劉承武,陽(yáng)建紅,鄧 凱,陳 飛,張 暉

(第二炮兵工程學(xué)院,西安 710025)

溫度[1]和濕度[2-3]是影響推進(jìn)劑力學(xué)性能十分重要的兩大因素。固體發(fā)動(dòng)機(jī)在貯存過(guò)程中,由于采用了諸如密封充氮等保護(hù)措施,光、輻射、濕度的影響可以避免。而在壽命期內(nèi),尤其是在待機(jī)、運(yùn)輸和發(fā)射階段,要經(jīng)受更為劇烈的環(huán)境溫度變化帶來(lái)的熱載荷作用。當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí),高溫層上產(chǎn)生熱膨脹,這種熱膨脹受到相鄰層的限制,于是形成壓應(yīng)力;當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí),形成收縮拉應(yīng)力。隨著溫度的交替變化,藥柱各層之間作用著交變載荷,導(dǎo)致累積了疲勞損傷,從而縮短藥柱的壽命。因此,研究固體推進(jìn)劑溫度沖擊環(huán)境條件下的損傷特性十分必要。

目前主要采用的是宏觀唯象方法來(lái)進(jìn)行這方面的研究。Svob等[4]進(jìn)行了CTPB推進(jìn)劑模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度沖擊試驗(yàn),得出溫度沖擊引起應(yīng)變疲勞和高溫老化的綜合影響,性能下降十分迅速。Ide等[5]進(jìn)行了AP/HTPB推進(jìn)劑的加速老化、熱循環(huán)和熱沖擊三種不同試驗(yàn),研究了不同熱損傷條件下推進(jìn)劑的斷裂行為,結(jié)果表明,推進(jìn)劑力學(xué)性能的劣化程度與熱載荷的形式相關(guān)。

HTPB推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)溫度沖擊作用后,在外載荷下,材料內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)觀損傷(如基體開(kāi)裂、脫濕等),并逐漸發(fā)展為宏觀斷裂,整個(gè)過(guò)程中有強(qiáng)烈的能量釋放出來(lái),并會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)[6-7]。筆者對(duì)經(jīng)過(guò)溫度沖擊后的HTPB推進(jìn)劑試件進(jìn)行單軸拉伸AE試驗(yàn),研究了溫度沖擊對(duì)HTPB推進(jìn)劑損傷的影響。

1 試驗(yàn)

2.1 溫度沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)參考QJ 2328A—2005《復(fù)合固體推進(jìn)劑高溫加速老化實(shí)驗(yàn)方法》和GJB 150.5—1986《軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法 溫度沖擊實(shí)驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)使用SDJ705型高低溫濕熱交變實(shí)驗(yàn)箱和LR016熱老化實(shí)驗(yàn)箱。按照以下步驟,分別進(jìn)行了5,10,15,20,25及35個(gè)周期的溫度沖擊試驗(yàn),每個(gè)周期3根試件。試驗(yàn)步驟如下：

(1)預(yù)處理 將試件貯存于20～25℃干燥環(huán)境下,直至達(dá)到溫度穩(wěn)定。

(2)試驗(yàn) 將試件放入實(shí)驗(yàn)箱,試件之間,以及試件與實(shí)驗(yàn)箱壁、箱底及箱頂之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)間隔,以使空氣能自由循環(huán),保證環(huán)境因素準(zhǔn)確、均勻地作用在試件上。將高溫實(shí)驗(yàn)箱溫度升到55℃,保持1 h;高溫階段結(jié)束,在5 min內(nèi)將試件轉(zhuǎn)換到已調(diào)節(jié)到-51℃的低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),保持1 h,低溫階段結(jié)束,一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束;然后在5 min內(nèi)將試件轉(zhuǎn)換到已調(diào)節(jié)到55℃的高溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),保持1 h。重復(fù)以上步驟,以完成循環(huán)周期。

(3)恢復(fù)和檢測(cè) 溫度沖擊完成規(guī)定的周期后從實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)取出試件,室溫放置至試件達(dá)到溫度穩(wěn)定。環(huán)境溫度為20±2℃,相對(duì)濕度＜70%RH。

1.2 AE試驗(yàn)

根據(jù)航天部QJ 924—1985《復(fù)合固體推進(jìn)劑單向拉伸實(shí)驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),將經(jīng)過(guò)溫度沖擊試驗(yàn)后的推進(jìn)劑試件連接在深圳新三思CMT2103型電子拉力機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸聲發(fā)射試驗(yàn),拉伸速度為100 mm/min。試驗(yàn)所用的AE系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司產(chǎn)的SAMOSTM32型32通道聲發(fā)射儀,總增益100 dB,門檻電壓30 dB,帶通為1～200 k Hz。進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)時(shí),用兩個(gè)聲發(fā)射傳感器對(duì)稱地裝在試件兩側(cè)以保證拉伸時(shí)受力均勻,并用橡皮帶將兩個(gè)探頭固定好,探頭和試件之間用凡士林作耦合劑,圖1為AE試驗(yàn)裝置圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀力學(xué)性能變化分析

將經(jīng)常用以判定推進(jìn)劑力學(xué)性能優(yōu)劣及判定力學(xué)性能變化的最大抗拉強(qiáng)度σm和最大延伸率εm進(jìn)行歸一化處理。圖2是歸一化的σm和εm與溫度沖擊周期T的關(guān)系曲線?？梢?jiàn),溫度沖擊環(huán)境下σm,εm隨沖擊周期的增加而呈下降趨勢(shì),且前期下降迅速,大約15個(gè)周期后強(qiáng)度下降開(kāi)始變緩,表明溫度沖擊使推進(jìn)劑力學(xué)性能劣化,引起其內(nèi)部損傷。

2.2 細(xì)觀損傷特性分析

圖3所示為AE特征參數(shù),其中最重要的定量參數(shù)是AE事件幅度、能量和持續(xù)時(shí)間。其中,AE能量分布綜合考慮了持續(xù)時(shí)間和幅度的影響,最適于反映材料的內(nèi)部損傷狀態(tài)。AE能量反映了對(duì)應(yīng)時(shí)刻損傷的強(qiáng)度,AE累積能量反映了材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷的累積程度。因此通過(guò)分析不同溫度沖擊周期下推進(jìn)劑AE能量和AE累積能量的變化,可以揭示溫度沖擊環(huán)境對(duì)推進(jìn)劑的損傷規(guī)律。

圖3 聲發(fā)射參數(shù)性質(zhì)

圖4(a)～(g)分別表示溫度沖擊0,5,10,15,20,25和35個(gè)周期后單軸拉伸應(yīng)力、AE能量、AE累積能量隨應(yīng)變變化關(guān)系曲線。圖4(h)為不同溫度沖擊周期后AE累積能量隨應(yīng)變變化關(guān)系曲線。在單軸拉伸聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),推進(jìn)劑試件斷口位置一般出現(xiàn)在試件中段附近,易出現(xiàn)與AE傳感器位置重合情況。在出現(xiàn)斷口與AE傳感器位置重合時(shí),宏觀裂紋的出現(xiàn)會(huì)引起傳感器的失穩(wěn)甚至脫落,此時(shí)的AE信號(hào)干擾較大,并非全部來(lái)自材料內(nèi)部,因此各圖中宏觀裂紋出現(xiàn)時(shí)的AE信號(hào)值沒(méi)有全部示出。雖然在宏觀斷裂破壞時(shí),對(duì)應(yīng)著極大的AE能量,但是通過(guò)對(duì)比研究各溫度沖擊周期下宏觀斷裂前的AE能量和累積能量值,已足以反映溫度沖擊給推進(jìn)劑造成的損傷。

分析圖4可以了解推進(jìn)劑內(nèi)部損傷演變及破壞各階段的特征情況。可以看出,AE能量表現(xiàn)出明顯的階段性。A點(diǎn)前的AE能量為0或很少,表明原有的初始損傷(微裂紋、微空洞等)沒(méi)有擴(kuò)展,也沒(méi)有新的損傷產(chǎn)生。A點(diǎn)后AE能量急速增加,表明A點(diǎn)為損傷起始點(diǎn),AB段為損傷的成核和擴(kuò)展階段。B點(diǎn)釋放出的AE能量極大,比前面各點(diǎn)釋放出來(lái)的能量大一個(gè)甚至是幾個(gè)數(shù)量級(jí),可以判定C點(diǎn)為宏觀裂紋形成時(shí)刻。因此,可以認(rèn)為,溫度沖擊后的HTPB推進(jìn)劑同樣存在著損傷成核、擴(kuò)展和匯合斷裂三個(gè)失效階段。

對(duì)比圖4可以看出,溫度沖擊會(huì)引起HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的變化。沖擊時(shí)間越長(zhǎng),相應(yīng)階段釋放出來(lái)的AE能量越低;C點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間隨周期數(shù)的增多基本是向前提的,在15周期后基本穩(wěn)定。

從圖5可看出AE累積能量隨溫度沖擊時(shí)間的增加而不斷下降。該結(jié)果說(shuō)明,溫度沖擊會(huì)引起HTPB推進(jìn)劑內(nèi)部出現(xiàn)一定損傷,且損傷程度與溫度沖擊時(shí)間呈正相關(guān)性,所以經(jīng)過(guò)溫度沖擊后的HTPB推進(jìn)劑的單軸拉伸AE信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱。

為了更清楚地對(duì)比,將圖5中應(yīng)變?yōu)?%～4%的范圍進(jìn)行局部放大,從局部圖和整體圖可以看出,隨著溫度沖擊時(shí)間的增長(zhǎng),損傷門檻值A(chǔ)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間提前,由此可以推斷出溫度沖擊后的HTPB推進(jìn)劑外載作用下更容易發(fā)生初始損傷。

2.3 溫度沖擊損傷機(jī)理分析

HTPB推進(jìn)劑是一種高填充比顆粒復(fù)合材料,主要由粘合劑基體、固體填料和界面相組成[8]。由于各組分相熱膨脹系數(shù)的不同,開(kāi)始階段,推進(jìn)劑在升溫過(guò)程中溫度荷載作用下基體、界面易產(chǎn)生微裂紋;而降溫過(guò)程中,熱膨脹系數(shù)的不同不僅引起原有的微裂紋擴(kuò)展,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新的微裂紋。隨著溫度沖擊周期的不斷增加,微裂紋逐漸增多,原有微裂紋擴(kuò)展量也增大,損傷程度也進(jìn)一步加重,呈現(xiàn)損傷程度與溫度沖擊時(shí)間呈正相關(guān)性。

在有初始裂紋、空洞及脫濕的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)再次受到溫度沖擊時(shí),這些地方會(huì)首先發(fā)生破壞,因此出現(xiàn)損傷門檻值提前出現(xiàn)的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能下降,出現(xiàn)一定程度的初始損傷,其單軸拉伸過(guò)程中存在損傷成核、擴(kuò)展和匯合斷裂三個(gè)失效階段。

(2)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進(jìn)劑前期損傷較快,后期趨緩,但基本呈現(xiàn)損傷程度與溫度沖擊時(shí)間呈正相關(guān)趨勢(shì)。

(3)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進(jìn)劑更容易損傷或破壞,損傷門檻值降低。

(4)提高推進(jìn)劑耐應(yīng)力(應(yīng)變)及環(huán)境聯(lián)合作用的能力,對(duì)提高固體發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和延長(zhǎng)推進(jìn)劑壽命有重要作用。

[1]Kivity M,Hartman G,Achlama A M.Aging of HTPB Propellant[C].41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference&Exhibit,Tucson,Arizona,2005：72.

[2]Muhammad Mazhar Iqbal,Wang Liang.Modeling the moisture effects of solid ingredients on composite propellant properties[J].Aerospace Science and Technology,2006,10(8)：695-699.

[3]何耀東,劉建全.環(huán)境濕度對(duì)HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響[J].固體火箭技術(shù),1996,19(3)：47-52.

[4]Svob G J,Bills K W.A predictive surveillance technique for air-launched motors[C].AIAA/SAE/ASME 18th Joint Propulsion Conference,AIAA 82-1097.

[5]Ide K M,Ho S Y,Williams D R G.Fracture behavior of accelerated aged solid rocket propellants[J].Journal of Materials Science,1999,34(17)：4209-4218.

[6]陽(yáng)建紅,李學(xué)東,趙光輝,等.HTPB推進(jìn)劑的聲發(fā)射特性及損傷模型的實(shí)驗(yàn)和理論研究[J].固體火箭技術(shù),2000,23(3)：37-40.

[7]Liu C T.Cumulative damage and crack growth in solid propellant[J].AD-323684,1996.

[8]田德余,洪偉良,劉劍洪,等.丁羥固體推進(jìn)劑力學(xué)性能模擬計(jì)算[J].推進(jìn)技術(shù),2008,29(1)：114-118.