)定切削宏觀溫升高不超過15 ℃(室溫25 ℃條件下)。(2)效率原則。盡量加快金剛石絲的進(jìn)給速度，提高解剖效率。(3)成本原則。盡量降低走絲速度和張力，減少金剛石絲斷絲情況，節(jié)約刀具成本和換絲時(shí)間。

2 殼體解剖正交試驗(yàn)及切割工藝確定

根據(jù)上述分析，殼體為燃燒室切割溫升最高部件，影響纖維殼體切割的主要因素有材質(zhì)、進(jìn)給速度、切絲速度以及金剛石絲的絲徑。為分析這些因素對(duì)切削溫度的影響，開展了表3前半部分所示的L3(43)正交試驗(yàn)[15]。其中，切削過程不供給切削液、也不強(qiáng)制風(fēng)冷，切削溫度測(cè)量采用手持紅外測(cè)溫儀。T300碳纖維(Carbon Fiber，CF)殼體切割和測(cè)試過程見圖2(a)，高強(qiáng)度玻璃纖維(High Strength Glass Fiber，GF)殼體切割和測(cè)試過程見圖2(b)。

(a)Carbon fiber case cutting (b)Glass fiber case cutting

由表3后半部分(試驗(yàn)分析結(jié)果)，可獲得如下結(jié)論：對(duì)切削溫度影響主次順序?yàn)椴牧?進(jìn)給速度>切絲速度>絲徑；同工藝條件下，玻纖材料切割最高；進(jìn)給速度越大切溫越高，后續(xù)推進(jìn)劑切削選擇最小的進(jìn)給速度，即2 mm/min；切絲速度對(duì)切削溫度影響不大，為減少切削張力，后續(xù)切削選擇較大的走絲速度1100 mm/s；切絲直徑對(duì)溫度影響小，為降低斷絲概率后續(xù)試驗(yàn)金剛石絲直徑選擇較粗的0.4 mm。

3 推進(jìn)劑切割安全性校核

由于殼體切割時(shí)散熱條件好，且溫度測(cè)量采用的紅外測(cè)溫儀只能獲得表面測(cè)點(diǎn)處平均溫度，因此安全性監(jiān)測(cè)結(jié)果可能偏于冒進(jìn)(及測(cè)溫可能會(huì)較切割溫度低)。為確保發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖過程安全，還需對(duì)推進(jìn)劑鋸割過程的切割溫度進(jìn)行測(cè)量，以校核切削工藝。

考慮金剛石絲的幾何尺寸，試驗(yàn)時(shí)將K型裸露熱電偶(美國(guó)OMEGA生產(chǎn)，單線徑為0.125 mm，熱電偶熔球頭直徑0.3 mm)埋入切縫處對(duì)切削點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量。因熱電偶難以準(zhǔn)確置于切削點(diǎn)，熱電偶測(cè)量溫度與切削點(diǎn)真實(shí)溫度之間存在差異。為了定量評(píng)價(jià)熱電偶測(cè)量的溫度與切削點(diǎn)溫度之間的誤差，將加熱組件粘貼在0.5 mm厚的推進(jìn)劑試片一側(cè)，加熱組件升溫過程用兩只熱電偶分別監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑試片加熱位置和對(duì)應(yīng)位置另一側(cè)的溫度。測(cè)量結(jié)果(如圖3所示)表明，在35～80 ℃區(qū)間內(nèi)，2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的最大溫度差(滯后)為5 ℃，且溫度平衡所需時(shí)間約5 s。據(jù)此可認(rèn)為，采用埋入熱電偶的方式監(jiān)測(cè)切削點(diǎn)溫度的方法可行，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與切割位置距離0.5 mm以內(nèi)時(shí)，測(cè)量溫度與真實(shí)溫度之間的差異不大于5 ℃，即熱電偶的測(cè)量最高溫度 +5 ℃為切割溫度。

表3 試驗(yàn)正交表及試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 推進(jìn)劑切溫準(zhǔn)確性模擬測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

基于上述結(jié)論，為考察切割深度對(duì)切溫的影響，在丁羥推進(jìn)劑不同切深位置依次布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)；為分析絲鋸條不同切點(diǎn)的切溫溫度，在中心切割位置沿線布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)排布情況如圖4(a)所示。熱電偶安裝孔采用數(shù)控機(jī)床加工，孔徑φ0.4 mm、單個(gè)孔深精度0.1 mm以內(nèi)、各孔深之間誤差小于0.05 mm。清理盲孔內(nèi)切屑后，再將微型熱電偶插入工藝孔中用粘接劑固定引線。安裝結(jié)果如圖4(b)所示。

切割工藝中，金剛石絲直徑選擇0.4 mm，切割絲走線速度1100 mm/s，切割進(jìn)給速度2 mm/min，并保證切面位置距離熱電偶探頭位置0.5 mm以內(nèi)。試驗(yàn)過程如圖5(a)所示，各位測(cè)點(diǎn)最高溫度相差不超過1.4 ℃、各測(cè)點(diǎn)最大溫升都不大于5 ℃，推斷切削溫升不大于10 ℃。切割后情況如圖5(b)所示，可看出推進(jìn)劑“方坯”試樣切面平整、無過熱痕跡[16-17]。另外，該切割初始段也采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行了切溫測(cè)量。試驗(yàn)表明，紅外表面測(cè)溫結(jié)果相比熱電偶測(cè)試結(jié)果低1.2 ℃以內(nèi)。

(a)Test points distribution (b)Test points installation

(a)Cutting process of (b)Cutting surface of

4 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述解剖工藝的安全性，采用模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行切割試驗(yàn)。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)直徑為φ200 mm，長(zhǎng)度450 mm。其中，殼體材料為T300碳纖維，厚度5 mm；絕熱材料基體為三元乙丙橡膠，厚度3 mm；藥柱材料為采用丁羥(HTPB)三組元推進(jìn)劑。為了盡量簡(jiǎn)化燃燒室設(shè)計(jì)和制作，并模擬大肉厚工況，藥柱采用滿裝填結(jié)構(gòu)。

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室制造過程與產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程一致，首先在鋪貼絕熱層的沙芯模上纏繞碳纖維并固化，然后脫去沙芯模在絕熱層內(nèi)側(cè)噴涂0.5 mm后的襯層，最后澆注HTPB三組元推進(jìn)劑并固化。為模擬界面老化后強(qiáng)度下降情況，燃燒室固化未采用加壓固化工藝。

切割工藝參數(shù)為切割仍采用直徑0.4 mm的金剛石絲、切割絲走線速度1100 mm/s、進(jìn)給速度2 mm/min。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室切割過程如圖6(a)所示，整個(gè)作業(yè)過程中無冒煙、著火、爆炸現(xiàn)象。切割結(jié)果如圖6(b)所示，殼體斷面光滑、平整、無分層、脫粘現(xiàn)象；藥柱切面平整、無明顯破壞區(qū)；殼體/絕熱層/推進(jìn)劑的各個(gè)粘接界面無脫粘情況。采用紅外測(cè)溫儀對(duì)切割絲的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量溫升不大于5.5 ℃，推斷實(shí)際切割溫升不超過13.1 ℃，在設(shè)定安全準(zhǔn)則之內(nèi)，認(rèn)為該過程安全可控。

5 大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖實(shí)施

經(jīng)過上述驗(yàn)證后，認(rèn)為利用金剛石絲鋸割技術(shù)進(jìn)行非金屬殼體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖具有較高可行性。解剖對(duì)象選擇貯存18 a、肉厚大于400 mm的大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，該燃燒室采用高強(qiáng)度玻璃纖維殼體，星孔丁羥三組元推進(jìn)劑裝藥。鋸割工藝同第4章設(shè)定參數(shù)，整個(gè)解剖作業(yè)過程中無冒煙、著火、爆炸現(xiàn)象。大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室解剖后斷面如圖7(a)所示，可看出燃燒室一次性切斷，藥柱切面平整；界面處斷面情況如圖7(b)所示，經(jīng)檢查未曾發(fā)現(xiàn)由于切割外力引起玻璃纖維殼體/HTPB推進(jìn)劑粘接界面脫粘情況。

(a)Cutting process of (b)Cutting surface of

(a)Cutting surface of (b)SF/HTPB bonder of

6 結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大型非金屬殼體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的安全高效解剖，試驗(yàn)研究表明，超聲振動(dòng)金剛石絲鋸割技術(shù)解剖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室具有一體化切割、適用面廣、切割條件要求低的特點(diǎn)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

(2)首次研究了超聲振動(dòng)金剛石絲鋸割發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室材料的工藝參數(shù)，試驗(yàn)表明，燃燒室組成材料切割溫升順序?yàn)椴ＡЮw維>碳纖維>推進(jìn)劑。利用該技術(shù)進(jìn)行燃燒室解剖時(shí)，溫升影響主要考慮殼體材質(zhì)因素。

(3)超聲波振動(dòng)金剛石絲鋸割溫度測(cè)試試驗(yàn)表明，鋸割切點(diǎn)溫度≤熱電偶測(cè)溫+5 ℃；熱電偶測(cè)溫≤紅外測(cè)溫+1.2 ℃；切縫內(nèi)外部溫度差不超過1.4 ℃。通過紅外測(cè)溫可估計(jì)算出切割內(nèi)部切割溫度，為火工切割工程實(shí)踐安全性判定提供參考。

(4)該方法對(duì)解剖對(duì)象的結(jié)構(gòu)和尺寸無要求，但用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒解剖時(shí)，需要開發(fā)多軸聯(lián)動(dòng)鋸床，以滿足工程中全位置精確解剖的需求。另外，需要研發(fā)多種結(jié)構(gòu)形式的金剛石絲，以適應(yīng)不同解剖對(duì)象。