曹付齊,李小換,劉志成,李彥麗,韻 勝

(1.中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009; 2.空軍駐包頭地區(qū)軍代室,內蒙古 呼和浩特 010010; 3.航天科工六院46所,內蒙古 呼和浩特 010010)

1 引 言

固體火箭發(fā)動機裝備部隊后面臨的一個重要問題是其貯存壽命問題。推進劑裝藥的壽命很大程度上決定著發(fā)動機的壽命,研究發(fā)動機中推進劑裝藥的性能隨環(huán)境條件及時間變化的規(guī)律十分重要。

近幾十年來,國內外研究者大多將精力集中在推進劑高溫加速老化方面[1-8]。主要包括推進劑方坯高溫加速老化試驗、推進劑試樣定應力或定應變[9-10]高溫加速老化試驗以及發(fā)動機整機加速老化試驗。推進劑方坯高溫加速老化試驗及發(fā)動機整機加速老化試驗都是通過提高老化溫度快速、經濟地研究推進劑性能的變化規(guī)律,推進劑老化的機理主要是化學老化(后固化、高聚物斷鏈、氧化交聯(lián))。推進劑試樣定應力或定應變高溫加速老化試驗主要是研究應力/應變對推進劑老化速率的影響,研究的結果表明應力/應變能夠加快推進劑的老化速率,相當于降低了推進劑老化的表觀活化能。

但是,對于小型戰(zhàn)術導彈尤其是空空導彈發(fā)動機,由于其使用溫度范圍寬廣(-55～+71 ℃),在導彈的服役期內有在低溫下長期存放的環(huán)境任務剖面,貯存溫度普遍低于發(fā)動機裝藥零應力溫度[11],發(fā)動機中裝藥長期處于應力/應變狀態(tài)下,易受累積損傷,影響發(fā)動機的壽命,其損傷的機理為應力/應變帶來的物理損傷[12]。對于應力/應變引起的物理老化損傷對推進劑性能影響的研究國內外鮮有報道。為此,本研究以探索物理損傷對發(fā)動機中裝藥壽命影響為目的,開展了不同應變水平的結構試驗器裝藥低溫加速老化試驗,選用單軸拉伸條件下推進劑最大拉伸強度σm和最大伸長率εm作為老化特征參數(shù),研究了推進劑在應力/應變作用下長期低溫存放的老化性能,以期為發(fā)動機設計全面考慮低溫存放對壽命的影響提供參考。

2 實驗部分

2.1 結構試驗器及裝藥主要參數(shù)

結構試驗器采用金屬圓管殼體,外徑150 mm,殼體厚度2 mm,長度300 mm。裝藥采用丁羥三組元推進劑,總固體含量為88%,鋁粉含量18%,甲苯二異氫酸酯(TDI)固化體系。裝藥采用貼壁澆注型式,藥柱通過側面包覆層和殼體粘接在一起,包覆層厚度2 mm。藥型為圓管形,通過調節(jié)圓管直徑,可得到應變分別為6%、9%、12%和15%的四種結構試驗器。表1給出了四種不同應變的結構試驗器主要參數(shù)。

2.2 結構試驗器貯存及取樣條件

結構試驗器裝藥正常固化條件為70 ℃下7 d,為了消除后固化帶來的影響,本研究的結構試驗器在70 ℃下固化15 d。

為防止貯存過程中藥柱吸濕,結構試驗器放入低溫老化試驗箱前采用鋁塑薄膜進行密封。

將四種應變的結構試驗器各5個放入溫度為-28 ℃的低溫老化試驗箱中,按預定的取樣時間點(應變?yōu)?%和9%的取樣時間為1周、6周、11周、15周、19周,應變?yōu)?2%和15%的取樣時間為1周、4周、8周、14周、19周)定期取出結構試驗器,在室溫下放置20～24 h自然恢復到接近常溫狀態(tài)。采用專用的解剖工具將結構試驗器中藥柱取出,在切藥機上將藥柱切制成標準啞鈴型試件,在INSTRON 5567S(美國英斯特朗公司,測試溫度范圍-70～300 ℃)拉伸試驗機上進行推進劑σm和εm測試。啞鈴型試件從切制完成到保溫直至完成最后性能測試時間控制在2～8 h之內。動態(tài)力學分析測試試樣取自于老化后的藥柱。

表1 不同結構試驗器參數(shù)Table 1 Parameters of different test chamber

2.3 測試條件

單向拉伸力學性能測試參照GJB770B-2005 火藥試驗方法中 “413.1最大抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率和斷裂伸長率 單向拉伸法”[13]執(zhí)行,測試條件有兩種:

常溫正常拉伸:拉伸速度100 mm·min-1,測試溫度(23±2) ℃;

低溫快速拉伸:拉伸速度500 mm·min-1,測試溫度(-55±2) ℃。

動態(tài)力學分析(DMA)實驗采用Q800DMA動態(tài)熱機械分析儀,采用雙懸臂夾具,多頻-應變模式,頻率1 Hz,振幅20 μm,測試溫度范圍-100～80 ℃,升溫速率為3 ℃·min-1。

為了減少測試誤差,嚴格控制測試條件,溫度波動±2 ℃; 為了減少樣品差異,所有的結構試驗器裝藥采用同鍋裝藥。

3 結果與討論

3.1 常溫正常拉伸測試結果

-28 ℃下將應變?yōu)?%和9%的結構試驗器貯存1周、6周、11周、15周、19周,將應變?yōu)?2%和15%的結構試驗器貯存1周、4周、8周、14周、19周后,從低溫箱中取出結構試驗器,在室溫下放置20～24 h自然恢復到接近常溫狀態(tài),將結構試驗器中推進劑取出并制成標準啞鈴狀試樣,在常溫正常拉伸條件下對每個取樣點的試樣進行拉伸測試,得到推進劑σm與εm隨時間變化趨勢,結果如圖1所示。

a.maximum tensile strength(σm)

b.maximum elongation(εm)

圖1 推進劑常溫(23 ℃)正常拉伸試驗結果
Fig.1 Normal tensile test results of propellant at 23 ℃ with stretching rate of 100 mm·min-1

由圖1a可以看出,推進劑在-28 ℃下經過19周的貯存,在常溫正常拉伸測試條件下,四種結構試驗器中推進劑σm隨貯存老化時間的延長整體上呈增大的趨勢,結構試驗器的應變越大,σm增加越明顯。在老化前期(0～11周),σm增幅明顯,后期(11～19周)基本達到平衡。四種結構試驗器經過19周低溫貯存后,推進劑常溫σm都有所增加,其中15%應變的結構試驗器經過19周低溫貯存后,推進劑σm(0.96 MPa)與其初始值(0.74 MPa)相比增加了近30%。

由圖1b可以看出,εm隨著貯存老化時間的延長無明顯的變化規(guī)律,基本上在初始值附近波動。

在常溫正常拉伸測試條件下推進劑σm和εm之所以呈現(xiàn)出圖1的變化趨勢,可能與推進劑高聚物網(wǎng)絡結構有關。低溫導致推進劑內部高聚物網(wǎng)絡結構收縮并被逐漸凍結,網(wǎng)絡剛性增加,網(wǎng)絡中鏈段運動受阻。應變越大,網(wǎng)絡結構內聚應力越大,網(wǎng)絡中鏈段運動越困難,網(wǎng)絡剛性越大,宏觀上表現(xiàn)為σm增加。但是,在常溫正常拉伸測試條件下,結構試驗器裝藥從低溫箱中取出至慢慢恢復到自然溫度期間歷經20～24 h,在此期間,被凍結的網(wǎng)絡結構慢慢恢復了彈性,因此,εm變化不明顯。

3.2 低溫快速拉伸測試結果

圖2為四種應變的結構試驗器-28 ℃低溫貯存后,低溫快速拉伸條件下每個取樣點推進劑σm和εm的測試結果。

a.σm

b.εm

圖2 推進劑低溫(-55±2) ℃快速拉伸試驗結果
Fig.2 Fast tensile test results of propellant at (-55±2) ℃with stretching rate of 500 mm·min-1

由圖2a可以看出,低溫快速拉伸測試條件下,結構試驗器在-28 ℃下經過不同時間的貯存,在老化前期(0～8周),小應變水平(6%、9%)的結構試驗器中推進劑σm略有增加,大應變水平(12%、15%)的結構試驗器中推進劑σm有所降低; 在老化后期(8～19周),四種應變水平的結構試驗器中推進劑σm均明顯升高,其中15%應變的結構試驗器經過19周低溫老化后,σm(4.18 MPa)與初始值(3.77 MPa)相比增加了約11%。

由圖2b可以看出,低溫快速拉伸測試條件下,結構試驗器在-28 ℃下經過不同時間的貯存,四種應變水平的結構試驗器中推進劑εm在老化前期(0～8周)均有所上升,老化后期(8～19周)均明顯下降。從老化終點(19周)的數(shù)據(jù)可以看出,應變水平越大,εm下降幅度越大,-28 ℃下貯存19周,15%應變試驗器中推進劑εm下降到26.8%,與初始值(37.6%)相比下降了近29%。

在低溫快速拉伸測試條件下推進劑σm和εm之所以呈現(xiàn)出圖2的變化趨勢,除了與前述的推進劑高聚物網(wǎng)絡結構有關外,可能還與推進劑中固體顆粒與粘合劑界面“脫濕”損傷有關。低溫下固體顆粒和粘合劑各自向內部收縮,導致兩相界面出現(xiàn)拉應力,拉應力隨著時間的增加逐漸累積,會導致兩相界面疲勞損傷進而出現(xiàn)界面“脫濕”。在低溫快速拉伸測試條件下,推進劑相當于經歷了低溫(-28 ℃)→常溫(+23 ℃)→低溫(-55 ℃)的溫度循環(huán)過程,在-55 ℃下高聚物網(wǎng)絡結構內聚損傷和界面損傷兩種機理同時顯現(xiàn)出來。老化前期(0～8周),在小應變水平(6%、9%)下,“脫濕”不嚴重,網(wǎng)絡內聚損傷起主導作用,宏觀上表現(xiàn)為σm比初始強度略有增加; 在大應變水平(12%、15%)下,“脫濕”對力學性能的影響程度已經超過網(wǎng)絡內聚損傷,宏觀上表現(xiàn)為σm比初始強度略有降低。老化后期(8～19周),“脫濕”發(fā)展到一定程度可能趨于平衡,起主導作用的是網(wǎng)絡的剛性及鏈段的運動能力等內聚損傷,隨著時間延長和應變水平的增加,內聚損傷逐漸累積,網(wǎng)絡剛性越來越大,宏觀上表現(xiàn)為σm均明顯升高,εm均明顯下降。

3.3 動態(tài)力學分析(DMA)測試

DMA技術研究固體推進劑老化性能是近年來較為引人注意的方法。在DMA中,力學損耗角tanδ(或損耗因子)能把材料內所發(fā)生的各種分子運動敏感地表示出來,力學損耗角正切值反映了力學損耗的大小。

如前所述,應變水平為15%的結構試驗器中推進劑損傷應該是最為嚴重的,所以我們選擇其為主要分析對象。圖3為應變水平為15%的結構試驗器中推進劑損耗因子隨溫度變化的曲線。

從圖3可以看出,從總體趨勢看,損耗因子在較高溫度區(qū)間(0 ℃以上區(qū)域)有兩個特點:一是貯存老化后損耗因子降低; 二是貯存時間越長,總體上的趨勢是損耗因子降低越多。原因可能有兩點:其一,經過低溫貯存后的藥柱,在從低溫恢復至常溫過程中,存在鏈段之間的相對滑動,鏈段相對滑動所需克服的摩擦力會轉變成熱能而消耗掉,所以損耗因子會降低。其二,低溫貯存時間越長,鏈段之間相對滑動越來越困難,由于摩擦而損耗掉的熱能越來越多,所以損耗因子降低越多。表明推進劑內部確實已經發(fā)生了損傷,而且貯存時間越長,損傷越嚴重。

圖3 15%應變試驗器損耗因子隨溫度變化曲線
Fig.3 Change of loss factor with temperature for 15% strain structural tester

鑒于國內外開展推進劑低溫應力/應變老化試驗研究較少和推進劑低溫老化機理的復雜性,本文提出的低溫老化機理尚需要進一步驗證。

4 結 論

(1)常溫正常拉伸條件下推進劑σm隨貯存老化時間的延長整體上呈增大的趨勢,結構試驗器中的推進劑應變越大,σm增加越明顯。其中15%應變的結構試驗器經過19周低溫老化后,σm(0.96 MPa)與初始值(0.74 MPa)相比增加了近30%,εm基本上是在初始值附近波動。

(2)低溫快速拉伸條件下,老化前期小應變水平下推進劑σm比初始強度略有增加,大應變(12%、15%)水平下σm比初始強度略有降低; 老化后期各種應變水平下σm均明顯升高;εm均明顯下降。15%應變的結構試驗器經過19周低溫老化后,σm(4.18 MPa)與初始值(3.77 MPa)相比增加了約11%,εm降低近29%。

(3)初步分析表明,推進劑低溫老化機理可能是應力/應變作用下的物理損傷,包括網(wǎng)絡內聚損傷和固體顆粒與粘合劑界面“脫濕”。

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