CN108194229A - 一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能固体火箭发动机壳体的制作方法，包括如下步骤：光纤光栅传感器的选取；光纤光栅传感器在固体火箭发动机的标定；光纤光栅传感器在固体火箭发动机铺放；固化过程中光纤光栅传感器出口处保护；脱模过程中光纤光栅传感器出口处保护；检测随外界环境变化时固体火箭发动机壳体内部的应变变化。本发明能够实现对复合材料壳体在线、实时、主动监测和控制，及时发现并确定结构内部的缺陷、损伤的位置及程度，并监视损伤区域的扩展，不仅有利于固体火箭发动机复合材料壳体早期问题的发现，从而及时地采取补救措施，以降低次品率并提高产品质量，而且为结构的安全使用、维修提供了有效保证，以避免重大事故的发生。

Description

一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机壳体领域，具体涉及一种智能固体火箭发动机壳体的制作方法。

背景技术

目前传统的固体火箭发动机复合材料壳体采用湿法缠绕而成，缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液连续碳纤维按照纵向缠绕、环向缠绕等方式在一定的张力控制下缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得固体火箭发动机壳体成品。发动机壳体自身的健康状况通常决定武器系统的使用寿命，然而在火箭发动机壳体贮存过程、运输过程、损伤等中，由于受到环境等因素影响，以及发动机自身材料性能的不断老化，导致发动机各部分产生不同程度的损伤。这些损伤如果不能得到及时的监测，将影响武器系统的正常使用，造成严重后果。现阶段所有固体火箭发动机壳体是采用传统制作方法，其健康监测主要采用CT扫描、X射线、磁涡流、红外热像法等无损检测方法，这些都属于离线、静态、被动的检测方法，即壳体与检测仪器处于分离状态。复合材料具有较强的能量衰减特性，所以无损检测装置比较庞大，一般只在研制、生产过程中使用，即产品与检测设备一直处于分离状态，而在壳体储存过程、运输过程中很难有合适的方法检测材料内部缺陷情况，给使用方了解结构内部缺陷造成了很大困难。复合材料具有工艺稳定性相对较差的缺点，使固体火箭发动机壳体内部出现孔隙、夹杂等缺陷的机率要高于金属材料，而且这些缺陷在长期贮存、使用过程中有不断扩大的趋势，如果在生产与使用期间不加以监测与控制，可能会影响固体火箭发动机壳体的可靠性和安全性，复合材料的优势也就难以充分发挥。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：

本发明基于光纤传感技术，在不影响传统固体火箭发动机壳体性能的前提下，将光纤光栅传感器置入结构中，制作出了壳体-自诊断为一体的智能固体火箭发动机壳体。

本发明所采用的技术方案：

一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法，包括如下步骤：

（1）光纤光栅传感器的选取；

（2）光纤光栅传感器在固体火箭发动机的标定；

（3）光纤光栅传感器在固体火箭发动机铺放；

（4）固化过程中光纤光栅传感器出口处保护；

（5）脱模过程中光纤光栅传感器出口处保护；

（6）检测随外界环境变化时固体火箭发动机壳体内部的应变变化。

进一步地，所述步骤（1）中光栅传感器为耐高温型，且与壳体纤维有良好的相容性。

进一步地，所述的光栅传感器为涂碳性光栅传感器。

进一步地，所述步骤（2）中包括如下步骤：

1）采用与固体火箭发动机壳体相同的碳纤维与树脂制作复合材料单向板，并将单向板制作成预定要求的B型试样；

2）单向板模具经过处理后在上面刷脱模剂，然后安装在缠绕机上；

3）待缠绕厚度达到所需一半时，平行纤维方向布置传感器，光栅位于中间位置，传感器出口处采用聚酰亚胺套管对其进行保护，然后继续缠绕，直至结束；

4）待固化完成后，将复合材料单向板机成加含有传感器的拉伸试样，试样夹持端粘贴金属加强片，试样中尾纤采用熔接机连接在单模跳线，跳线另一端连接解调仪，将试样放置在拉伸机夹具中，开始对其进行加载力值试验，在拉伸载荷作用下，光栅波长变化与位移成对应关系，以位移为横坐标，光栅波长为纵坐标，拟合出线性方程，其方程的斜率即为应变敏感系数，单位为pm/μm。

进一步地，所述步骤（3）中包括如下步骤：

1）在缠绕过程中，将光纤光栅传感器按照平行纤维方向进行铺放，铺放过程中，将缠绕机暂停，采用手工方式，将光纤光栅传感器铺放至纤维层上部，然后用耐高温耐腐蚀的聚酰亚胺管套进传感器，将传感器拉伸至一定预紧力；

2）将带有套管的尾纤绕接头部位1-2圈，预先用丙酮将接头部位树脂擦拭干净，然后将传感器尾纤用医用白色胶带粘接固定在接头表面，植入完成后，下层纤维将铺放在壳体中的传感器完全覆盖，并覆盖约10mm的聚酰亚胺套管，此时传感器铺贴在了两纤维叠层之间；

3）重复（1）和（2）所述步骤的方法，植入所有光纤光栅传感器；

4）待所有传感器铺放完成后，将接头处的医用胶带拆开，重新用胶带对接头所有传感器统一包覆处理。

进一步地，所述步骤（4）中包括如下步骤：

1）裸露在复合材料的尾纤将和单模跳线连接，然后和解调仪连接；

2）在传感器铺放过程最后整理尾纤阶段，用医用胶带将尾纤包覆7-10层，并且包覆位置尽量远离旋转机构；

3）若有少量树脂浸渍到尾纤位置，套在传感器外部的聚酰亚胺套管固化至接头。

4）固化完成后，复合材料边缘的光纤很容易损坏，因为壳体出口处的光纤表面粘有树脂后变得很脆，所以在前期传感器铺放过程中，传感器出口处用毛细塑料管对其进行保护。

进一步地，所述步骤（5）中采用密封胶条作为尾纤保护材料，所述密封胶条沿着接头绕1-2圈，

进一步地，所述步骤（6）中包括如下步骤：

1）将密封胶条从接头小心剥开；

2）采用熔接机将尾纤连接至单模跳线一端，另一端连接至解调仪中，即可进行采用光纤光栅传感器检测固体火箭发动机内部应变变化随环境变化的试验。

3）试验进行的过程中，解调出的数据为光纤波长的变化值，然后根据始终态传感器光栅波长变化的差值，根据应变敏感系数，换算成应变变化值即可。

本发明的有益效果：

本发明能够实现对复合材料壳体在线、实时、主动监测和控制，及时发现并确定结构内部的缺陷、损伤的位置及程度，并监视损伤区域的扩展，不仅有利于固体火箭发动机复合材料壳体早期问题的发现，从而及时地采取补救措施，以降低次品率并提高产品质量，而且为结构的安全使用、维修提供了有效保证，以避免重大事故的发生。

附图说明

图1：复合材料单向板光纤光栅布置示意图，1.光栅、2.聚酰亚胺套管、3.碳纤维。

图2：含有光纤光栅传感器拉伸试样主视图,1.光栅、2.聚酰亚胺套管、4.金属加强片。

图3：含有光纤光栅传感器拉伸试样左视图,1.光栅、2.聚酰亚胺套管、5.金属加强片。

图4：复合材料单向板光纤光栅布置示意图,2.聚酰亚胺套管、6.壳体、7.尾纤、8.接头、9.光纤光栅传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，将涂碳性光纤光栅传感器置入碳纤维缠绕成而单向板中,并将单向板制作成如图2、图3的拉伸试样。将试样移至拉伸机夹具内，记录传感器波长随位移的变化，并拟合位移-波长曲线方程，得出应变敏感系数。

如图4所示，在缠绕过程中，将光纤光栅传感器按照平行纤维方向进行铺放（光栅在壳体的具体位置依据要求设定）。铺放过程中，将缠绕机暂停，采用手工方式，将光纤光栅传感器铺放至纤维层上部，然后用耐高温耐腐蚀的聚酰亚胺管套进传感器，将传感器拉伸至一定预紧力，然后将带有套管的尾纤绕接头部位1-2圈。预先用丙酮将接头部位树脂擦拭干净，然后将传感器尾纤用医用白色胶带粘接固定在接头表面，植入完成后，下层纤维将铺放在壳体中的传感器完全覆盖，并覆盖约10mm的聚酰亚胺套管，此时传感器铺贴在了两纤维叠层之间。按此铺放方法，植入下一根光纤光栅传感器。待所有传感器铺放完成后，将接头处的医用胶带拆开，重新用胶带对接头所有传感器统一包覆处理。

固化开始时，将含有传感器的壳体放至固化炉，接头处包覆位置尽量远离固化炉旋转机构。脱模过程中，壳体固化完成后，将医用胶布小心拆开，然后将尾纤集中于接头，用密封胶条沿着接头绕1-2圈。脱模完成后，密封胶条从接头处取下。采用熔接机将壳体尾纤连接至单模跳线一端，另一端连接至解调仪中，即可进行采用光纤光栅传感器检测固体火箭发动机内部应变变化随环境变化的试验。试验进行的过程中，解调出的数据为光纤波长的变化值，然后根据始终态传感器光栅波长变化的差值，根据应变敏感系数，换算成应变变化值即可。

Claims (8)

1.一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）光纤光栅传感器的选取；

（2）光纤光栅传感器在固体火箭发动机的标定；

（3）光纤光栅传感器在固体火箭发动机铺放；

（4）固化过程中光纤光栅传感器出口处保护；

（5）脱模过程中光纤光栅传感器出口处保护；

（6）检测随外界环境变化时固体火箭发动机壳体内部的应变变化。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中光栅传感器为耐高温型，且与壳体纤维有良好的相容性。

3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述的光栅传感器为涂碳性光栅传感器。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中包括如下步骤：

1）采用与固体火箭发动机壳体相同的碳纤维与树脂制作复合材料单向板，并将单向板制作成预定要求的B型试样；

2）单向板模具经过处理后在上面刷脱模剂，然后安装在缠绕机上；

3）待缠绕厚度达到所需一半时，平行纤维方向布置传感器，光栅位于中间位置，传感器出口处采用聚酰亚胺套管对其进行保护，然后继续缠绕，直至结束；

4）待固化完成后，将复合材料单向板机成加含有传感器的拉伸试样，试样夹持端粘贴金属加强片，试样中尾纤采用熔接机连接在单模跳线，跳线另一端连接解调仪，将试样放置在拉伸机夹具中，开始对其进行加载力值试验，在拉伸载荷作用下，光栅波长变化与位移成对应关系，以位移为横坐标，光栅波长为纵坐标，拟合出线性方程，其方程的斜率即为应变敏感系数，单位为pm/μm。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中包括如下步骤：

1）在缠绕过程中，将光纤光栅传感器按照平行纤维方向进行铺放，铺放过程中，将缠绕机暂停，采用手工方式，将光纤光栅传感器铺放至纤维层上部，然后用耐高温耐腐蚀的聚酰亚胺管套进传感器，将传感器拉伸至一定预紧力；

2）将带有套管的尾纤绕接头部位1-2圈，预先用丙酮将接头部位树脂擦拭干净，然后将传感器尾纤用医用白色胶带粘接固定在接头表面，植入完成后，下层纤维将铺放在壳体中的传感器完全覆盖，并覆盖约10mm的聚酰亚胺套管，此时传感器铺贴在了两纤维叠层之间；

3）重复1）和2）所述步骤的方法，植入所有光纤光栅传感器；

4）待所有传感器铺放完成后，将接头处的医用胶带拆开，重新用胶带对接头所有传感器统一包覆处理。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中包括如下步骤：

1）裸露在复合材料的尾纤将和单模跳线连接，然后和解调仪连接；

2）在传感器铺放过程最后整理尾纤阶段，用医用胶带将尾纤包覆7-10层，并且包覆位置尽量远离旋转机构；

3）若有少量树脂浸渍到尾纤位置，套在传感器外部的聚酰亚胺套管固化至接头；

4）固化完成后，复合材料边缘的光纤很容易损坏，因为壳体出口处的光纤表面粘有树脂后变得很脆，所以在前期传感器铺放过程中，传感器出口处用毛细塑料管对其进行保护。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（5）中采用密封胶条作为尾纤保护材料，所述密封胶条沿着接头绕1-2圈。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（6）中包括如下步骤：

1）将密封胶条从接头小心剥开；

2）采用熔接机将尾纤连接至单模跳线一端，另一端连接至解调仪中，即可进行采用光纤光栅传感器检测固体火箭发动机内部应变变化随环境变化的试验；

3）试验进行的过程中，解调出的数据为光纤波长的变化值，然后根据始终态传感器光栅波长变化的差值，根据应变敏感系数，换算成应变变化值即可。