王虎干

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

0 引言

隨著世界軍事科技的發(fā)展,導(dǎo)彈性能不斷提高,對固體火箭發(fā)動機性能的要求越來越高。如何在提高發(fā)動機性能的同時保證其安全裕度,一直是固體火箭發(fā)動機行業(yè)致力解決的問題。對于空空導(dǎo)彈,由于其任務(wù)復(fù)雜,使用環(huán)境惡劣,考慮到空空導(dǎo)彈的機載發(fā)射方式,必須避免因發(fā)動機工作異常而引發(fā)的事故,因此對發(fā)動機裝藥的結(jié)構(gòu)完整性要求更加嚴(yán)格,尤其在低溫條件下。

在發(fā)動機點火時,建壓時間通常僅有幾十毫秒,而固體推進劑在高應(yīng)變速率與低應(yīng)變速率下的力學(xué)性能差異較大,為構(gòu)建更加接近發(fā)動機點火狀態(tài)下推進劑的本構(gòu)關(guān)系,國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的試驗和理論研究。AIM120空空導(dǎo)彈發(fā)動機在20世紀(jì)90年代進行壽命評估時,開展了固體推進劑一系列的力學(xué)性能試驗,其中在3.45 MPa環(huán)境壓力下,進行了拉伸速率為2 540 mm/min的單軸拉伸試驗[1]。Ho等[2-3]利用霍普金森桿的撞擊試驗研究了固體推進劑在應(yīng)變速率高達(dá)103s-1到104s-1時的力學(xué)響應(yīng),并引進一個應(yīng)力軟化函數(shù)描述固體推進劑在高應(yīng)變速率載荷下的損傷。盧洪義[4]對固體推進劑電弧點火延遲時間進行了仿真研究，Chyuan[5]利用有限元方法研究了發(fā)動機點火條件下裝藥的斷裂行為,指出發(fā)動機點火壓力作用下裂紋的擴展過程與準(zhǔn)靜態(tài)有明顯區(qū)別,且裂紋的擴展速度是主要影響因素。Nevière等[6]采用冷流加壓模擬發(fā)動機低溫點火過程,對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機低溫工作時裂紋的形成、擴展進行了試驗研究。國內(nèi)對高應(yīng)變速率下固體推進劑的力學(xué)性能也開展了大量的研究工作。南京理工大學(xué)[7-9]利用分離式霍普金森桿對固體推進劑在沖擊載荷下的力學(xué)特性及裂紋擴展進行了研究。第二炮兵工程大學(xué)[10-12]開展了固體推進劑低溫條件下的單軸拉伸試驗研究,低溫最低至-40 ℃。

文中為研究空空導(dǎo)彈發(fā)動機低溫點火條件下固體推進劑的力學(xué)性能,開展了-50 ℃低溫,不同拉伸速率條件下的拉伸試驗,并對固體推進劑力學(xué)性能與裝藥結(jié)構(gòu)完整的相關(guān)性進行了分析。

1 試驗材料及方法

文中所研究的HTPB推進劑固體顆粒(AP/Al)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%。試件的有效尺寸為15 mm×5 mm×5 mm。試件采用環(huán)氧樹脂膠固定在夾頭上,如圖1所示。試驗前將推進劑試驗件放置在溫箱中,在-50 ℃下保溫1 h,然后分別進行拉伸應(yīng)變速率為0.05%·s-1、12% ·s-1和100%·s-1的拉伸試驗。為考慮發(fā)動機裝藥內(nèi)表面在低溫載荷下的損傷對點火時推進劑力學(xué)性能的影響,開展了快慢組合拉伸試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 固體推進劑低溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖2為固體推進劑在-50℃環(huán)境下,應(yīng)變速率為0.05%·s-1時的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2可以看出,當(dāng)拉伸速率較低時,推進劑的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合文獻(xiàn)[13]中所述的3個階段。即第一階段:推進劑無損傷,顆粒周圍真空孔數(shù)量很低,或者為零,該部分應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似表現(xiàn)為線性。第二階段:隨著載荷的繼續(xù)增大,發(fā)生脫濕損傷的顆粒逐漸增多,顆粒周圍真空孔的數(shù)量增加,并逐漸達(dá)到最大值。第三階段:隨著顆粒脫濕損傷繼續(xù)演化,前一階段形成的真空孔不斷增大,損傷不斷聚合并伴隨著推進劑基體材料的損傷,最后導(dǎo)致推進劑斷裂失效。

圖3和圖4分別為固體推進劑在-50℃環(huán)境下,應(yīng)變速率為12%·s-1和100%·s-1時的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

從圖3可以看出,當(dāng)應(yīng)變速率為12%·s-1時,與文獻(xiàn)[13]中所述的3個階段已不太符合,即在應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段后有了明顯的屈服,在屈服點過后,推進劑應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而繼續(xù)增大。該現(xiàn)象在應(yīng)變速率為100%·s-1時進一步放大,如圖4所示。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[10]中所描述的一致,即推進劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象,溫度越低、應(yīng)變率越高該現(xiàn)象越明顯,曲線特性明顯區(qū)別于緩慢加載時的情況。

從圖4可以看出,在A區(qū)域達(dá)到第一個峰點。在A區(qū)域之前,推進劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性分布,在A區(qū)域至B區(qū)域之間,推進劑拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而明顯下降,隨后在C區(qū)域形成第二個峰點,即最大延伸率的位置。綜合圖2～圖4可知,固體推進劑在低溫-50℃環(huán)境下,低應(yīng)變速率和高應(yīng)變速率時推進劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯不同,說明其損傷模式有明顯區(qū)別。在低應(yīng)變速率固體推進劑的損傷主要以脫濕損傷為主,當(dāng)損傷達(dá)到一定程度后伴隨基體的斷裂形成宏觀裂紋[14-15]。在高應(yīng)變速率下,低溫和高應(yīng)變速率的耦合作用使得推進劑的損傷更加復(fù)雜,是顆粒脫濕損傷,基體斷裂和顆粒直接開裂3種損傷形式的綜合作用[10],其損傷機理仍有待進一步研究。

2.2 模擬低溫點火推進劑快慢組合拉伸試驗分析

整體來看,推進劑在應(yīng)變速率為100%·s-1時的最大延伸率仍在50%以上。那么在評估發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性時就會存在疑問：仍采用推進劑的最大延伸率作為失效判據(jù)是否仍然合適,發(fā)動機裝藥在點火工況下發(fā)生斷裂失效是否會發(fā)生在圖4中A區(qū)域附近。考慮到發(fā)動機在低溫下裝藥的內(nèi)表面變形,在點火前裝藥已產(chǎn)生一定程度的損傷,為研究該損傷對推進劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響,開展了固體推進劑快慢組合拉伸試驗。以應(yīng)變速率為0.05%·s-1將推進劑試驗件拉伸至12%的應(yīng)變水平,模擬溫度載荷下推進劑的變形,在此基礎(chǔ)上,對試驗件再以100% ·s-1的應(yīng)變速率進行拉伸,模擬發(fā)動機點火建壓過程裝藥內(nèi)表面的變形,試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,4個試驗件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一致性較好。在高應(yīng)變速率段,曲線并沒有出現(xiàn)類似圖4中所示的雙峰現(xiàn)象,而是在線性段后直接發(fā)生斷裂。在單應(yīng)變速率快速拉伸情況下,固體推進劑在圖4中A區(qū)域附近應(yīng)力下降明顯,說明在該區(qū)域推進劑有明顯的損傷,但尚未形成宏觀裂紋。在快慢組合拉伸試驗中,慢速拉伸過程中會形成一定程度的初始損傷,兩種損傷累積后超過了推進劑的承載極限,最終導(dǎo)致推進劑在圖4中A區(qū)域附近直接發(fā)生斷裂。統(tǒng)計圖5中的最大延伸率,如表1所示。表1中的延伸率增量指的是快慢組合拉伸試驗中由高應(yīng)變速率部分引起的應(yīng)變。

表1 圖5中各曲線延伸率結(jié)果

從表1可以看出,由高應(yīng)變速率引起的延伸率增量在11%左右,遠(yuǎn)低于單應(yīng)變速率作用下的最大延伸率。因此,在發(fā)動機裝藥的結(jié)構(gòu)完整性評估時,推進劑的拉伸應(yīng)變速率應(yīng)與發(fā)動機點火增壓時裝藥的內(nèi)表面應(yīng)變速率相對應(yīng),不能僅參考推進劑常規(guī)力學(xué)性能試驗測試的最大延伸率。當(dāng)固體推進劑在高應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象時,第一個峰值的位置應(yīng)重點分析。在設(shè)計固體推進劑力學(xué)性能試驗時,應(yīng)綜合考慮發(fā)動機的載荷歷程,盡量使得推進劑的力學(xué)性能試驗更加接近發(fā)動機裝藥的真實受載過程。

3 結(jié)論

1)在低溫-50 ℃下,該推進劑在低應(yīng)變速率的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合復(fù)合推進劑典型的3階段變化規(guī)律;隨著應(yīng)變速率的提高,推進劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的“雙峰”現(xiàn)象越來越明顯,與低應(yīng)變速率下的曲線有明顯差異。

2)固體推進劑的拉伸應(yīng)變速率與發(fā)動機點火增壓時裝藥內(nèi)表面的應(yīng)變速率應(yīng)盡量相匹配,當(dāng)固體推進劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象時,應(yīng)重點分析第一個峰值處的損傷對發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響。

3)在模擬發(fā)動機低溫點火條件的固體推進劑快慢組合拉伸試驗中,低應(yīng)變速率下形成的損傷累積高應(yīng)變速率下在第一個峰值附近的損傷后,使得該推進劑在高應(yīng)變速率下的延伸率增量僅為11%左右,遠(yuǎn)小于常規(guī)試驗中推進劑的最大延伸率。該試驗更接近發(fā)動機裝藥的真實載荷歷程,對發(fā)動機裝藥的結(jié)構(gòu)完整性評估有較大的參考價值。