基于薄弱環節的發動機加速貯存試驗研究

文 | 第二炮兵裝備研究院 李祥臣 易當祥 趙韶平 張國彬

基于薄弱環節的發動機加速貯存試驗研究

文 | 第二炮兵裝備研究院 李祥臣 易當祥 趙韶平 張國彬

對基于薄弱環節的發動機加速貯存試驗的理論依據和發動機加速貯存試驗的基本流程進行了介紹，在對發動機薄弱環節的確定方法和薄弱環節失效機理分析的基礎上，提出了材料、部組件和整機層層遞進的加速貯存試驗方案和基于物理老化、化學老化和使用載荷驗證的發動機加速貯存試驗一體化設計方法。

薄弱環節；發動機；加速貯存試驗

1.言

加速貯存試驗是在不改變產品的失效機理的前提下，用加大應力的方法加速產品失效過程，在短時間內達到長時間自然貯存的效果。由于整機產品包含著多種元器件和材料，導致組件貯存失效的因素或機理比較復雜，無法滿足加速壽命試驗的單失效機理要求，如果任選一種加速應力去做試驗，其結果難以反映實際情況，影響了整機加速貯存試驗的研究與應用。目前，整機的加速貯存試驗設計主要是采取基于薄弱環節的設計思路。俄羅斯（前蘇聯）、烏克蘭等國家在“加速貯存試驗”和“加運輸試驗”等技術的應用方面取得了卓著成效，是前整機產品加速貯存壽命試驗技術最成熟的國家。

基于薄弱環節的加速貯存試驗的理論依據是木桶原理。根據木桶原理，任何一種產品的壽命都取決于該產品中易失效件的壽命，無論產品的其他關鍵件、重要件或性能設計怎樣優越，一旦影響產品性能的任何一個零部件或元器件發生失效，該產品的壽命即告終結，因此產品貯存壽命取決于它的薄弱環節中易失效件的可靠貯存壽命。那么，找出薄弱環節后，整機產品的加速貯存壽命試驗就轉化為零部件或元器件的加速貯存壽命試驗。試驗的關鍵是對產品薄弱環節的分析。

2.動機薄弱環節分析

目前確定產品長期貯存可靠性薄弱環節的方法通常有以下5種：相似產品法、使用信息統計分析法、排列圖法、故障樹分析法和故障模式影響及其危害性分析（FMECA）法[1]。

2.1.似產品法

相似產品法對新研制的電容器件，若有貯存歷史的相似產品時，可用分析對比的方法確定易失效件，尋找薄弱環節，分析失效原因。

2.2.用信息中統計分析法

產品薄弱環節的確定，可以從使用信息中統計分析得出失效模式比率的數據，找出相對失效頻數最大的失效模式，即找到了薄弱環節。

2.3.列圖法

排列圖，又叫主次圖、巴雷特圖如圖1 所示。將其應用到失效模式分析，以縱坐標表示某一失效模式的失效數占總失效數的百分數，也叫相對頻數；以橫坐標表示各種失效模式，并按失效頻數的大小，以對應的直方圖高低依次排列，最后將直方形的百分數從左到右累加起來得一曲線。

一般情況將累積百分數的0%～80% 的失效模式稱為關鍵失效模式；占80%～90% 的失效模式稱為主要失效模式；占90%～100% 的失效模式稱為次要失效模式。找到了關鍵失效模式，即找到薄弱環節。

2.4.障樹分析法

通過對可能造成系統故障的各種因素（包括硬件、軟件、環境、人為因素等）進行分析，畫出邏輯圖（即故障樹），從而確定系統故障原因的各種可能組合方式及其發生概率，以計算系統故障概率。故障樹分析法一般用在比較大的系統故障分析方面。

2.5.障模式影響及其危害性分析（FMECA）法

故障模式影響及其危害性分析，考慮的因素較全面，除考慮失效模式出現的概率之外，還考慮了故障模式對產品的安全性可靠性影響的嚴重程度，應用起來很簡單實用。

根據失效物理基本理論，導彈發動機在貯存階段任何構件失效 （故障），都是由其貯存環境的影響和內在因素的變化而造成的，導彈發動機的貯存可靠性就是由易發生失效的構件（薄弱環節）的可靠性決定的。采用以上五種分析方法，結合導彈發動機實際貯存經驗，確定固體發動機容易發生失效的構件主要有殼體、藥柱、噴管、密封結構、粘接界面[2]。

(4)已知SCl2的沸點為50℃。實驗結束后,將三頸燒瓶中混合物分離開的實驗操作名稱是____。若反應中消耗的Cl2的體積為896mL(標準狀況,SO2足量),最后得到純凈的SOCl26.76g,則SOCl2的產率為____(保留兩位有效數字)。

金屬殼體主要失效模式是銹蝕、掉漆；復合材料殼體主要失效模式有分層、 裂紋（表面和內部），材料基體膨脹或開裂、空隙。主要影響其承載能力和氣密性，導致殼體的機能下降或失效。

固體推進劑藥柱的失效模式隨環境應力不同表現為：在外界應力作用下， 產生裂紋、 空隙及撕裂， 在低溫下還表現為變硬、變脆和脫粘，高濕下變軟等。 對力學性能的影響主要表現在藥柱拉伸強度下降，延伸率上升，對燃速、燃燒溫度、 燃燒室壓強等燃燒特性也產生很大影響。

噴管主要失效模式有絕熱層脫粘， 密封處密封材料性能下降， 柔性防熱套 3 層漆布粘接在一起，噴管材料出現腐蝕等。導致出現漏氣穿火現象，抗燒蝕性下降，力學性能下降，結構強度降低。

密封結構主要失效模式有橡膠 O 形密封圈的老化、破損、撕裂、切口、磨損、鍛痕、裂紋、破裂、過分擦傷、變形；螺栓組件的斷裂、疲勞破壞、應力松弛等會導致密封失效，發生泄漏。

推進劑／襯層、絕熱層／殼體之間的粘接界面脫粘是最主要的失效模式，也是固體導彈失效的重要原因之一。脫粘破壞了原藥型設計的燃燒規律，使用中導致燃面增大、壓力增高，嚴重者引起發動機穿火、爆炸[3]。

3.體發動機加速貯存試驗技術

發動機加速貯存試驗是按照產品結構的組成形式，同時根據以往型號貯存過程出現的問題，采用非金屬材料、部組件、整機加速貯存層層遞進的方式。通過對非金屬材料、部組件失效模式和失效機理的研究，確定產品的薄弱環節。在非金屬材料及其表征試件、部組件及模擬件的加速貯存試驗研究基礎上，模擬導彈的實際貯存環境，結合部組件加速貯存試驗后的地面試驗驗證各項測試數據，安排發動機整機的加速貯存試驗，進行整機貯存期綜合評估。同時，通過對各級試驗結果的分析、驗證，結合自然貯存試驗的結果，給出發動機貯存期評估結論，其基本試驗流程見圖2。

3.1.金屬材料加速貯存試驗

非金屬材料加速貯存試驗，主要考核非金屬材料和粘接界面在規定的應力下的老化特性，其主要目的是：a) 選取合適的表征參數；b)獲得產品試驗的極限值（溫度、振動等）；c) 獲得產品特定溫度相對常溫的加速因子；d)獲得產品特征表征參數的變化趨勢，進而得到產品的失效機理。

部組件級貯存試驗是在材料貯存試驗的基礎上，既是對材料級貯存試驗結論的驗證，又在更高的層次上，對產品的性能指標進行考核。部組件相對于整機來講結構簡單，失效模式比整機少，其失效模式和機理一般是單一的，所以要確定能有效地加速失效而又不大改變失效機理的應力就容易得多。

3.3.動機整機加速貯存試驗

發動機的加速試驗要綜合考慮導彈使用的剖面，主要的環境應力有溫度循環、熱老化和運輸振動、沖擊等使用力學載荷。以某薄弱環節最低極限值（溫度、振動）作為加速應力極限值，以某種材料或部組件的活化能確定加速貯存試驗周期，開展發動機整機加速貯存試驗，在特征年進行試車，考核發動機的工作性能，驗證貯存后發動機滿足使用載荷的能力，進行貯存期評估。

4.用實例

某型號發動機進開展加速貯存試驗，進行產品的失效模式和失效機理的研究，給出貯存期15年的評估結論。

4.1.排的非金屬材料的熱老化加速貯存試驗(試驗項目見表1)，考核非金屬材料的熱老化性能。

4.2.排發動機殼體、燃燒室、噴管、柔性接頭等部組件進行加速老化試驗。以發動機殼體為例，該發動機為非金屬纖維纏繞的復合材料殼體，其主要失效模式有分層、裂紋（表面和內部），材料基體膨脹或開裂、空隙。主要影響其承載能力和氣密性，導致殼體的機能下降或者失效，貯存試驗以此作為考核的指標，試驗的流程見圖3。

4.3.機的加速貯存試驗方案：安排6臺發動機進行物理加速老化、熱化學加速老化和振動、沖擊等使用載荷試驗，試驗過程如圖4。

物理加速老化剖面為5℃～51℃循環，每個溫度保溫24小時，共作兩個循環。

以推進劑最高極限溫度70℃作為發動機熱老化溫度的試驗依據，取60℃作為熱加速老化溫度；以導彈密封環的作為發動機的老化薄弱環節進行試驗設計，7天相當于常溫1年，在老化84天（相當于常溫12年）之后進行地面試車。

根據導彈實際使用載荷，安排汽車運輸試驗，公路等級4級，運輸里程按照每年200公里（12年，2400公里），運輸試驗結束后，進行最大沖擊量20g的沖擊試驗。然后進行地面試車，檢驗工作性能。

通過非金屬材料、部組件和發動機整機的加速試驗，摸清導彈各個薄弱環節的時效機理，并分別對發動機的物理老化性能、化學老化性能和使用載荷進行考核和驗證，獲得了發動機12年貯存期的評估。通過與自然貯存信息的相互驗證，進一步提高了結論的可信度。

5.論

基于薄弱環節的整機加速貯存試驗方法，是在對產品的失效機理不夠清楚、加速貯存試驗技術和方法不夠成熟的情況下采取的一種較為穩妥可信的試驗方法。在材料、元器件、部組件加速貯存試驗的基礎上，進行失效模式與機理研究，獲得產品的加速因子，確定整機的薄弱環節，以此作為整機加速試驗設計的依據，同時對各個層次的試驗結論相互驗證，增加了結論的可信度。

表1.動機非金屬材料加速貯存試驗項目表

[1] 林震，李憲姍，姜同敏，程永生.整機產品加速貯存壽命試驗研究思路探討[J].航空標準化與質量，2006，38-41.

[2] 常新龍，孫兵曉，馬章海，胡寬. 固體發動機失效模式分析及貯存可靠性評價指標體系研究[J]. 質量與可靠性，2008（5），24-27。

[3] 靳娜， 婁壽春. 地空導彈武器系統可靠性分析及指標論證研究 [J] . 裝備技術指揮學院學報，2006（6），35-40.

Research on Accelerated Storage Test of Solid Rocket Motor Based on Weak Links

The theoretical principle of accelerated storage test based on weak links and its basic flow chart is introduced. Based on the analysis of weak links and a method of determining the weak link failure mechanism, the article puts forward a method of accelerated storage test made up by material, component and appliance, and an integration design method based on physical aging, chemical aging and the use of load verification engine.

weak link；solid rocket motor；accelerated storage test

李祥臣（1969.12-），碩士，主要從事可靠性與貯存延壽研究。