王虎干, 職世君, 曹付齊, 李秋菊

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471000; 2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽 471000)

0 引言

如何精確地評(píng)估固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，一直是國內(nèi)致力于研究并迫切希望解決的問題。在發(fā)動(dòng)機(jī)的長期貯存過程中，非金屬材料尤其是固體推進(jìn)劑的老化，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥力學(xué)性能隨貯存年限的增加逐漸下降[1]。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在服役期間安全可靠的點(diǎn)火工作，需要明確地提出發(fā)動(dòng)機(jī)的使用貯存期限。由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥配方種類繁多，載荷歷史復(fù)雜，壽命評(píng)估涉及多學(xué)科領(lǐng)域，技術(shù)難度較大，國內(nèi)外對(duì)此均已持續(xù)開展了多年的研究工作。目前，壽命評(píng)估方法大致可分為三類，即發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)貯存環(huán)境下的監(jiān)檢測評(píng)估方法研究、整機(jī)加速老化評(píng)估方法研究和基于老化模型的評(píng)估方法研究。美國在導(dǎo)彈服役后，通常會(huì)準(zhǔn)備一定數(shù)量的發(fā)動(dòng)機(jī)同期開展壽命監(jiān)檢測試驗(yàn)。比如，在20世紀(jì)60年代，對(duì)各類導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施了全面老化和監(jiān)測計(jì)劃。70年代初，為適應(yīng)“民兵”導(dǎo)彈將要停止生產(chǎn)的局面，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的預(yù)測能力，又執(zhí)行了長期使用壽命分析計(jì)劃[2-6]。國內(nèi)海軍航空工程大學(xué)、火箭軍研究院等研究機(jī)構(gòu)均開展過類似的研究工作[7-11]。

開展發(fā)動(dòng)機(jī)全面老化與監(jiān)測計(jì)劃和長期使用壽命分析計(jì)劃耗時(shí)較長，耗資巨大。為了在設(shè)計(jì)階段就能對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)估，許多國家采用實(shí)驗(yàn)室加速老化的方法。比如，意大利的“阿斯派德”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，俄羅斯的S300導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)均做過類似的試驗(yàn)。美國在其軍用規(guī)范MIL-R-23139B中也有類似的規(guī)定和要求[12-13]。國內(nèi)中國空空導(dǎo)彈研究院也開展了大量的整機(jī)加速老化壽命評(píng)估研究工作[14]。

北約航天研究與發(fā)展專家組曾在瑞典舉行“固體推進(jìn)系統(tǒng)使用壽命”專題會(huì)議，全面總結(jié)了當(dāng)前固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估的技術(shù)發(fā)展。以標(biāo)志固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的指標(biāo)參數(shù)(如推進(jìn)劑質(zhì)量、化學(xué)穩(wěn)定性、活化能、空穴率、凝膠含量、最大延伸率等)為研究對(duì)象，研究了這些指標(biāo)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)合裝藥的結(jié)構(gòu)完整性分析來預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的貯存壽命。目前，許多科研機(jī)構(gòu)均是以該方法為主，希望細(xì)化推進(jìn)劑老化模型、減少非線性本構(gòu)方程的不確定性，從而提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估的準(zhǔn)確度[15-20]。

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的壽命評(píng)估需求，通過開展固體推進(jìn)劑高溫加速老化試驗(yàn)和整機(jī)自然貯存解剖試驗(yàn)，對(duì)比了高溫加速老化和自然貯存的差異，并分析了目前存在的問題，為發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壽命評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 高溫加速老化試驗(yàn)

某發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥為四組元丁羥推進(jìn)劑，固體含量為86%。根據(jù)QJ 2328—1992《復(fù)合固體推進(jìn)劑貯存老化試驗(yàn)方法》中有關(guān)規(guī)定，開展高溫加速老化試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：

(1)高溫加速老化溫度分別為50、60、75和85 ℃；

(2)力學(xué)性能測試溫度分別為55、23、-45 ℃，高溫拉伸速率2 mm/min，常溫和低溫拉伸速率100 mm/min。

固體推進(jìn)劑老化數(shù)學(xué)模型采用：

P=P0e-Kt

(1)

式中P為某一時(shí)刻的性能；P0為常數(shù)；K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)；t為老化時(shí)間；e為自然對(duì)數(shù)的底。

在不同的加速老化溫度和時(shí)間內(nèi)，將固體推進(jìn)劑試驗(yàn)件取出，分別測試推進(jìn)劑在高溫(55 ℃)、常溫(23 ℃)和低溫(-45 ℃)下的力學(xué)性能。把各貯存溫度下測得的推進(jìn)劑最大延伸率εm數(shù)據(jù)用最小二乘法，按lnεm=lnε0-Kt進(jìn)行線性回歸處理，如圖1所示。

(a) 50 ℃ (c) 60 ℃

假設(shè)性能變化速率常數(shù)K與熱力學(xué)溫度T滿足阿累尼沃斯方程：

K=Ze-E/RT

(2)

式中K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)；Z為頻率因子；E為表觀活化能，J/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(K·mol)；T為熱力學(xué)溫度，K。

利用最小二乘法，按lnK=a+b/T進(jìn)行回歸分析，回歸結(jié)果如圖2和表1所示。

圖2 固體推進(jìn)劑老化速率常數(shù)線性回歸

表1 固體推進(jìn)劑老化速率線性回歸方程

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，可得出該固體推進(jìn)劑在23 ℃環(huán)境中長期貯存時(shí)，其高溫、常溫和低溫下的最大延伸率老化速率常數(shù)分別為

K高溫=e(24.106-9640.244/296)=2.114×10-4

K常溫=e(23.678-9510.604/296)=2.134×10-4

K低溫=e(25.894-10332.318/296)=1.219×10-4

從不同溫度下的最大延伸率老化速率常數(shù)可看出，固體推進(jìn)劑在該溫度長期貯存老化過程中，常溫和高溫下的老化速率常數(shù)基本一致，即最大延伸率的下降幅度大致相同，大于固體推進(jìn)劑在低溫下最大延伸率的下降幅度。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該固體推進(jìn)劑最大延伸率在高溫(+55 ℃)、常溫(+23 ℃)和低溫(-45 ℃)下的初始值分別為50.34%、47.23%和48.78%。因此，根據(jù)式(1)可得出在23 ℃長期貯存過程中，該推進(jìn)劑不同使用環(huán)境溫度下的最大延伸率隨老化時(shí)間的變化，如圖3所示。

圖3 常溫(23 ℃)貯存過程中推進(jìn)劑 最大延伸率隨貯存時(shí)間的變化

2 長期貯存發(fā)動(dòng)機(jī)解剖試驗(yàn)

某發(fā)動(dòng)機(jī)已自然貯存13 a，對(duì)其進(jìn)行解剖后研究推進(jìn)劑老化后的性能變化。將發(fā)動(dòng)機(jī)置于車床上，沿軸向分為兩半，如圖4所示。然后，將裝藥挖出，切塊，再進(jìn)行力學(xué)性能測試，如圖5所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)解剖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)中獲取的固體推進(jìn)劑

對(duì)該固體推進(jìn)劑在高溫、常溫和低溫下的力學(xué)性能進(jìn)行測試，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6中可看出，該發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥自然貯存13 a后，其常溫、高溫和低溫下的最大延伸率由初始值50.34%、47.23%和48.78%分別下降到了22.13%、34.6%和28.94%。從曲線上來看，高溫時(shí)推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段較長，說明高溫下推進(jìn)劑脫濕損傷的應(yīng)變閾值仍較大，常溫次之，低溫最小。

(a)55 ℃ (b) 23 ℃ (c) -45 ℃

對(duì)比固體推進(jìn)劑高溫加速老化和自然貯存解剖的試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。從圖中可看出，高溫加速等效老化時(shí)間為13 a時(shí)，該推進(jìn)劑的延伸率低于自然貯存解剖推進(jìn)劑的延伸率。說明對(duì)于該推進(jìn)劑，高溫加速老化試驗(yàn)相較于常溫自然貯存條件可能更加嚴(yán)苛。

圖7 高溫加速老化及自然貯存試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 問題探討

該發(fā)動(dòng)機(jī)固體推進(jìn)劑高溫加速老化試驗(yàn)和自然貯存老化后的力學(xué)性能測試均采用的是常規(guī)拉伸速率。試驗(yàn)結(jié)果顯示了該推進(jìn)劑老化后的一些性能變化規(guī)律，但在研究中也發(fā)現(xiàn)常規(guī)拉速下的測試結(jié)果存在一定的局限性。對(duì)于空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，使用溫度更加寬泛，尤其對(duì)低溫條件下的裝藥結(jié)構(gòu)完整性要求較高，因此十分關(guān)注固體推進(jìn)劑老化后的低溫力學(xué)性能[21]。例如，圖8為另外一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥解剖后，低溫-45 ℃條件下測得的推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該發(fā)動(dòng)機(jī)已自然貯存15 a。

從圖8中可看出，有兩條曲線的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在該推進(jìn)劑的“脫濕”損傷拐點(diǎn)位置。對(duì)應(yīng)的最大延伸率分別為10.13%和9.05%，斷裂延伸率分別為30.79%和26.98%。其他兩條曲線的最大延伸率為22.99%和22.80%，如表2所示。如果仍根據(jù)該拉伸速率下的推進(jìn)劑最大延伸率進(jìn)行評(píng)判，就會(huì)給該發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命評(píng)估造成困擾。將復(fù)合固體推進(jìn)劑在常規(guī)拉速下的典型拉伸曲線分為三個(gè)階段，如圖9所示[22]。

圖8 低溫-45 ℃固體推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線(老化15 a)

表2 固體推進(jìn)劑延伸率測試結(jié)果(老化15 a)

圖9 固體推進(jìn)劑典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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。

由前面的試驗(yàn)結(jié)果可知，在低溫-45 ℃條件下，該推進(jìn)劑產(chǎn)生“脫濕”損傷的應(yīng)變閾值較高溫和常溫條件下的閾值更小。推進(jìn)劑在第三階段的曲線斜率更低，即應(yīng)變?cè)龃蟮耐瑫r(shí)應(yīng)力增長幅度較小，說明在低溫下推進(jìn)劑脫濕損傷后，顆粒與基體之間的界面強(qiáng)度急劇下降。因此，低溫常規(guī)拉速下測試的推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線A，在推進(jìn)劑老化后可能會(huì)出現(xiàn)曲線B和C的形狀，如圖10所示。相較與曲線A，曲線B的“脫濕”損傷閾值更小，第三階段的曲線斜率更低，但曲線A和B的抗拉強(qiáng)度和最大延伸率基本相當(dāng)。那就存在如何評(píng)判這兩種固體推進(jìn)劑性能優(yōu)劣的問題，會(huì)對(duì)該推進(jìn)劑的性能評(píng)判造成困擾。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段對(duì)推進(jìn)劑選型時(shí)，同樣也會(huì)遇到類似的問題。

圖10 固體推進(jìn)劑不同應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖

圖10中所示推進(jìn)劑性能的優(yōu)劣難以評(píng)價(jià)主要是因?yàn)榍€的非線性強(qiáng)，涉及參數(shù)多，單一的參數(shù)很難準(zhǔn)確地反映推進(jìn)劑的真實(shí)性能。為使得測試條件更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火工作環(huán)境，中國空空導(dǎo)彈研究院與國防科技大學(xué)合作，開展了某固體推進(jìn)劑的圍壓單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖11所示。

圖11 圍壓拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在圍壓載荷作用下，推進(jìn)劑的“脫濕”損傷明顯得到抑制，推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加接近線性，且壓力載荷越高，推進(jìn)劑拉伸曲線的線性越明顯，如圖12所示。因此，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的壽命評(píng)估研究中，除了開展推進(jìn)劑常規(guī)拉速下的測試外，增加圍壓單軸拉伸測試，可能會(huì)有助于對(duì)推進(jìn)劑老化后性能的評(píng)判，更有利于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命進(jìn)行量化評(píng)估。

圖12 圍壓對(duì)固體推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

4 結(jié)論

(1)該固體推進(jìn)劑在高溫加速老化和長期自然貯存后，最大延伸率均明顯下降，發(fā)動(dòng)機(jī)自然貯存13 a后推進(jìn)劑的延伸率略優(yōu)于高溫加速老化等效13 a的試驗(yàn)結(jié)果。

(2)采用常規(guī)拉伸速率下測試推進(jìn)劑老化后的性能存在一定局限性，低溫環(huán)境下尤甚。該拉速下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線非線性強(qiáng)，涉及參數(shù)多，單一的參數(shù)很難準(zhǔn)確反映推進(jìn)劑的真實(shí)性能。在該發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)自然貯存15 a的解剖試驗(yàn)中，推進(jìn)劑低溫-45 ℃的最大延伸率出現(xiàn)在了“脫濕”損傷的拐點(diǎn)位置，增加了對(duì)推進(jìn)劑老化性能評(píng)判的不確定性。

(3)圍壓載荷單軸拉伸試驗(yàn)更接近發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作環(huán)境，固體推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性特征更加明顯。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的壽命評(píng)估研究中，可適當(dāng)考慮增加推進(jìn)劑的圍壓力學(xué)性能測試，有利于對(duì)固體推進(jìn)劑老化后性能的評(píng)判和發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的量化評(píng)估。