固體推進劑寬溫-氣體圍壓試驗系統設計與試驗

申志彬，張 亮，職世君

(1. 國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073；2. 中國空空導彈研究院，洛陽 471000)

0 引言

固體發動機在點火增壓過程中極易因結構完整性破壞導致發射或試車失敗，其中固體推進劑的力學性能是關鍵。近年來，推進劑在常壓條件下力學性能滿足要求，而發動機結構完整性破壞事故頻發，已成為困擾行業的一大難題。點火增壓過程中，固體推進劑處于圍壓狀態(三向受壓)，但由于推進劑的不可壓縮性，藥柱環向為拉應變(主應變)。固體推進劑為典型的粘彈性材料，其力學性能與載荷和環境密切相關。推進劑屬于壓力敏感材料，在壓力環境下，推進劑的強度、延伸率以及破壞模式與常壓下差別很大[1]。因此，亟需開展圍壓環境下推進劑的力學性能研究。

針對圍壓環境下固體推進劑的力學性能，法國波爾多(DE Bordeaux)大學物理力學實驗室Traissas等[2]通過在不同溫度(-60～60 ℃)、不同拉伸(0.06～600 mm/min)和不同圍壓下(0～15 MPa)的單軸拉伸和剪切試驗，發現圍壓環境明顯提高了推進劑的失效應力和失效應變。法國達維納(Davenas A)[3]在專著中總結了圍壓環境下推進劑的性能特點，初步分析了環境壓強對推進劑性能影響的規律及原因。美國德克薩斯大學奧斯汀分校?züpek[4]在學位論文中研究高低溫(-30～50 ℃)、不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)條件下環境壓強對PBAN推進劑力學性能影響，發現圍壓環境對“脫濕”前推進劑力學性能影響不大，卻嚴重影響推進劑的破壞參數。Tunc和?züpek[5-6]研究了圍壓環境下推進劑三維粘彈性本構模型及其實現方式。

國內方面，航天科技四院何鐵山和張勁民[7]研究常溫兩種拉伸速率(100 mm/min和500 mm/min)條件下環境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響，發現NEPE 推進劑的抗拉強度、伸長率均隨環境壓強的增加而增大。王小英等[8]考慮寬溫(-20～70 ℃)環境的影響，研究了不同拉伸速率(2～500 mm/min)條件下環境壓強對NEPE 推進劑力學行為的影響。沙寶林等[9]進行了常溫兩種拉伸速率(5.0 mm/min 和50 mm/min)下推進劑的圍壓試驗，提出了壓力環境下含損傷推進劑的本構關系。南京理工大學張彬等[10]基于單軸拉伸試驗機設計了油壓圍壓試驗裝置，并對常溫下圓柱形雙基推進劑試樣進行不同速率(0.1～500 mm/min)下的圍壓壓縮試驗。

為解決點火增壓過程藥柱結構完整性精細評估問題，圍壓快速拉伸條件下推進劑力學性能準確測試是關鍵，特別是-50 ℃低溫圍壓環境下推進劑的力學性能對深入研究發動機在低溫環境下的破壞模式具有重大意義。限于試驗條件，目前溫度-圍壓-快速拉伸耦合條件對推進劑力學性能的影響方面的研究還較少，特別是針對目前廣泛使用的HTPB推進劑在圍壓環境下力學性能的研究還很不充分。

針對行業難題，本文考慮發動機實際使用環境，研制了固體推進劑寬溫-氣體圍壓試驗系統，獲得了推進劑在不同圍壓環境、溫度和拉伸速率下的力學性能，可為固體發動機精細結構完整性分析提供技術支撐。

1 試驗系統設計

1.1 系統原理

固體推進劑寬溫-氣體圍壓試驗系統主要利用高壓氣體形成對推進劑試樣進行加載的圍壓環境，通過對流換熱方式對高壓氣體及推進劑試樣進行溫度控制，系統結構如圖1所示。

系統研制過程突破單軸加載模塊小型化，-50 ℃低溫密封、快速加載動密封等多項關鍵技術，可提供0～20 MPa、-80～300 ℃范圍內的圍壓和溫度環境，單軸加載模塊最高加載速率為2000 mm/min，能夠滿足推進劑寬溫域、圍壓和快速加載需求。

圖1 系統結構示意圖

1.2 系統實現

系統的實現過程，就是將特制的小型力學試驗機置于密閉的配套壓力容器中，并通過定制的專用溫箱對壓力容器進行溫度控制，與壓力容器一起構成推進劑力學性能測試的寬溫-氣體圍壓試驗環境。推進劑寬溫-氣體圍壓試驗系統主要包括單軸加載、圍壓環境及溫度環境三個模塊，系統實物如圖2所示。

圖2 系統實物圖

單軸加載模塊為一臺特制的小型力學試驗機，其最大載荷為1000 N，最大加載速率為2000 mm/min，最大行程為150 mm；能夠分別實現載荷、位移和速率控制加載。主要用于對試樣進行單軸加載，能夠開展推進劑松弛、蠕變、單向定速拉伸/壓縮等試驗。為克服溫度漂移對載荷傳感器精度的影響，測試前分別在使用溫度下對傳感器進行標定。

圍壓環境模塊由定制的試驗機配套壓力容器、空壓機、穩壓罐以及壓力控制和采集設備組成。使用時，先利用空壓機對穩壓罐進行充氣儲壓，然后通過穩壓罐對壓力容器進行快速增壓。

溫度環境模塊為定制的大功率專用溫箱，可對壓力容器進行快速升降溫，提供推進劑試驗所需要的溫度環境。該溫箱的調溫范圍為-80～300 ℃，升降溫速率為1 ℃/min，能夠確保在2 h內完成推進劑使用溫度范圍-50～70 ℃內的升降溫。

2 試驗方案

低溫點火試驗是空空導彈發動機的鑒定考核試驗，發動機藥柱在低溫、高壓聯合作用下，結構完整性承受嚴峻的挑戰，其中摸清固體推進劑在使用環境下的力學性能是關鍵。隨著作戰環境的惡化，近年來軍方將固體發動機使用溫度拓寬到了-50 ～70 ℃。

為摸清使用環境下，推進劑在寬溫-圍壓環境下的力學性能，對某空空導彈用高固體含量(質量分數0.87)HTPB三組元復合推進劑進行了高低溫、圍壓、快速加載條件下的定速拉伸試驗。為了與常壓條件下數據進行對比分析，試驗采用標準澆注成型推進劑啞鈴形試樣[11]，試樣尺寸和形狀見圖3。

(a)幾何尺寸

(b)試驗件

參考《GJB770B—2005火藥試驗方法》[11]中推進劑單向定速拉伸試驗標準，根據空空導彈藥柱結構完整性分析特殊需求，設計寬溫-圍壓環境下推進劑單向定速拉伸試驗方案：分別考慮70(高溫)、23(常溫)、-50 ℃(低溫)三個溫度點；100、500、1000 mm/min 三個拉伸速率；考慮0(常壓0.1 MPa)、2、5、8 MPa 四種壓力環境，共進行36組試驗，每組平行試樣4個。

3 試驗結果分析

利用所研制的推進劑氣體圍壓試驗系統對推進劑進行了單向定速拉伸試驗，得到了不同圍壓環境、不同溫度和不同拉伸速率下推進劑應力-應變曲線。

3.1 壓力與拉伸速率耦合影響

圖4給出了常溫23 ℃不同環境壓力和拉伸速率條件下的推進劑應力-應變曲線。

(a)T=23 ℃，p=0 MPa

(b)T=23 ℃，p=8 MPa

由圖4(a)可看出，常壓環境下推進劑應力-應變曲線具有明顯的“脫濕”點[12]。隨著拉伸速率的增大，推進劑最大抗拉強度σm提高；與100 mm/min拉伸速率相比，500 mm/min拉伸速率下推進劑的延伸率變化不大，而1000 mm/min下推進劑延伸率明顯提高。這是因為推進劑損傷的發生不僅需要達到一定的載荷，也需要一定的時間。相比慢速拉伸，推進劑在快速拉伸時，“損傷”發生較為滯后，使得推進劑強度和延伸率均有所提高。

由圖4(b)可看出，圍壓環境下推進劑應力-應變曲線沒有明顯的“脫濕”點。這是因為圍壓環境延緩了推進劑真空孔穴的出現，抑制了顆粒“脫濕”、降低了空穴數量[8]。結合圖4(a)與圖4(b)，圍壓環境下推進劑強度提高了50%以上；100 mm/min低速拉伸條件下，推進劑延伸率與常壓條件下差別不大，但當拉伸速率達到1000 mm/min時，推進劑延伸率急劇下降，下降幅度達45%左右。這與文獻[7-8]NEPE推進劑在圍壓環境下強度和延伸率均提高的現象不同，可能與所使用的推進劑固體含量較高有關，也可能與本試驗系統拉伸速率較高有關。

考慮到目前點火內壓下藥柱結構完整性主要采用延伸率判據[13]，為研究環境壓強和拉伸速率耦合作用對推進劑延伸率的影響，圖5給出了常溫不同拉伸速率下環境壓強對推進劑應力-應變曲線的影響曲線。

(a)T=23 ℃，v=100 mm/min

(b)T=23 ℃，v=1000 mm/min

由圖5可明顯看出，不同圍壓環境下，應力-應變曲線的初始階段曲線基本相同，說明圍壓環境不影響初始模量，這與文獻[8]中NEPE推進劑在圍壓環境下的性能類似。還可看出，常溫100 mm/min低速拉伸條件下，圍壓環境對推進劑的延伸率影響不明顯；而當拉伸速率到達1000 mm/min時，推進劑最大延伸率由常壓下45%下降到8 MPa壓力下的24.5%，相對降低了45%。圍壓快速拉伸條件下，HTPB推進劑延伸率下降顯著，這可能是導致推進劑常壓條件下力學性能滿足要求，而點火增壓過程發動機藥柱結構完整性破壞頻發的主要原因。

3.2 壓力與溫度耦合影響

推進劑是典型的粘彈性材料，溫度也是影響其力學性能的一個重要因素。圖6給出了低溫-50 ℃不同拉伸速率下環境壓力對推進劑應力-應變曲線的影響。

(a)T=-50 ℃，v=100 mm/min

(b)T=-50 ℃，v=500 mm/min

低溫點火試驗是發動機最嚴酷的使用工況。低溫條件下，推進劑變硬。由圖6可看出，-50 ℃條件下，推進劑強度提高，100 mm/min拉伸速率下推進劑延伸率略高，但隨著拉伸速率的提高，推進劑延伸率急速下降。-50 ℃圍壓環境下，100 mm/min拉伸速率下推進劑延伸率都出現了明顯下降；當拉伸速率達到500 mm/min時，推進劑延伸率隨環境壓力的升高急劇下降，推進劑最大延伸率由常壓下的33.5%降至8 MPa圍壓環境下的10.5%，降幅達67%。這種高壓強、高應變速率導致的推進劑延伸率的急劇下降可能是導致低溫點火試驗藥柱結構完整性破壞的重要原因。

4 結論

通過對某高固體含量的HTPB三組元復合推進劑在不同溫度、加載速度、環境壓力下的單向定速拉伸力學性能研究，可得到如下結論：

(1)所研制的固體推進劑寬溫-氣體圍壓試驗系統能夠滿足推進劑在不同溫度、壓力和拉伸速率下的力學性能測試需求，為藥柱精細結構完整性評估提供數據支持。

(2)與常壓不同，圍壓環境抑制了推進劑損傷的發生，圍壓環境下推進劑應力-應變曲線沒有明顯的“脫濕點”。

(3)圍壓環境提高了推進劑的強度，低速拉伸條件下推進劑延伸率變化不大，高速拉伸條件下推進劑延伸率下降明顯。與常壓條件相比，23 ℃常溫、8 MPa圍壓、1000 mm/min拉伸速率條件下，推進劑最大延伸率相對降低了45%。

(4)低溫快速拉伸條件下推進劑力學性能最為惡劣。-50 ℃低溫、8 MPa圍壓、500 mm/min拉伸速率條件下，推進劑最大延伸率降至11%，相比常壓降幅達67%，這可能是造成低溫點火試驗過程藥柱結構完整性破壞的主要原因。