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[新启航]发动机喷管推进剂输送孔光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

news 2025/9/23 9:01:24

一、引言

发动机喷管推进剂输送孔（直径 1-4mm，长径比 8-25，多呈斜向分布，倾角 10°-25°）是推进剂供给的关键通道，孔深偏差＞2.5μm 或内壁粗糙度超 1.2μm 会导致流量不均，影响喷管推力稳定性。传统检测依赖射线成像与接触式测头，前者孔深测量误差＞4μm，无法量化轮廓细节，后者受斜向孔道限制易卡滞，且划伤孔壁风险达 30%。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借斜向适配与亚微米精度优势，突破输送孔检测的路径与精度瓶颈，为发动机喷管质量管控提供可靠方案。

二、检测原理与斜向适配系统设计

（一）核心检测原理

依托激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 的光频基准特性，将输送孔深与轮廓测量转化为斜向光程差的精准解析。锁模飞秒脉冲经分束器形成探测光与参考光，探测光通过可调角度探头聚焦于孔壁，随斜向轨迹扫描产生光程变化，反射光与参考光在平衡探测器形成干涉信号。依据v_N = Nf_{\text{rep}} + f_{\text{ceo}}频率公式提取相位信息，结合斜向坐标解算重构 3D 轮廓，孔深测量精度达 0.07μm 量级。

（二）斜向专用系统构建

系统采用中心波长 1064nm 飞秒激光频率梳（重复频率 220MHz），搭配直径 1.5mm 的可调角光纤探头（倾角调节范围 0°-30°），适配斜向输送孔检测。通过四轴联动平台驱动实现 0.04mm 步距的斜向扫描（线速度 1mm/s），结合 6 通道高速数据采集卡（采样率 5GS/s），单孔检测耗时≤35s。针对钛合金（TC4）孔壁特性，增设 10nm 带宽滤光片与增透膜，信噪比提升 42%。

三、输送孔检测的关键技术突破

（一）斜向轨迹适配与遮挡消除

开发斜向孔道参数识别算法，通过预扫描获取倾角、走向数据，实时调整探头入射角度（精度 ±0.1°），消除孔口与孔底遮挡。结合非球面聚光镜组，将光斑直径压缩至 12μm，在长径比 25 的 Φ1.5mm 斜向孔（倾角 20°）检测中，孔壁数据完整度达 99.3%，无扫描盲区。

（二）斜向误差动态补偿

研发角度 - 频率联动校准模块，实时修正f_{\text{rep}}与f_{\text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜0.7ms），抵消四轴运动误差与 ±2.5℃温度波动影响。实验显示，补偿后孔深测量重复性误差从 0.4μm 降至 0.11μm，轮廓分辨率达 0.2μm。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准斜向量规（孔深偏差 ±0.1μm）校准，系统孔深测量误差≤±0.21μm，可清晰识别电火花加工的微米级纹路（深度 0.8μm）。与高精度三坐标测量机对比，检测一致性达 99.4%，效率较传统方法提升 7 倍。

（二）实际应用案例

在某型液体发动机喷管输送孔（Φ2mm，长 40mm，倾角 15°）检测中，成功检出 0.22μm 的孔深锥度偏差与 1.0μm 的内壁凸起，检测结果通过推进剂流量试验验证。在批量检测中，该技术实现 100% 孔道筛查，误判率控制在 0.15% 以下，较射线检测降低 85%。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.Hänsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。