王虎干

(中國(guó)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(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求越來越高。如何在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)保證其安全裕度,一直是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)致力解決的問題。對(duì)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(jī)載發(fā)射方式,必須避免因發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常而引發(fā)的事故,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí),建壓時(shí)間通常僅有幾十毫秒,而固體推進(jìn)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火狀態(tài)下推進(jìn)劑的本構(gòu)關(guān)系,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量的試驗(yàn)和理論研究。AIM120空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)90年代進(jìn)行壽命評(píng)估時(shí),開展了固體推進(jìn)劑一系列的力學(xué)性能試驗(yàn),其中在3.45 MPa環(huán)境壓力下,進(jìn)行了拉伸速率為2 540 mm/min的單軸拉伸試驗(yàn)[1]。Ho等[2-3]利用霍普金森桿的撞擊試驗(yàn)研究了固體推進(jìn)劑在應(yīng)變速率高達(dá)103s-1到104s-1時(shí)的力學(xué)響應(yīng),并引進(jìn)一個(gè)應(yīng)力軟化函數(shù)描述固體推進(jìn)劑在高應(yīng)變速率載荷下的損傷。盧洪義[4]對(duì)固體推進(jìn)劑電弧點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行了仿真研究，Chyuan[5]利用有限元方法研究了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火條件下裝藥的斷裂行為,指出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓力作用下裂紋的擴(kuò)展過程與準(zhǔn)靜態(tài)有明顯區(qū)別,且裂紋的擴(kuò)展速度是主要影響因素。Nevière等[6]采用冷流加壓模擬發(fā)動(dòng)機(jī)低溫點(diǎn)火過程,對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)低溫工作時(shí)裂紋的形成、擴(kuò)展進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)高應(yīng)變速率下固體推進(jìn)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(duì)固體推進(jìn)劑在沖擊載荷下的力學(xué)特性及裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究。第二炮兵工程大學(xué)[10-12]開展了固體推進(jìn)劑低溫條件下的單軸拉伸試驗(yàn)研究,低溫最低至-40 ℃。

文中為研究空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)低溫點(diǎn)火條件下固體推進(jìn)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(yàn),并對(duì)固體推進(jìn)劑力學(xué)性能與裝藥結(jié)構(gòu)完整的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

文中所研究的HTPB推進(jìn)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(yàn)前將推進(jìn)劑試驗(yàn)件放置在溫箱中,在-50 ℃下保溫1 h,然后分別進(jìn)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(yàn)。為考慮發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)表面在低溫載荷下的損傷對(duì)點(diǎn)火時(shí)推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響,開展了快慢組合拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固體推進(jìn)劑低溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖2為固體推進(jìn)劑在-50℃環(huán)境下,應(yīng)變速率為0.05%·s-1時(shí)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(shí),推進(jìn)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(gè)階段。即第一階段:推進(jìn)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(jìn)劑基體材料的損傷,最后導(dǎo)致推進(jìn)劑斷裂失效。

圖3和圖4分別為固體推進(jìn)劑在-50℃環(huán)境下,應(yīng)變速率為12%·s-1和100%·s-1時(shí)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(shí),與文獻(xiàn)[13]中所述的3個(gè)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(diǎn)過后,推進(jìn)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(shí)進(jìn)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(jìn)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(shí)的情況。

從圖4可以看出,在A區(qū)域達(dá)到第一個(gè)峰點(diǎn)。在A區(qū)域之前,推進(jìn)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(jìn)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(gè)峰點(diǎn),即最大延伸率的位置。綜合圖2～圖4可知,固體推進(jìn)劑在低溫-50℃環(huán)境下,低應(yīng)變速率和高應(yīng)變速率時(shí)推進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

2.2 模擬低溫點(diǎn)火推進(jìn)劑快慢組合拉伸試驗(yàn)分析

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

從圖5可以看出,4個(gè)試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)中,慢速拉伸過程中會(huì)形成一定程度的初始損傷,兩種損傷累積后超過了推進(jìn)劑的承載極限,最終導(dǎo)致推進(jìn)劑在圖4中A區(qū)域附近直接發(fā)生斷裂。統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(dòng)機(jī)裝藥的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估時(shí),推進(jìn)劑的拉伸應(yīng)變速率應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火增壓時(shí)裝藥的內(nèi)表面應(yīng)變速率相對(duì)應(yīng),不能僅參考推進(jìn)劑常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試的最大延伸率。當(dāng)固體推進(jìn)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(shí),第一個(gè)峰值的位置應(yīng)重點(diǎn)分析。在設(shè)計(jì)固體推進(jìn)劑力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí),應(yīng)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷歷程,盡量使得推進(jìn)劑的力學(xué)性能試驗(yàn)更加接近發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的真實(shí)受載過程。

3 結(jié)論

1)在低溫-50 ℃下,該推進(jìn)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(jìn)劑典型的3階段變化規(guī)律;隨著應(yīng)變速率的提高,推進(jìn)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(jìn)劑的拉伸應(yīng)變速率與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火增壓時(shí)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(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象時(shí),應(yīng)重點(diǎn)分析第一個(gè)峰值處的損傷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響。

3)在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)低溫點(diǎn)火條件的固體推進(jìn)劑快慢組合拉伸試驗(yàn)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(gè)峰值附近的損傷后,使得該推進(jìn)劑在高應(yīng)變速率下的延伸率增量?jī)H為11%左右,遠(yuǎn)小于常規(guī)試驗(yàn)中推進(jìn)劑的最大延伸率。該試驗(yàn)更接近發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的真實(shí)載荷歷程,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估有較大的參考價(jià)值。