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固體火箭發(fā)動機的主體裝藥燃燒室為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，一次澆鑄成型，不可分解。在生產(chǎn)制造過程中，其內(nèi)部會不可避免地產(chǎn)生脫黏、孔洞等缺陷，其中脫黏缺陷尤為常見。

 

發(fā)動機生產(chǎn)廠家一般采用射線照相進行普遍檢測，如有疑問則須進行工業(yè)CT精檢缺陷的性質(zhì)和尺寸，最終確定質(zhì)量合格后方可出廠，因此CT檢測具有一錘定音的作用。

 

但是，工業(yè)CT檢測系統(tǒng)一般是以圓周掃描的方式獲取工件不同角度的投影數(shù)據(jù)并重建出圖像，需要固體火箭發(fā)動機在精密的機械系統(tǒng)控制下做360°圓周運動。為使工件滿足CT圓周掃描的要求，CT檢測系統(tǒng)的機械設(shè)備極為龐大復(fù)雜，不利于廣泛使用。

 

針對此難點，中國人民解放軍96962部隊的技術(shù)人員提出了一種固體火箭發(fā)動機脫黏缺陷有限角CT檢測模型，并通過試驗驗證了該技術(shù)的可行性和實用性。

 

1.國內(nèi)外有限角CT檢測現(xiàn)狀

 

1.有限角CT檢測模型

 

近年來，隨著CT應(yīng)用場景的不斷擴展，工業(yè)在線檢測、在役管道、大直徑薄壁管狀物等非常規(guī)條件下的檢測需求不斷增加。相對于傳統(tǒng)的圓周掃描CT而言，直線運動更容易控制且在機械結(jié)構(gòu)上更簡單、更容易制造，故直線掃描CT在上述領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，已經(jīng)成為近幾年的研究熱點。

 

例如，倒置結(jié)構(gòu)CT（IGCT）利用軸向尺寸相同的大面積掃描源陣列和探測器對物體進行成像；針對墻角位置鋪設(shè)的線纜、管道等檢測需求提出了射線源運動軌跡與探測器相互垂直的直線掃描CT；針對石油管道檢測提出了一種射線源與探測器沿直線同向運動、工件不動的直線CT系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)對稱分布的直線掃描CT（SGCT）系統(tǒng)利用固定位置的直線型射線源陣列和尺寸相當(dāng)?shù)奶綔y器進行成像；針對大型工件的高分辨率成像需求提出了一種射線源平移掃描CT成像方法（STCT）。

 

針對CT精檢固體火箭發(fā)動機缺陷時機械設(shè)備龐大復(fù)雜的難題，本文提出了一種基于STCT的局部成像方法（L-STCT），其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

 

圖1 有限角CT檢測掃描結(jié)構(gòu)示意

 

固體火箭發(fā)動機（缺陷部位在上方）固定，加速器在產(chǎn)生高能X射線照射發(fā)動機上方殼體附近的同時進行高精度升降運動，實施約38°的有限角掃描，面陣探測器在固定位置接收射線并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由計算機將數(shù)字信號重建為發(fā)動機殼體和絕熱層附近的局部區(qū)域CT圖像。

 

該方法不需要固體火箭發(fā)動機在機械系統(tǒng)控制下做360°圓周運動，僅保留承載（一般仍需旋轉(zhuǎn)、平移等）功能即可，具有簡單易安裝、操作方便等優(yōu)點，大幅提高了固體火箭發(fā)動機CT檢測的普適性，減少了CT檢測時對精密機械系統(tǒng)的要求，開創(chuàng)了一種面陣DR普檢初步定性定位、局部CT補充精檢的新型檢測模式，豐富了CT檢測手段。

 

2.有限角CT檢測圖像重建算法

 

直線掃描CT重建算法主要分為解析型和迭代型算法。解析法主要包括濾波反投影（FBP）、反投影濾波（BPF）等；迭代法主要有GPEL-TV、ADTVM和ART-TV重建算法等。

 

FBP重建算法要求每個角度的X射線束必須完全覆蓋物體，難以處理投影數(shù)據(jù)截斷及有限角問題。

 

BPF算法可以在一定程度上解決數(shù)據(jù)截斷問題，避免數(shù)據(jù)截斷造成的偽影傳播到整個圖像。

 

GPEL-TV重建算法利用GPEL迭代對缺失數(shù)據(jù)進行估計，在抑制噪聲的同時具有一定的邊緣保護作用。

 

ADTVM重建算法采用各向異性TV的優(yōu)化模型，求解高效穩(wěn)定。

 

ART-TV重建圖像方法在有效降低圖像偽影的同時，可實現(xiàn)較準確的成像，圖像指標得到大幅提升。

 

結(jié)合具體的應(yīng)用背景，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種CT掃描方式和圖像重建方法，很好地滿足了實際應(yīng)用需求。

 

本文在進行固體火箭發(fā)動機脫黏缺陷的加速器直線升降掃描時存在有限角和數(shù)據(jù)截斷的難點，因此，主要使用迭代法進行圖像重建。

 

2.試驗條件

 

1.檢測設(shè)備及掃描參數(shù)

 

試驗使用9×106 eV高能X射線CT檢測設(shè)備對某型固體發(fā)動機模擬工件進行有限角CT檢測。焦點尺寸為2 mm，源物距為3050 mm，物探距為1296 mm，源行程為600 mm，探測器為面陣探測器，邊長為395 mm，探測器單元數(shù)為2048×2048，探測器單元尺寸為0.2 mm，CT圖像重建矩陣為2048×2048和4096×4096。

 

2.試驗對象

 

試驗對象包括線對卡和模擬發(fā)動機燃燒室兩類。

 

線對卡

 

試驗對象1為線對卡，預(yù)置線對數(shù)分別為0.5，0.8，1.0，1.7，2.0 lp/mm，其實物如圖2所示。

 

圖2 線對卡實物

 

模擬發(fā)動機燃燒室

 

試驗對象2為一臺預(yù)置脫黏和孔洞型缺陷的某型模擬發(fā)動機燃燒室，其直徑為1.4 m，殼體材料為碳纖維復(fù)合材料，燃燒室包括燃燒室殼體、絕熱層、襯層和藥柱等結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

 

圖3 發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)示意

 

1.脫黏型缺陷

 

試片結(jié)構(gòu)示意如圖4所示（圖中a為一系列正密度缺陷的一個尺寸基數(shù)，b為一系列正密度缺陷的厚度），脫黏型缺陷設(shè)置在發(fā)動機燃燒室絕熱層內(nèi)，共設(shè)置8個厚度等級的正密度缺陷，厚度b分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.6，1.0，1.2，2.0 mm，其中尺寸a為9 mm，試片最大寬度為60 mm。

 

圖4 試片結(jié)構(gòu)示意

 

2.孔洞型缺陷

 

孔洞型缺陷結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，在鎂合金試塊上采用加工球孔的方式模擬藥柱內(nèi)部孔洞型缺陷，其中鎂合金試塊代替藥柱，球孔的直徑分別為3，6，12，24 mm。

 

圖5 孔洞型缺陷結(jié)構(gòu)示意

 

3.試驗結(jié)果

 

1.線對卡試驗結(jié)果

 

線對卡掃描成像結(jié)果如圖6所示，圖像矩陣為4096×4096，對應(yīng)的像素尺寸為0.34 mm，空間分辨率達到1.0 lp/mm，即當(dāng)前試驗條件所能達到的極限指標（當(dāng)像素尺寸為0.68 mm時，空間分辨率達到0.8 lp/mm；像素尺寸為0.34 mm時，空間分辨率達到1.0 lp/mm；像素尺寸為0.17 mm時，空間分辨率仍為1.0 lp/mm）。

 

圖6 線對卡掃描成像結(jié)果

 

CT系統(tǒng)極限分辨率可表示為1/Bw，Bw可表示為：

 

式中：b為探測器單元尺寸；a為射線源焦點尺寸；k為幾何放大比。

 

根據(jù)上式計算出Bw約為0.6，極限空間分辨率約為1.6 lp/mm，此時像素尺寸約為0.3 mm，但線對卡中沒有1.6 lp/mm的結(jié)構(gòu)，優(yōu)于該分辨率的為1.7 lp/mm。

 

從線對卡測試圖像中可知1.0 lp/mm清晰可見；1.7 lp/mm接近可顯示，但不能作為最終指標，繼續(xù)增大重建圖像時（像素尺寸為0.17 mm），分辨率沒有明顯變化。因此在當(dāng)前試驗條件下，CT系統(tǒng)能達到的極限分辨率為1.0 lp/mm。

 

2.脫黏型缺陷試驗結(jié)果

 

厚度為0.4 mm的脫黏缺陷重建結(jié)果如圖7所示，可知最小可檢出厚度為0.4 mm的脫黏缺陷。

 

圖7 厚度為0.4 mm的脫黏缺陷重建結(jié)果

 

缺陷檢出能力由CT圖像空間分辨率決定，空間分辨率受CT掃描系統(tǒng)和重建圖像像素尺寸的影響。缺陷的實際尺寸可由重建圖像直接計算得到（圖像單個像素尺寸× 缺陷像素個數(shù)），當(dāng)缺陷尺寸小于像素尺寸時，缺陷將無法成像。

 

此次試驗中，當(dāng)重建圖像矩陣為2048×2048時，能檢出大于像素尺寸的缺陷，即厚度為1.2 mm和2.0 mm的脫黏缺陷，此時像素尺寸為0.68 mm。當(dāng)重建圖像矩陣設(shè)置為4096×4096時，能檢出厚度為0.4 mm和0.6 mm的脫黏缺陷，對應(yīng)像素尺寸為0.34 mm。受整個CT系統(tǒng)空間分辨率限制，當(dāng)圖像矩陣進一步增大時，分辨率不再提升。

 

3.孔洞型缺陷試驗結(jié)果

 

孔洞缺陷重建結(jié)果如圖8所示，可知孔洞缺陷無法檢出。根據(jù)CT圖像重建理論，當(dāng)射線與檢測對象缺陷結(jié)構(gòu)相切時，該結(jié)構(gòu)與射線相切的地方便能夠重建出來。

 

圖8 孔洞缺陷重建結(jié)果

 

理論上對孔洞缺陷進行360°掃描，使得孔洞結(jié)構(gòu)任意位置均存在射線與之相切，便可完整地成像出整個孔洞。受直線掃描方式約束和加速器張角限制，試驗中掃描孔洞缺陷時，射線僅與孔洞圓心角20°左右的圓周相切，導(dǎo)致缺陷難以在圖像中顯示出來。因此，當(dāng)前掃描模式下無法檢測孔洞型型缺陷。

 

結(jié)語

 

有限角CT檢測技術(shù)可應(yīng)用于檢測固體火箭發(fā)動機脫黏類缺陷，無需發(fā)動機高精度旋轉(zhuǎn)即可對發(fā)動機殼體附近局部區(qū)域進行CT成像。以上試驗中，局部CT技術(shù)對平行于射線源方向的脫黏、分層型缺陷較為敏感，最小可檢出厚度為0.4 mm的脫黏缺陷，但對垂直于射線源方向的裂紋型缺陷以及孔洞型缺陷的檢測結(jié)果不理想。

 

作者：楊明，李雨桐，張煜東，王新宇，陳鵬，王娜，唐茜

 

工作單位：中國人民解放軍96962部隊

 

第一作者簡介：楊明，工程師，主要研究方向為固體火箭發(fā)動機無損檢測。

 

來源：《無損檢測》2025年3期