摘 要：本文從固體推進劑的多軸力學(xué)性能試驗方法及影響力學(xué)性能因素，對固體推進劑力學(xué)性能的研究進展進行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出了當(dāng)前研究中存在的不足和需要進一步重點開展的研究。分析表明：開展不同加載條件下多軸動態(tài)力學(xué)試驗對于分析固體推進劑結(jié)構(gòu)完整性更具有參考價值。

關(guān)鍵詞：固體推進劑;多軸;力學(xué)性能;影響因素

上世紀(jì)80年代，美國在開展低溫-40℃條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射時，就已經(jīng)出現(xiàn)部分固體火箭發(fā)動機（Solid Rocket Motor， SRM）解體爆炸現(xiàn)象[1-3]。通過對大量中小固體導(dǎo)彈的發(fā)射情況進行統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，點火瞬間固體推進劑藥柱結(jié)構(gòu)完整性的破壞是引發(fā)SRM失效的主要原因[4]。研究發(fā)現(xiàn)[5]不同加載條件下固體推進劑力學(xué)行為的研究是開展SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析的基礎(chǔ)，因為固體推進劑是典型的顆粒增強粘彈性材料，其力學(xué)性能和損傷明顯受到外界溫度、加載應(yīng)變率和熱老化時間等的影響。且固體推進劑在使用和貯存過程中，其受力狀態(tài)是多維的。因此，為更好分析固體推進劑藥柱的結(jié)構(gòu)完整性，本文對固體推進劑多軸性能試驗方法及影響因素進行歸納總結(jié)研究，并就研究中不足進行分析。

1 推進劑多軸力學(xué)性能試驗

1.1 推進劑雙軸拉壓試驗

王志存通過有限元軟件模擬了如圖1.1板條推進劑拉伸時水平與豎直方向的應(yīng)力比關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)板條可進行近似1：2雙軸拉伸效果?；趪鴥?nèi)外試驗表明，板條推進劑有效模擬真實藥柱受力狀態(tài)。因此，王哲君通過如圖1.2所示將板條試驗件依托高應(yīng)變率試驗機開展試驗，得出與單軸拉伸試驗相同的變化規(guī)律。

目前主要依托十字形推進劑開展雙軸拉伸研究。通過單軸試驗機及自主開發(fā)試驗器材，張麗華成功實現(xiàn)了推進劑的雙軸拉伸，驗證固體推進劑各向異性特點。為了開展真正的雙軸拉伸試驗，國內(nèi)強洪夫等將十字形試驗件中心區(qū)域減薄在雙軸拉伸機作用下進行了雙軸拉伸力學(xué)研究。隨后賈永剛等通過改進采用強洪夫所設(shè)計的浴盆式推進劑并在臂上開槽相結(jié)合的十字形試驗件開展雙軸試驗。

國外研究者Jalocha[認(rèn)為賈永剛所采用的試驗方案并不是十分可靠，因此，他重新設(shè)計十字形試驗件，取消開槽設(shè)計、擴大推進劑圓弧區(qū)域半徑，最終實現(xiàn)的雙軸拉伸試驗研究。

張亞等依托雙軸試驗機，對浴盆形試驗件、長方體試件以及類似啞鈴型試驗件分別開展雙軸拉伸、雙軸壓縮及拉壓性能試驗。

1.2 推進劑三軸性能試驗

針對三軸力學(xué)性能試驗，國內(nèi)外主要就準(zhǔn)靜態(tài)（<1s-1）范圍內(nèi)開展試驗。Jones J W則設(shè)計厚圓盤試件進行研究，通過壓縮試驗機開展徑向壓縮試驗，從多維的角度去模擬其應(yīng)力狀態(tài)。事實上，多軸的受力狀態(tài)更加接近SRM工作時內(nèi)部藥柱的真實情況，因此，國外研究者Sanal Kumar為了更好模擬藥柱在點火建壓時所受的應(yīng)力狀態(tài)，提供研究圓管狀試驗件，針對不同應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計松弛試驗，試驗表明：試驗剛開始階段，應(yīng)力構(gòu)成不足以改變推進劑的松弛模量，當(dāng)試驗拉伸繼續(xù)加載，松弛模量隨著應(yīng)力的維數(shù)不斷增加，在同等試驗條件下，三軸試驗的松弛模量最高。

為了模擬藥柱的SRM中所處壓強環(huán)境下所受的影響，Liu通過添加圍壓裝置，對固體推進劑施加壓強載荷進行力學(xué)試驗研究：在壓強的作用下，損傷更加難以產(chǎn)生，推進劑的強度有所增強。這與何鐵山等在高壓試驗機中模擬NEPE推進劑點火建壓時所獲得的結(jié)論相同。張亞等通過對不同老化HTPB推進劑試件開展圍壓下力學(xué)試驗，同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓強存在時，推進劑有更高的力學(xué)拉伸強度，在圍壓環(huán)境中，推進劑可以更好的儲存。

2 推進劑力學(xué)性能影響因素研究進展

由于本文主要針對固體推進劑力學(xué)性能在溫度、應(yīng)變率、熱老化時間、受力狀態(tài)等四個方面影響下開展研究，因此就這四個方面展開綜述。

1）溫度是造成HTPB推進劑力學(xué)性能改變的影響因素。Pang等人發(fā)現(xiàn)固體推進劑的初始模量與最大拉伸強度均隨著溫度呈反比，但是最大伸長率沒有明顯比例關(guān)系。賴建偉和王小英均開展了低溫和低溫恢復(fù)常溫拉伸試驗，研究低溫對推進劑造成的影響。通過低溫拉伸試驗，王哲君研究了單向及雙向拉伸試驗下推進劑的變化性能。Shekhar對比了多種溫度對推進劑性能造成的改變，并通過試驗發(fā)現(xiàn)：低溫促使推進劑最大拉伸強度變大。

2）就應(yīng)變率方面，針對試驗主要依托試驗件拉伸或壓縮速率改變，賴建偉等通過改變其壓縮速率，對比在不同壓縮速率下推進劑的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)壓縮速率大小可以改變推進劑強度。Sun等通過對改性雙基固體推進劑在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)開展力學(xué)試驗，根據(jù)力學(xué)性能參數(shù)建立了本構(gòu)方程。孫朝翔通過改變應(yīng)變率對固體推進劑開展研究，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變率造成影響更大。

3）固體推進劑從制作出以后就要面臨老化的問題，為研究老化后推進劑力學(xué)性能的變化，目前試驗主要開展自然老化和熱老化試驗，目前國內(nèi)外研究主要依托時溫等效原理（Time-Temperature Superposition Principle，TTSP），通過高溫?zé)崂匣囼炋幚碓囼灱_展試驗。Kivity等[57]從機理出發(fā)分析了推進劑老化的內(nèi)在原因。張亞、王哲君通過對不同老化時間的推進劑進行試驗，發(fā)現(xiàn)老化后的推進劑較未老化強度有所增加。

4）為了模擬推進劑在SRM工作時的真實受力狀態(tài)，國內(nèi)外研究者提出了從一維到多維的試驗方案進行研究。針對單軸拉伸試驗，出臺JANNAF標(biāo)準(zhǔn)[58]以及GJB 770B-2005標(biāo)準(zhǔn)可以進行參照，但是針對多軸力學(xué)試驗可以參照的標(biāo)準(zhǔn)還比較缺乏。張亞為了更好研究推進劑在多維受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，依托雙向試驗機開展雙向拉伸、雙向壓縮試驗，與其開展的單向拉伸、壓縮研究作比較，發(fā)現(xiàn)雙向拉伸強度提高，但伸長率有所下降;王哲君通過開展板條試驗件也發(fā)現(xiàn)，雙軸會增強推進劑的最大拉伸強度，發(fā)現(xiàn)固體推進劑在雙軸條件下將受到兩個方向約束，因而其伸長率會下降。

3 結(jié)論

目前，對于多因素分析比較缺乏，所開展的試驗只針對溫度、應(yīng)變率、應(yīng)力狀態(tài)或者老化等單因素開展力學(xué)性能試驗。綜上，開展低溫、高應(yīng)變率和熱老化后HTPB推進劑雙向拉伸多因素加載試驗對分析固體推進劑結(jié)構(gòu)完整性更具有意義。

參考文獻

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[2]Nevière R， Tixier L. Fracture of case bonded grains in cold pressurization motors tests[R]. AIAA 2009-5171， 2009.

[3]劉中兵，周艷青，張兵.固體發(fā)動機低溫點火條件下藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析[J].固體火箭技術(shù)，2015，38（3）：351-355.

[4]劉兵吉.導(dǎo)彈貯存使用失效分析與防護指南[M].北京：第二炮兵裝備技術(shù)部，1998.

[5]Gligorijevi? N， ?ivkovi? S， Suboti? S， Rodi? V， Gligorijevi? I. Effect of cumulative damage on rocket motor service life[J]. Journal of Energetic Materials， 2015， 33（4）： 229-259.

作者簡介

劉暢（1993-），男，漢族，安徽合肥，航空宇航科學(xué)與技術(shù)碩士，助教，火箭軍士官學(xué)校，研究方向：固體推進劑結(jié)構(gòu)完整性研究。