高低溫循環下HTPB推進劑力學性能規律研究＊

常新龍，簡 斌，李 俊，路志勇，賴健偉

（1第二炮兵工程學院，西安 710025；2 96165部隊，江西樂平 333300；3 96151部隊，安徽黃山 245040）

0 引言

固體推進劑藥柱在壽命周期內，由于環境溫度載荷譜的變化（貯存溫度與固化溫度的不同及日常環境溫度的變化）及固體火箭發動機不同結構所用材料的熱膨脹系數存在差異，使藥柱長期處于交變熱應力作用之下［1－3］。溫度交變使藥柱內部產生熱應力和熱應變，對藥柱的長期貯存造成嚴重的累積損傷，從而使藥柱的力學性能下降。文中通過高低溫循環實驗和單軸向拉伸實驗，研究了高低溫循環下HTPB推進劑的力學性能變化規律。

1 實驗

1.1 高低溫循環實驗

試樣為HTPB推進劑，其固體填料為AP、HMX和AL粉。本實驗參考標準GJB150.5－86《軍用設備環境試驗方法 溫度沖擊實驗》進行。實驗使用SDJ705型高低溫濕熱交變試驗箱，其溫濕度調節范圍分別為－70℃～＋100℃和30%～98%RH，溫濕度偏差分別為±2℃和±3%RH，在濕熱模式下其溫度均勻度≤1℃，波動度為±0.5℃。

結合GJB1172.2－91《軍用設備氣候極值 地面氣溫》，選定高低溫循環實驗參數如下：

1）一個周期的循環溫度順序為：25℃～55℃～25℃～－51℃～25℃（如圖1所示）。

2）實驗溫度保持時間：高（55℃）、低（－51℃）、常溫（25℃）均保持1h（保證試件溫度達到穩定）。

3）轉換時間：高溫和常溫之間的轉換時間為30min，低溫和常溫之間的轉換時間為90min。保證變溫速率不大于1℃／min。

4）循環程序與周期：一個周期8h，分別進行5、10、15、20、25個周期的實驗（每次實驗為3個試件）。

將試件放入高低溫濕熱交變試驗箱中，試件之間，以及試件與試驗箱壁、箱底及箱頂之間應當有適當間隔，以確保環境因素準確、均勻的作用在試件上。按上述實驗設計編制循環程序，設置好溫度、溫度轉換時間、循環周期數等參數，試驗箱將自動按照設定的程序完成高低溫循環實驗。

圖1 高低溫循環實驗的溫度載荷圖

1.2 單向拉伸實驗

根據航天部標準QJ924－85《復合固體推進劑單向拉伸試驗方法》測試經高低溫循環實驗后試樣的單向拉伸力學性能，測試儀器為Instron 5500型萬能材料試驗機，拉伸速度為100mm／min，溫度為（23±2）℃，相對濕度小于60%RH。

2 實驗結果與分析

最大抗拉強度和最大延伸率為3個試件的平均值，為了對比方便，對HTPB推進劑的最大抗拉強度和最大延伸率進行無量綱化處理，在此采用初值化處理［4］，則無量綱化的最大抗拉強度和最大延伸率為：

式中：ησ和ηε分別為無量綱化的最大抗拉強度和最大延伸率量，σm（0）和εm（0）分別為初始最大抗拉強度和最大延伸率量，σm（n）和εm（n）分別為高低溫循環n個周期的最大抗拉強度和最大延伸率量。

圖2給出了HTPB推進劑無量綱化的最大抗拉強度、最大延伸率與高低溫循環周期數n的關系。

圖2 ησ、ηε 與n的關系

從圖2中可以看出，高低溫循環下HTPB推進劑的最大抗拉強度和最大延伸率隨著高低溫循環周期數的增加而下降，初期下降迅速，中后期下降緩慢，這與貯存老化（熱氧老化）力學性能變化規律不同（HTPB推進劑貯存老化力學性能變化規律［5－6］為：在貯存初期，最大抗拉強度略有下降而最大延伸率略有上升；在貯存中后期，最大抗拉強度上升而最大延伸率下降），這種不同主要是由于HTPB推進劑在高低溫循環過程中產生脫濕所致；高低溫循環下力學性能初期下降迅速，中后期下降緩慢說明脫濕初期發展迅速，中后期發展緩慢。眾所周知，貯存老化下HTPB推進劑性能變化規律一般應用阿累尼烏斯方程來研究，高低溫循環下與貯存老化下HTPB推進劑力學性能變化規律的不同說明利用阿累尼烏斯方程來研究高低溫循環下HTPB推進劑力學性能變化規律可能會出現很大偏差，因此文中探討性的利用灰色理論來預測高低溫循環下HTPB推進劑力學性能隨高低溫循環周期數的變化情況。

3 力學性能預測模型

由于實驗數據量有限，應用灰色理論預測HTPB推進劑力學性能的變化情況是一種較為有效的方法。根據實驗數據建立其力學性能的GM（1，1）模型，并對殘差進行修正，其詳細的建模過程見文獻［4］。

最大抗拉強度的灰色預測模型為：

將由灰色模型預測和實驗得到的最大抗拉強度及其殘差的相對誤差eσ＝ ［σm（n）－（n）］／σm（n）表示在圖3中，從圖3中可知，灰色模型預測結果的相對誤差的絕對值小于0.8%，說明文中得出的最大抗拉強度灰色預測模型是可行的。

圖3 σm、eσ 與n的關系

圖4 εm、eε 與n的關系

最大延伸率的灰色預測模型為：

將由灰色模型預測和實驗得到的最大延伸率及其殘差的相對誤差表示在圖4中，從圖4中可知，灰色模型預測結果的相對誤差的絕對值小于4%，說明文中得出的最大延伸率灰色預測模型是可行的。

從圖3～圖4中的灰色模型值與實驗值對照來看，也說明灰色預測模型可以較準確地反映本實驗條件下HTPB推進劑最大抗拉強度、最大延伸率隨高低溫循環周期數的變化情況。

4 失效破壞分析

式中：Nfσ為所對應的失效循環數，由式（2）確定；Nfε為所對應的失效循環數，由式（3）確定。則失效時的臨界循環數為：

因此當在此實驗環境下高低溫循環47次后HTPB推進劑失效，這說明在此高低溫循環環境對于HTPB推進是極為惡劣的。

5 結論

1）高低溫循環下，HTPB推進劑的最大抗拉強度和最大延伸率隨著循環周期數的增加而下降，初期下降迅速，中后期下降緩慢。

2）高低溫循環下HTPB推進劑力學性能變化規律與熱氧老化下的力學性能變化規律不同，這主要是由高低溫循環過程中產生脫濕所致。

3）由灰色模型預測出本實驗所用HTPB推進劑材料在此實驗條件下進行高低溫循環47次后失效。

［1］馮志剛，周建平.長期貯存的固體火箭發動機藥柱的溫度應力分析［J］.推進技術，1994（6）：42－49.

［2］Heller R A，Singh M P.Thermal storage life of solidpropellant motors［J］.J.Spacecraft，1982，20（2）：144－149.

［3］徐新琦，袁書生，隋玉堂.貯存條件下推進劑藥柱的應力、應變分析［J］.海軍航空工程學院學報，2002，17（3）：313－317.

［4］袁嘉祖.灰色系統理論及其應用［M］.北京：科學出版社，1991：21－24.

［5］李松年，劉勇，王羅新，等.HTPB推進劑儲存老化性能試驗研究［J］.推進技術，2006，27（5）：473－476.

［6］羅懷德，張昊，杜娟.固體推進劑使用壽命快速預測探索研究［J］.固體火箭技術，2000，23（1）：31－35.