王小英，何鐵山，張 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化學技術(shù)研究所，襄陽 441003)

環(huán)境壓強對NEPE推進劑單向拉伸力學行為的影響①

王小英，何鐵山，張 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化學技術(shù)研究所，襄陽 441003)

采用單向拉伸實驗，研究了不同溫度、不同拉速、不同環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響。結(jié)果表明，環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響存在一個閾值，超過該閾值后，環(huán)境壓強對最大強度的影響不大，對最大伸長率無明顯影響規(guī)律。同時，采用雙剪強度理論，建立了NEPE推進劑最大剪應力強度與環(huán)境壓強的關(guān)系。結(jié)果表明，兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，根據(jù)關(guān)系式得出，在低溫下推進劑最大剪應力強度對環(huán)境壓強更敏感，并對該關(guān)系式的其他應用進行了簡要分析。采用SEM法觀測結(jié)果表明，環(huán)境壓強主要在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強作用。

NEPE推進劑；力學性能；雙剪強度理論；環(huán)境壓強

0 引言

固體火箭發(fā)動機在點火期間，推進劑藥柱是在一定壓強下工作的。因此，有必要知道壓強對推進劑力學特性和結(jié)構(gòu)能力的影響。為此，國內(nèi)外學者針對環(huán)境壓強的作用開展了一系列研究。Kruse、Jones等的實驗表明，固體推進劑力學性能具有壓力敏感性[1]。Traissac Y[2]及CH Pai[3]等分別研究了固體彈性體材料在不同壓強環(huán)境下的力學行為。研究表明，其變化規(guī)律明顯與常壓狀態(tài)不同。何鐵山等[4]研究了常溫不同環(huán)境壓強下NEPE推進劑的力學行為變化規(guī)律，建立了環(huán)境壓強影響NEPE推進劑力學性能的數(shù)學模型，但該模型較簡單；陽建紅考慮了靜水壓力和多向應力狀態(tài)，提出了推廣的雙剪強度準則[5]；姚東對雙剪強度準則進行了推廣應用，預測了多種條件下的強度參數(shù)[6]。但以上研究一般針對常溫下環(huán)境壓強的影響，且未對環(huán)境壓強下的拉伸曲線進行分析。

由于壓強環(huán)境下推進劑力學性能測試難度較大，目前從公開發(fā)表文獻來看，僅文獻[4]測試了室溫下環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響，對高溫和低溫下的影響結(jié)果鮮有報道。因此，為了準確評估火箭發(fā)動機在點火工作時固體推進劑所處的工作狀態(tài)，準確分析在點火工作期間藥柱結(jié)構(gòu)的完整性，進而提高燃燒室裝藥設計水平，采用單向拉伸實驗研究了不同溫度、不同拉速下，環(huán)境壓強對NEPE固體推進劑力學行為的影響，利用雙剪強度準則評估推進劑環(huán)境壓強下的承載能力，并初步解釋了環(huán)境壓強對推進劑力學特性影響的作用機理。

1 試驗設備及方法

試驗設備為自制高壓材料試驗機，以氮氣為增壓氣體，同時配備4只載荷傳感器，每只傳感器滿量程為1 kN。試驗樣品為啞鈴形試件，按GJB 770A297規(guī)定的相關(guān)方法制備。

測試試樣為NEPE固體推進劑，其中粘合劑為PEG/NG/BTTN，固體組分為HMX/AP/Al，固體含量73%。固體推進劑試樣在每種設定壓強條件下保壓40 min。每種測試條件下一次性同時測試4個試樣，力學性能測試結(jié)果取平均值。實驗環(huán)境壓強p為0.1～9.9 MPa(一個大氣壓為0.1 MPa)；測試溫度T為-20、20、70 ℃；對應拉速V分別為100、100、2 mm/min。

2 試驗結(jié)果

2.1 環(huán)境壓強對推進劑應力應變曲線的影響

首先，觀測了常溫20 ℃、100 mm/min拉速下，不同環(huán)境壓強對NEPE推進劑應力應變曲線的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1可見，不同環(huán)境壓強下，NEPE推進劑初始階段曲線基本相同(≤60%)，在拉伸后期，隨著環(huán)境壓強的增大，推進劑最大抗拉強σm(拉伸曲線中抗拉強度最大值)和伸長率εm(σm對應的伸長率)均逐漸提升。

這是因為NEPE推進劑在拉伸初始階段是不可壓縮的，在填料顆粒周圍的真空孔穴數(shù)量很少，環(huán)境壓強對拉伸特性影響較小，因此表現(xiàn)出初始階段拉伸曲線基本相同。隨著拉伸進行，推進劑內(nèi)部空穴數(shù)目將逐漸增加。此時，外部氣壓一方面可延緩真空孔穴的出現(xiàn)，另一方面能使帶孔推進劑體積縮小，氣體受到擠壓。因此，外部壓強越大，推進劑脫濕的越晚，其最大拉伸強度和伸長率均提高。

2.2 不同條件下環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響

圖1中，常溫下環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學行為存在較大影響，為觀測其它條件下的影響，測試了不同溫度下環(huán)境壓強對其σm和εm的影響，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2和圖3可見，在常溫20 ℃和高溫70 ℃條件下，當環(huán)境壓強p低于6.3 MPa時，隨著p的提高，NEPE推進劑σm和εm均逐步提高；當環(huán)境壓強高于6.3 MPa后，σm變化不大。當測試溫度為-20 ℃時，NEPE推進劑σm隨p增加而不斷增加，3種溫度條件下，當環(huán)境壓強大于6.3 MPa后，隨p提高，伸長率并無明顯變化規(guī)律。

根據(jù)文獻[7]，環(huán)境壓強對推進劑強度的影響并非呈線性增加，而是存在一個閾值，超過該閾值后，壓強的影響就不大，且該閾值壓強與應變速率和溫度有關(guān)，材料的剛性越強，閾值越大。因此，在20 ℃及70 ℃下，NEPE推進劑的壓強閾值接近6.3 MPa；在低溫-20 ℃下，并未達到該溫度下的壓強閾值。在壓強達到閾值后，環(huán)境壓強對推進劑εm的影響依賴于粘合劑耐撕裂的特性，與壓強大小關(guān)系不大。因此，NEPE推進劑最大伸長率在壓強高于閾值后，并無明顯變化規(guī)律。

以上分析表明，當發(fā)動機在一定壓強下點火時，較低的壓強有利于提高推進劑力學性能，將使推進劑的結(jié)構(gòu)完整性計算裕度增大(因為此時推進劑實際力學性能是高于計算用力學性能值)，但當壓強提升到一定值后，壓強對推進劑力學性能提升作用減弱或消失。此時，結(jié)構(gòu)設計人員不應繼續(xù)過高估算壓強對力學性能的提升作用了。

2.3 NEPE推進劑強度與環(huán)境壓強理論關(guān)系

文獻[5, 8]提出的雙剪強度準則可較好地描述推進劑強度與環(huán)境壓強的相關(guān)性：

當-30°≤θσ≤θσcr時

(1)

當θσcr≤θσ≤30°時

(2)

式中τ為八面體上剪應力；σe為平均主應力，θσ、θσcr分別為lode角和臨界lode角；A、A′為正應力影響參數(shù)；B、B′為材料的強度系數(shù)；D、D′為材料的強度參數(shù)。

其中

(3)

(4)

(5)

式中σi為正應力，i=1，2，3。

當推進劑為三軸壓縮時，θσ取-30°，拉伸時θσ取30°。

當推進劑受單軸拉伸載荷時，正應力σ1等于單軸拉伸最大強度σm，σ2=σ3=-p，將其分別代入式(3)和式(4)，即可求σe和τ。

由于NEPE推進劑主要應用于戰(zhàn)略導彈中，其使用環(huán)境一般為-20～70 ℃，結(jié)合發(fā)動機對推進劑藥柱的力學性能指標要求(指標一般要求提供常溫、低溫下拉速100 mm/min，高溫70 ℃拉速為2 mm/min時力學性能)，分別列出了-20、20、70 ℃，不同環(huán)境壓強下平均主應力σe和剪應力τ值，結(jié)果見表1。

由表1可見，隨環(huán)境壓強的增大，八面體剪應力τ逐漸增加。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，取同一加載條件下環(huán)境壓強的3組或3組以上數(shù)據(jù)，代入式(1)中，即可構(gòu)成關(guān)于3個參數(shù)的方程組，從而求出參數(shù)A、B和D的線性解答?？梢?，環(huán)境壓強大小決定了σe值，σe值和A、B、D3個參數(shù)共同確定推進劑的最大八面體剪應力τ。從力學內(nèi)涵來看，壓強通過對應力狀態(tài)的影響，主要體現(xiàn)在σe中(見式(3))，而溫度和拉伸速率的影響主要體現(xiàn)在參數(shù)A、B和D中[6]。

根據(jù)表1計算得出的A、B、D值及τ8與p關(guān)系式，列于表2中。由表2可知，在不同溫度、不同拉速下，τ8與壓強均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高于0.99。為便于比較，將表2中τ8與p關(guān)系式得出的擬合值列于表1中。

由表1可見，擬合值與計算值非常接近，說明雙剪強度準則是適用于推進劑在多軸應力狀態(tài)下的強度準則。利用該關(guān)系式，還可預測出不同溫度、不同壓強下的τ8，并與有限元計算出的結(jié)果進行對比，得出發(fā)動機實際點火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。例如，某燃燒室點火建壓過程的分析得出，藥柱某關(guān)鍵部位的對等加載條件為20 ℃、110 mm/min，工作壓強為7 MPa，參照表2公式，其τ8約為4.21 MPa，同時結(jié)構(gòu)設計人員利用有限元進行結(jié)構(gòu)完整性計算，假設計算結(jié)果為1.83 MPa，則此時發(fā)動機點火的安全系數(shù)為4.21/1.83=2.3，即為發(fā)動機實際點火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。

表2中，τ8與p的關(guān)系式中，斜率大小代表了推進劑強度對壓強的敏感程度，斜率越高，表示越敏感。因此，在低溫下NEPE推進劑強度對環(huán)境壓強更敏感，高溫下敏感性略低。這與NEPE推進劑屬于粘彈性材料密切相關(guān)。一方面，低溫下推進劑中粘合劑基體鏈段發(fā)生了部分凍結(jié)，外載荷作用時，分子鏈段重新取向難度大，當施加壓強后，進一步提高了填料顆粒與粘合劑之間的有效剪應力和摩擦力[9]，因此低溫下表現(xiàn)為推進劑強度對環(huán)境壓強較敏感。升高溫度后，分子間鏈段運動較容易，較小的外載荷即可將分子鏈段拉長，此時環(huán)境壓強的影響相對減弱。該認識對不同溫度試車時綜合考慮壓強影響有一定參考作用。

2.4 NEPE推進劑單向拉伸斷面分析

采用SEM測試了NEPE推進劑試樣在不同壓強拉伸后的斷面形貌，結(jié)果見圖4。圖4中，-20/0.15/100依次表示測試溫度為-20 ℃、壓強0.15 MPa、拉速100 mm/min推進劑試樣拉伸斷面圖，其余類推，放大倍數(shù)均為1500倍。

由圖4可見，不同溫度下，高的環(huán)境壓強較低的環(huán)境壓強的推進劑拉伸斷面更密實，且顆粒脫濕數(shù)目和程度明顯減少。進一步驗證了推進劑受壓后主要是在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強作用。但從電鏡圖片中，并不能解釋為何推進劑的性能在低溫下比高溫對壓強更敏感，需要借助其他手段進行解析。

表1 環(huán)境壓強對NEPE推進劑力學性能的影響

表2 剪應力τ8與p的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)環(huán)境壓強對NEPE推進劑最大強度的影響并非呈線性增加，而是存在一個閾值，超過該閾值后，環(huán)境壓強對最大強度的影響不大，對最大伸長率無明顯影響規(guī)律。

(2)基于環(huán)境壓強下NEPE推進劑的破壞強度可用雙剪強度準則表達。根據(jù)剪應力和環(huán)境壓強的關(guān)系式，可預測出不同溫度、不同壓強下的八面體剪應力，并與有限元計算結(jié)果對比，可得出發(fā)動機實際點火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。

(3)環(huán)境壓強對NPPE推進劑的影響主要在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強作用，但無法解釋為何推進劑的性能在低溫比高溫時對壓強更敏感，下一步需要借助其它手段進行分析。

[1] 俞茂宏.強度理論百年總結(jié)[J].力學進展,2004,34(4):529-560.

[2] Traissac Y,Ninous J,Neviere R,Pouyet J,et a1.Mechanical behavior of a solid composite propellant during motor ignition[J].Rubber Chemistry and Technology,1994,68(1):146-157.

[3] Pal P CH,DJ Meier.The effect of pressure on the ultimate properties of elastomers[J].Rubber Chemistry and Technology,1992,65(2):396-410.

[4] 何鐵山,張勁民.環(huán)境壓強對固體推進劑力學行為的影響[J].推進技術(shù),2005,26(4):365-370.

[5] 陽建紅，周敬恩，劉朝豐.基于環(huán)境壓強下NEPE固體推進劑雙剪強度準則[J].固體火箭技術(shù)，2007，30(3):253-255.

[6] 姚東，高波，楊月誠，等.壓力環(huán)境下NEPE推進劑強度參數(shù)預測[J].強度與環(huán)境，2013,40(1):23-28.

[7] 達維納.固體火箭推進劑技術(shù)[M].北京：宇航出版社,1997.

[8] 俞茂宏.雙剪應力強度理論研究[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[9] 王廣，陳剛.圍壓對NEPE推進劑強度的影響[J].上海航天，2011,28(3):55-59.

(編輯：崔賢彬)

Effect of environment pressure on the uniaxial tensile mechanical properties of NEPE solid propellants

WANG Xiao-ying,HE Tie-shan,ZHANG Lin,TANG Quan,HU Xiang

(Hubei Inst.of Aerospace Chemotechnology,Xiangyang 441003,China)

The mechanical properties of NEPE solid propellant were studied under the different temperature,tensile rates and environment pressure by uniaxial tensile tests.The result shows that there is a threshold value in the influence of environmental pressure on the mechanical behavior of NEPE propellant.When the value exceeds this threshold, the influence of environmental pressure on the maximum intensity is ignorable and there is no significant influence on the maximum elongation.At the same time,twin-shear strength theory was used to establish the correlation between the maximum shear stress intensity of NEPE propellant and environmental pressure.The result shows that there is a great linear relationship between them.According to the relational expression, it is obtained that the maximum shear stress intensity of the propellant is more sensitive to environmental pressure under lower temperature.Other possible applications of this relationship with a mathematical expression were also analyzed briefly.The SEM method was adopted to observe the fracture cross-sections,and it has been shown that the environmental pressure plays a greater role in the suppression of particle dewetting and hole reduction.

NEPE propellant；mechanical properties；twin-shear strength theory；environment pressure

2016-03-04；

2016-07-06。

王小英(1980—)，女，碩士，從事推進劑力學性能研究。E-mail：wangxiaoying321@163.com

V512

A

1006-2793(2017)04-0466-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.012