申志彬，張 亮，職世君

(1. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073；2. 中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471000)

0 引言

固體發(fā)動機(jī)在點火增壓過程中極易因結(jié)構(gòu)完整性破壞導(dǎo)致發(fā)射或試車失敗，其中固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能是關(guān)鍵。近年來，推進(jìn)劑在常壓條件下力學(xué)性能滿足要求，而發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性破壞事故頻發(fā)，已成為困擾行業(yè)的一大難題。點火增壓過程中，固體推進(jìn)劑處于圍壓狀態(tài)(三向受壓)，但由于推進(jìn)劑的不可壓縮性，藥柱環(huán)向為拉應(yīng)變(主應(yīng)變)。固體推進(jìn)劑為典型的粘彈性材料，其力學(xué)性能與載荷和環(huán)境密切相關(guān)。推進(jìn)劑屬于壓力敏感材料，在壓力環(huán)境下，推進(jìn)劑的強(qiáng)度、延伸率以及破壞模式與常壓下差別很大[1]。因此，亟需開展圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑的力學(xué)性能研究。

針對圍壓環(huán)境下固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能，法國波爾多(DE Bordeaux)大學(xué)物理力學(xué)實驗室Traissas等[2]通過在不同溫度(-60～60 ℃)、不同拉伸(0.06～600 mm/min)和不同圍壓下(0～15 MPa)的單軸拉伸和剪切試驗，發(fā)現(xiàn)圍壓環(huán)境明顯提高了推進(jìn)劑的失效應(yīng)力和失效應(yīng)變。法國達(dá)維納(Davenas A)[3]在專著中總結(jié)了圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑的性能特點，初步分析了環(huán)境壓強(qiáng)對推進(jìn)劑性能影響的規(guī)律及原因。美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校?züpek[4]在學(xué)位論文中研究高低溫(-30～50 ℃)、不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)條件下環(huán)境壓強(qiáng)對PBAN推進(jìn)劑力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)圍壓環(huán)境對“脫濕”前推進(jìn)劑力學(xué)性能影響不大，卻嚴(yán)重影響推進(jìn)劑的破壞參數(shù)。Tunc和?züpek[5-6]研究了圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑三維粘彈性本構(gòu)模型及其實現(xiàn)方式。

國內(nèi)方面，航天科技四院何鐵山和張勁民[7]研究常溫兩種拉伸速率(100 mm/min和500 mm/min)條件下環(huán)境壓強(qiáng)對NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)NEPE 推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度、伸長率均隨環(huán)境壓強(qiáng)的增加而增大。王小英等[8]考慮寬溫(-20～70 ℃)環(huán)境的影響，研究了不同拉伸速率(2～500 mm/min)條件下環(huán)境壓強(qiáng)對NEPE 推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響。沙寶林等[9]進(jìn)行了常溫兩種拉伸速率(5.0 mm/min 和50 mm/min)下推進(jìn)劑的圍壓試驗，提出了壓力環(huán)境下含損傷推進(jìn)劑的本構(gòu)關(guān)系。南京理工大學(xué)張彬等[10]基于單軸拉伸試驗機(jī)設(shè)計了油壓圍壓試驗裝置，并對常溫下圓柱形雙基推進(jìn)劑試樣進(jìn)行不同速率(0.1～500 mm/min)下的圍壓壓縮試驗。

為解決點火增壓過程藥柱結(jié)構(gòu)完整性精細(xì)評估問題，圍壓快速拉伸條件下推進(jìn)劑力學(xué)性能準(zhǔn)確測試是關(guān)鍵，特別是-50 ℃低溫圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑的力學(xué)性能對深入研究發(fā)動機(jī)在低溫環(huán)境下的破壞模式具有重大意義。限于試驗條件，目前溫度-圍壓-快速拉伸耦合條件對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響方面的研究還較少，特別是針對目前廣泛使用的HTPB推進(jìn)劑在圍壓環(huán)境下力學(xué)性能的研究還很不充分。

針對行業(yè)難題，本文考慮發(fā)動機(jī)實際使用環(huán)境，研制了固體推進(jìn)劑寬溫-氣體圍壓試驗系統(tǒng)，獲得了推進(jìn)劑在不同圍壓環(huán)境、溫度和拉伸速率下的力學(xué)性能，可為固體發(fā)動機(jī)精細(xì)結(jié)構(gòu)完整性分析提供技術(shù)支撐。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

固體推進(jìn)劑寬溫-氣體圍壓試驗系統(tǒng)主要利用高壓氣體形成對推進(jìn)劑試樣進(jìn)行加載的圍壓環(huán)境，通過對流換熱方式對高壓氣體及推進(jìn)劑試樣進(jìn)行溫度控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)研制過程突破單軸加載模塊小型化，-50 ℃低溫密封、快速加載動密封等多項關(guān)鍵技術(shù)，可提供0～20 MPa、-80～300 ℃范圍內(nèi)的圍壓和溫度環(huán)境，單軸加載模塊最高加載速率為2000 mm/min，能夠滿足推進(jìn)劑寬溫域、圍壓和快速加載需求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，就是將特制的小型力學(xué)試驗機(jī)置于密閉的配套壓力容器中，并通過定制的專用溫箱對壓力容器進(jìn)行溫度控制，與壓力容器一起構(gòu)成推進(jìn)劑力學(xué)性能測試的寬溫-氣體圍壓試驗環(huán)境。推進(jìn)劑寬溫-氣體圍壓試驗系統(tǒng)主要包括單軸加載、圍壓環(huán)境及溫度環(huán)境三個模塊，系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實物圖

單軸加載模塊為一臺特制的小型力學(xué)試驗機(jī)，其最大載荷為1000 N，最大加載速率為2000 mm/min，最大行程為150 mm；能夠分別實現(xiàn)載荷、位移和速率控制加載。主要用于對試樣進(jìn)行單軸加載，能夠開展推進(jìn)劑松弛、蠕變、單向定速拉伸/壓縮等試驗。為克服溫度漂移對載荷傳感器精度的影響，測試前分別在使用溫度下對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圍壓環(huán)境模塊由定制的試驗機(jī)配套壓力容器、空壓機(jī)、穩(wěn)壓罐以及壓力控制和采集設(shè)備組成。使用時，先利用空壓機(jī)對穩(wěn)壓罐進(jìn)行充氣儲壓，然后通過穩(wěn)壓罐對壓力容器進(jìn)行快速增壓。

溫度環(huán)境模塊為定制的大功率專用溫箱，可對壓力容器進(jìn)行快速升降溫，提供推進(jìn)劑試驗所需要的溫度環(huán)境。該溫箱的調(diào)溫范圍為-80～300 ℃，升降溫速率為1 ℃/min，能夠確保在2 h內(nèi)完成推進(jìn)劑使用溫度范圍-50～70 ℃內(nèi)的升降溫。

2 試驗方案

低溫點火試驗是空空導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的鑒定考核試驗，發(fā)動機(jī)藥柱在低溫、高壓聯(lián)合作用下，結(jié)構(gòu)完整性承受嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中摸清固體推進(jìn)劑在使用環(huán)境下的力學(xué)性能是關(guān)鍵。隨著作戰(zhàn)環(huán)境的惡化，近年來軍方將固體發(fā)動機(jī)使用溫度拓寬到了-50 ～70 ℃。

為摸清使用環(huán)境下，推進(jìn)劑在寬溫-圍壓環(huán)境下的力學(xué)性能，對某空空導(dǎo)彈用高固體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.87)HTPB三組元復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行了高低溫、圍壓、快速加載條件下的定速拉伸試驗。為了與常壓條件下數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，試驗采用標(biāo)準(zhǔn)澆注成型推進(jìn)劑啞鈴形試樣[11]，試樣尺寸和形狀見圖3。

(a)幾何尺寸

(b)試驗件

參考《GJB770B—2005火藥試驗方法》[11]中推進(jìn)劑單向定速拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)空空導(dǎo)彈藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析特殊需求，設(shè)計寬溫-圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑單向定速拉伸試驗方案：分別考慮70(高溫)、23(常溫)、-50 ℃(低溫)三個溫度點；100、500、1000 mm/min 三個拉伸速率；考慮0(常壓0.1 MPa)、2、5、8 MPa 四種壓力環(huán)境，共進(jìn)行36組試驗，每組平行試樣4個。

3 試驗結(jié)果分析

利用所研制的推進(jìn)劑氣體圍壓試驗系統(tǒng)對推進(jìn)劑進(jìn)行了單向定速拉伸試驗，得到了不同圍壓環(huán)境、不同溫度和不同拉伸速率下推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.1 壓力與拉伸速率耦合影響

圖4給出了常溫23 ℃不同環(huán)境壓力和拉伸速率條件下的推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(a)T=23 ℃，p=0 MPa

(b)T=23 ℃，p=8 MPa

由圖4(a)可看出，常壓環(huán)境下推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的“脫濕”點[12]。隨著拉伸速率的增大，推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度σm提高；與100 mm/min拉伸速率相比，500 mm/min拉伸速率下推進(jìn)劑的延伸率變化不大，而1000 mm/min下推進(jìn)劑延伸率明顯提高。這是因為推進(jìn)劑損傷的發(fā)生不僅需要達(dá)到一定的載荷，也需要一定的時間。相比慢速拉伸，推進(jìn)劑在快速拉伸時，“損傷”發(fā)生較為滯后，使得推進(jìn)劑強(qiáng)度和延伸率均有所提高。

由圖4(b)可看出，圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的“脫濕”點。這是因為圍壓環(huán)境延緩了推進(jìn)劑真空孔穴的出現(xiàn)，抑制了顆?！懊摑瘛薄⒔档土丝昭〝?shù)量[8]。結(jié)合圖4(a)與圖4(b)，圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑強(qiáng)度提高了50%以上；100 mm/min低速拉伸條件下，推進(jìn)劑延伸率與常壓條件下差別不大，但當(dāng)拉伸速率達(dá)到1000 mm/min時，推進(jìn)劑延伸率急劇下降，下降幅度達(dá)45%左右。這與文獻(xiàn)[7-8]NEPE推進(jìn)劑在圍壓環(huán)境下強(qiáng)度和延伸率均提高的現(xiàn)象不同，可能與所使用的推進(jìn)劑固體含量較高有關(guān)，也可能與本試驗系統(tǒng)拉伸速率較高有關(guān)。

考慮到目前點火內(nèi)壓下藥柱結(jié)構(gòu)完整性主要采用延伸率判據(jù)[13]，為研究環(huán)境壓強(qiáng)和拉伸速率耦合作用對推進(jìn)劑延伸率的影響，圖5給出了常溫不同拉伸速率下環(huán)境壓強(qiáng)對推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響曲線。

(a)T=23 ℃，v=100 mm/min

(b)T=23 ℃，v=1000 mm/min

由圖5可明顯看出，不同圍壓環(huán)境下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段曲線基本相同，說明圍壓環(huán)境不影響初始模量，這與文獻(xiàn)[8]中NEPE推進(jìn)劑在圍壓環(huán)境下的性能類似。還可看出，常溫100 mm/min低速拉伸條件下，圍壓環(huán)境對推進(jìn)劑的延伸率影響不明顯；而當(dāng)拉伸速率到達(dá)1000 mm/min時，推進(jìn)劑最大延伸率由常壓下45%下降到8 MPa壓力下的24.5%，相對降低了45%。圍壓快速拉伸條件下，HTPB推進(jìn)劑延伸率下降顯著，這可能是導(dǎo)致推進(jìn)劑常壓條件下力學(xué)性能滿足要求，而點火增壓過程發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性破壞頻發(fā)的主要原因。

3.2 壓力與溫度耦合影響

推進(jìn)劑是典型的粘彈性材料，溫度也是影響其力學(xué)性能的一個重要因素。圖6給出了低溫-50 ℃不同拉伸速率下環(huán)境壓力對推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。

(a)T=-50 ℃，v=100 mm/min

(b)T=-50 ℃，v=500 mm/min

低溫點火試驗是發(fā)動機(jī)最嚴(yán)酷的使用工況。低溫條件下，推進(jìn)劑變硬。由圖6可看出，-50 ℃條件下，推進(jìn)劑強(qiáng)度提高，100 mm/min拉伸速率下推進(jìn)劑延伸率略高，但隨著拉伸速率的提高，推進(jìn)劑延伸率急速下降。-50 ℃圍壓環(huán)境下，100 mm/min拉伸速率下推進(jìn)劑延伸率都出現(xiàn)了明顯下降；當(dāng)拉伸速率達(dá)到500 mm/min時，推進(jìn)劑延伸率隨環(huán)境壓力的升高急劇下降，推進(jìn)劑最大延伸率由常壓下的33.5%降至8 MPa圍壓環(huán)境下的10.5%，降幅達(dá)67%。這種高壓強(qiáng)、高應(yīng)變速率導(dǎo)致的推進(jìn)劑延伸率的急劇下降可能是導(dǎo)致低溫點火試驗藥柱結(jié)構(gòu)完整性破壞的重要原因。

4 結(jié)論

通過對某高固體含量的HTPB三組元復(fù)合推進(jìn)劑在不同溫度、加載速度、環(huán)境壓力下的單向定速拉伸力學(xué)性能研究，可得到如下結(jié)論：

(1)所研制的固體推進(jìn)劑寬溫-氣體圍壓試驗系統(tǒng)能夠滿足推進(jìn)劑在不同溫度、壓力和拉伸速率下的力學(xué)性能測試需求，為藥柱精細(xì)結(jié)構(gòu)完整性評估提供數(shù)據(jù)支持。

(2)與常壓不同，圍壓環(huán)境抑制了推進(jìn)劑損傷的發(fā)生，圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的“脫濕點”。

(3)圍壓環(huán)境提高了推進(jìn)劑的強(qiáng)度，低速拉伸條件下推進(jìn)劑延伸率變化不大，高速拉伸條件下推進(jìn)劑延伸率下降明顯。與常壓條件相比，23 ℃常溫、8 MPa圍壓、1000 mm/min拉伸速率條件下，推進(jìn)劑最大延伸率相對降低了45%。

(4)低溫快速拉伸條件下推進(jìn)劑力學(xué)性能最為惡劣。-50 ℃低溫、8 MPa圍壓、500 mm/min拉伸速率條件下，推進(jìn)劑最大延伸率降至11%，相比常壓降幅達(dá)67%，這可能是造成低溫點火試驗過程藥柱結(jié)構(gòu)完整性破壞的主要原因。