李小換，曹付齊，沈欣，李彥麗，韻勝

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍代室，河南 洛陽 471009；3.航天科工六院46所，呼和浩特 010010）

裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)和低溫老化試驗(yàn)研究

李小換1，曹付齊1，沈欣2，李彥麗3，韻勝3

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍代室，河南 洛陽 471009；3.航天科工六院46所，呼和浩特 010010）

目的 探索固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥低溫老化試驗(yàn)方法和機(jī)理，為固體發(fā)動機(jī)壽命預(yù)測和延壽提供支撐。方法 設(shè)計(jì)方便取樣測試的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，通過仿真計(jì)算確定具有一定應(yīng)變水平的裝藥內(nèi)孔尺寸，開展-10 ℃和-35 ℃低溫老化試驗(yàn)。老化后首先對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器進(jìn)行無損檢測，再取出藥柱制取推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行常溫和低溫快速拉伸力學(xué)性能測試。結(jié)果 設(shè)計(jì)完成三段連接式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，既不破壞藥柱所承受的應(yīng)力載荷，又保證取樣方便、安全。無損探傷表明，經(jīng)過低溫長期貯存的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱沒有產(chǎn)生裂紋和脫粘現(xiàn)象。推進(jìn)劑的常溫力學(xué)性能無明顯變化，低溫的最大抗拉強(qiáng)度有所升高，最大伸長率降低明顯，-10 ℃和-35 ℃低溫老化試驗(yàn)后，最大伸長率分別降低了24%和40%。結(jié)論 推進(jìn)劑內(nèi)部產(chǎn)生了微損傷，承受低溫快速應(yīng)變（對應(yīng)低溫點(diǎn)火沖擊狀態(tài)）能力下降明顯，應(yīng)引起高度關(guān)注。

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器；推進(jìn)劑；低溫老化

固體火箭發(fā)動機(jī)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的主要動力裝置，它的貯存壽命和可靠性是影響整個武器系統(tǒng)壽命的重要指標(biāo)[1—5]。準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)動機(jī)的壽命既可以確保導(dǎo)彈有預(yù)期的打擊能力和威懾力量，又可以避免導(dǎo)彈提前退役帶來的過重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和浪費(fèi)。研究表明，發(fā)動機(jī)中推進(jìn)劑藥柱的壽命是發(fā)動機(jī)壽命的薄弱環(huán)節(jié)[6—7]。

目前，國內(nèi)外普遍采用高溫加速老化的方法預(yù)估推進(jìn)劑乃至發(fā)動機(jī)的壽命[8—9]，而戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尤其是空空導(dǎo)彈的服役溫度范圍較寬（-55～+70 ℃）[10]，因此，研究和探索固體火箭發(fā)動機(jī)中推進(jìn)劑藥柱在低溫貯存環(huán)境下性能的變化趨勢顯得十分必要。文中設(shè)計(jì)了一種用于低溫老化，具有與某真實(shí)發(fā)動機(jī)應(yīng)變水平一致的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，并開展了兩種溫度的低溫老化試驗(yàn)，初步探索了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器中推進(jìn)劑的低溫老化問題。

1 裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)

低溫老化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器具備以下幾個特點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器在老化結(jié)束后能夠完整地取出推進(jìn)劑藥柱，并制取試樣進(jìn)行性能測試。取樣方式對于試驗(yàn)結(jié)果的評定尤為重要，本研究主要從結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器殼體設(shè)計(jì)入手，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐和驗(yàn)證，確定了三段連接式（即頭部和尾部各一段，中間一段）殼體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。此方法既不破壞藥柱所承受的應(yīng)力載荷，將頭、尾兩段去除后又可以方便、安全地取出中間段藥柱用于制取試樣測試推進(jìn)劑性能，取樣后如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器殼體

圖2 取樣得到的藥柱

2）能夠盡可能地模擬真實(shí)發(fā)動機(jī)的裝藥情況。

3）本結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器前、后兩端設(shè)計(jì)了人工脫粘層，發(fā)動機(jī)殼體采用某發(fā)動機(jī)用包覆層進(jìn)行包覆，并對包覆后的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器按照某發(fā)動機(jī)裝藥工藝進(jìn)行裝藥，保證結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器裝藥所用材料和工藝與真實(shí)發(fā)動機(jī)一致，提高低溫老化試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

4）能夠模擬推進(jìn)劑藥柱在真實(shí)發(fā)動機(jī)中的應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)。該研究中結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱的應(yīng)力/應(yīng)變水平通過藥柱內(nèi)孔尺寸控制，而內(nèi)孔尺寸通過對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器進(jìn)行三維有限元分析確定，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器的有限元模型如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)器三維有限元計(jì)算模型

文中選定的低溫老化試驗(yàn)溫度分別為-10 ℃和-35 ℃，通過三維有限元分析得到在兩個溫度下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器應(yīng)力如圖4所示。未老化時，-10 ℃和-35 ℃兩個溫度下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱最大應(yīng)變分別為9.65%和12.4%，與真實(shí)發(fā)動機(jī)中應(yīng)變水平一致。

圖4 不同溫度下結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱應(yīng)力

2 試驗(yàn)

2.1 推進(jìn)劑配方組成

研究中的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器所用推進(jìn)劑為丁羥推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 87.5%，其中鋁粉為18.5%，高氯酸銨為 69%，HTPB/TDI粘合劑體系及增塑劑含量為12.5%。

2.2 方法

采用上述配方進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器裝藥，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器在放入低溫老化試驗(yàn)箱前，為了防止貯存試驗(yàn)過程中藥柱吸濕，對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器整體進(jìn)行抽空密封。

1）低溫老化試驗(yàn)。選取結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，分別在-10 ℃和-35 ℃溫度下進(jìn)行低溫老化試驗(yàn)，按表1規(guī)定的取樣時間點(diǎn)取出結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器。

表1 取樣時間點(diǎn)

2）無損檢測。按表 1規(guī)定的取樣時間點(diǎn)定期取出結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器進(jìn)行超聲波探傷和 CT探傷。用于探傷檢測的儀器有工業(yè)CT和超聲波檢測儀，工業(yè)CT探傷主要檢測藥柱內(nèi)部是否出現(xiàn)裂紋，采用的儀器型號為MG450，電壓為440 kV，電流為8 mA。超聲波探傷主要檢測界面是否脫粘，采用的儀器為CTS-9009型輕便式數(shù)字超聲波檢測儀，檢測探頭型號為2.5Z20N，探傷靈敏度為68 dB，頻帶為2～15 MHz，掃描深度為50 mm。檢測面為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器殼體與包覆層界面，檢測方法為透射法。

3）力學(xué)性能測試。力學(xué)性能試樣由結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器中取出的藥柱制得，試樣選定為GJB 770B—2005方法413.1中的B型，在INSTRON 5567拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測試條件有常溫測試和低溫快速拉伸測試兩種，其拉伸速度分別為100，500 mm/min，測試溫度分別為（23±2）℃，（-55±2）℃

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 無損探傷結(jié)果

經(jīng)過不同時間低溫貯存后的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器經(jīng)外觀檢查、超聲波和CT探傷，藥柱和粘接界面均無異常。說明經(jīng)過不同時間低溫貯存，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器宏觀上無明顯變化，藥柱無宏觀裂紋出現(xiàn)，粘接界面無脫粘現(xiàn)象。

3.2 力學(xué)性能數(shù)據(jù)

從低溫老化的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器中取出的推進(jìn)劑在常溫測試條件和低溫快速拉伸測試條件下最大抗拉強(qiáng)度(σm)和最大延伸率(εm)隨貯存時間的變化趨勢如圖5和圖6所示。

圖5 低溫老化后常溫測試力學(xué)性能變化趨勢

圖6 低溫老化后低溫快拉測試力學(xué)性能變化趨勢

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖5可以看出，在常溫測試條件下，經(jīng)過-10 ℃和-35 ℃低溫老化后，推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度σm略有升高，但變化幅度不大。最大伸長率εm老化前期略有下降，后期有所升高，但是下降或升高的幅度均不大。說明在-10 ℃和-35 ℃條件下老化23周，常溫正常拉伸對應(yīng)的應(yīng)變速率下，推進(jìn)劑未發(fā)生宏觀力學(xué)性能上的明顯變化。

低溫快速拉伸試驗(yàn)主要是考察模擬發(fā)動機(jī)低溫點(diǎn)火瞬間，在溫度載荷和壓強(qiáng)載荷聯(lián)合作用下，藥柱承受快速應(yīng)變的能力。從圖6可以看出，在低溫快速拉伸測試條件下，經(jīng)過-10 ℃和-35 ℃低溫貯存19周和23周后，推進(jìn)劑低溫快速拉伸的最大抗拉強(qiáng)度σm有所升高，分別由初始值3.77 MPa增大到4.06 MPa和3.99 MPa。最大伸長率εm隨著老化時間的延長明顯降低，且貯存溫度越低，降低越明顯。在-10 ℃貯存老化19周后，最大伸長率εm由初始值37.6%降低到28.6%，降低了約24%；在-35 ℃條件下貯存老化23周后，εm降為23.9%，降低了36.4%。

藥柱低溫快速拉伸條件下的最大伸長率εm降低如此明顯，需要引起發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)者高度重視。說明經(jīng)過低溫長時間老化后，藥柱承受低溫快速應(yīng)變的能力降低，在點(diǎn)火瞬間藥柱的最大伸長率可能已經(jīng)不能滿足使用要求，藥柱內(nèi)表面可能會在點(diǎn)火瞬間產(chǎn)生裂紋，從而引起燃面增加，壓強(qiáng)增大，有可能造成發(fā)動機(jī)爆炸事故的發(fā)生。

3.4 老化機(jī)理分析

初步分析認(rèn)為，推進(jìn)劑低溫老化的機(jī)理為：首先從該推進(jìn)劑配方體系的特點(diǎn)分析，在常溫和高溫條件下，主要是化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)起作用；在低溫條件下，除了原有的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)發(fā)揮作用，物理作用也加強(qiáng)，“附加交聯(lián)點(diǎn)”增多，低溫使粘合劑分子鏈的剛性增大而柔性降低，粘合劑網(wǎng)絡(luò)收縮，模量和本體強(qiáng)度上升，表現(xiàn)為推進(jìn)劑變得硬而脆。由于推進(jìn)劑粘合劑網(wǎng)絡(luò)的收縮導(dǎo)致粘合劑網(wǎng)絡(luò)本體承受內(nèi)聚應(yīng)力，在長時間內(nèi)應(yīng)力作用下，對推進(jìn)劑本體造成累積損傷，甚至產(chǎn)生微裂紋。其次，低溫條件下推進(jìn)劑粘合劑本體和固體顆粒均各自向內(nèi)收縮，導(dǎo)致兩者界面存在拉應(yīng)力，長時間拉應(yīng)力作用會導(dǎo)致固體顆粒和粘合劑本體界面累計(jì)損傷，使推進(jìn)劑產(chǎn)生“脫濕”，造成粘附破壞。

在前期的研究中[11]，曾采用動態(tài)力學(xué)分析（DMA）技術(shù)對推進(jìn)劑的微觀損傷進(jìn)行了監(jiān)測，證實(shí)了經(jīng)過低溫老化的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器中的推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部存在微損傷。

目前，國內(nèi)外對推進(jìn)劑低溫老化的研究少之又少，但低溫對推進(jìn)劑造成的損傷已越來越受科研工作者的重視，而進(jìn)一步尋求能夠表征推進(jìn)劑微觀損傷的手段將是我們下一步研究的重點(diǎn)，它可以幫助我們揭示推進(jìn)劑低溫老化的機(jī)理。

4 結(jié)論

1）創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、加工了具有設(shè)定應(yīng)變水平的“三段式”結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器，實(shí)現(xiàn)了安全取樣，且不破壞藥柱所承受的應(yīng)力載荷。

2）經(jīng)過長期低溫貯存的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱，通過CT和超聲波探傷，顯示結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器藥柱結(jié)構(gòu)完整，無裂紋，界面無脫粘。

3）常溫力學(xué)性能測試表明，推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度σm和最大伸長率εm無明顯變化。低溫快速拉伸測試表明，最大抗拉強(qiáng)度有所升高，最大伸長率明顯降低，且溫度越低，低溫老化時間越長，降低越明顯。經(jīng)過-10 ℃和-35 ℃低溫老化后，最大伸長率與初始值相比，分別降低了24%和36.4%。

4）推進(jìn)劑低溫快速拉伸條件下的最大伸長率εm降低如此明顯，說明經(jīng)過低溫長時間老化后，藥柱承受低溫快速應(yīng)變的能力降低，需要引起發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)者高度重視。

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Design of Charge Structure Tester and Test of Low-temperature Aging

LI Xiao-huan1,CAO Fu-qi1,SHEN Xin2,LI Yan-li3,YUN Sheng3
(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China; 2.Military Representative Office Positioned in China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China; 3.The 46th Institute of the Sixth Academy of CASIC, Huhhot 010010, China)

Objective To explore method and mechanism on low-temperature aging test for charge structure of solid rocket engine and provide support for predicting and extending the service life of solid engine. Methods Structure tester was designed to facilitate experimental testing through simulation to determine the strain of certain level of charge pore size, and low-temperature aging test was carried out at -10 ℃ and -35 ℃. Non-destructive test was carried out to the structural tester after aging. Then the grain was taken off to prepare propellant sample to conduct fast tensile mechanical property test at room-temperature and low-temperature. Results A three-section connection type structure tester was designed to make sure not to destroy the stress load of the grain born and to ensure the sampling convenience and safety. The non-destructive testing showed that the grain inside the structure tester did not produce cracks and debonding phenomena after being stored at low temperature for a long term; the mechanical properties of the grain at room temperature had no significant change; the maximum tensile strength at low temperature was increased to some extent and the maximum elongation decreased significantly. After low-temperature aging test at -10 ℃ and -35 ℃ , the maximum elongation decreased by 24% and 40% respectively. Conclusion Micro-damage produces inside the propellant and the capacity towithstand low-temperature rapid response (corresponding to low-temperature impact ignition state) decrease significantly, which should cause great concern．

structure tester; propellant; low-temperature aging

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.009

TJ768；V512

A

1672-9242(2017)01-0034-04

2016-07-27；

2016-09-04

國家自然科學(xué)基金（U1404106）

李小換（1984—），女，河南鄭州人，工程師，主要研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動機(jī)裝藥設(shè)計(jì)。