固體火箭發動機推進劑貯存壽命預估技術研究進展

徐雪濤，丁玉奎，李天鵬，尚春明

(陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003)

固體火箭的高價值性與危險性并存，使得其壽命預估有了特殊的含義。一方面，過短的壽命預估可能造成大量未達到報廢狀態的固體火箭被銷毀，造成嚴重的經濟損失；另一方面，雖然延長預計壽命可以避免不必要的損失，但如果固體火箭發動機出現故障并投入使用，則有可能導致火箭發射失敗，甚至造成重大事故，危及人員和財產安全。因此，預測固體火箭發動機的使用壽命，成為了當前有關固體火箭研究領域重要的方向之一[1]。

固體火箭發動機一般由殼體、固體推進劑、噴嘴組件和點火裝置組成[2]。研究表明，其中殼體的壽命一般遠遠大于推進劑的壽命,其他火箭零部件大多可以被替換，所以易受環境影響且難以替換的固體推進劑成為了影響發動機壽命的主要因素[3-6]。

1 推進劑藥柱失效分類

發動機長時間貯存后必定失效，從發動機生產出廠到其失效的時間間隔，一般稱其為使用壽命。發動機推進劑失效的原因有兩個[7]：

一是藥柱缺陷導致總體結構損壞，從而影響火箭內彈道特性。藥柱缺陷也可分為兩類，一類是在燃氣壓力或其他載荷作用下，孔穴產生的應變超過推進劑的最大伸長率，形成裂紋；另一類則是粘接面失效導致的殼體、襯層和藥柱間的脫粘[8]。

二是藥柱老化，理化性能發生改變，無法達到設計性能，甚至完全失靈。對于這種失效來說，盡管化學穩定性對藥柱來說非常重要，但這種在固體火箭發動機設計制造時，就必須要解決問題顯然不會對壽命造成影響[9]。化學性能的下降造成的內彈道特性的變化和力學性能的變化則不一樣，他們更容易在化學穩定性變化之前就影響火箭發動機的壽命[10]。

2 推進劑藥柱壽命預估試驗方法分析

預估火箭推進劑藥柱壽命對軍隊、工廠和科研設計院所都十分重要[11]。但由于固體火箭發動機藥柱的儲存環境的不確定性，很難準確地確定固體火箭發動機藥柱的壽命。研究人員只能使預估壽命盡可能接近實際壽命，并由此發展出多種預估壽命試驗方法。

2.1 加速老化法

設計人員通常采用加速老化方法來預測推進劑的使用壽命，這可以節約大量時間。外部溫度是影響藥柱分解老化的重要因素之一，一般情況下，溫度每升高10 ℃，推進劑的老化速度增加2～4倍[12]。因此，根據溫度與推進劑失效時間的關系，可以推斷出常溫貯存推進劑的使用壽命。

我國從20世紀80年代就開始采用加速老化試驗，但這些實驗采用的高溫測試環境與自然貯存溫度無法相互轉換，所取得的預估壽命難以令人信服。所以加速老化法必須結合自然儲存條件下的試驗來進行對比[13]，然而，由于自然試驗時間長，許多加速老化試驗的結果還沒有得到驗證[14]。另外加速老化的環境條件也不同于實際儲存環境，一些化學反應在高溫下反應強烈，在低溫下反應很慢，因此用此方法預測的結果受到懷疑，目前只作為預測發動機壽命的輔助方法[15]。

2.2 老化監測法

美軍曾對其民兵系列固體火箭發動機實施過全面老化和監測計劃(A&S)[16]，分別對全尺寸發動機、縮比發動機和部件(含推進劑方皮和藥塊),以及服役發動機進行監測。在貯存期間定期對推進劑方皮或藥塊取樣測試(力學和彈道性能)，以便提前做出預報，同時定期對縮比和全尺寸發動進行結構完整性檢查和試車，并定期解剖全尺寸發動機，測試藥柱的力學和彈道性能，通過一系列試驗得到藥柱儲存特性，明確其失效分類，從而預估壽命并采取延壽措施。

這種監測計劃有以下不足：(1)試驗采用的破壞模式不確信，(2)實際的破壞極限不明確，(3)無法確定推進劑的性質，(4)試驗假設變化速率恒定不變，且只能進行2年的短時預報。

2.3 長期使用壽命分析法

由于長期監測計劃提到的四個缺點，并且重新制造符合要求的發動機需要有4年的生產周期，顯然2年的預報期不符合要求。因此為了提前4年作出壽命預估，美軍在加速老化實驗的基礎上發展了長期使用壽命分析計劃[17-18]。

長期使用壽命分析計劃的基本假設是：(1)可以通過將一組描述發動機的幾何、材料特性以及內部和外部環境的參數輸入計算機，從而對破壞模式的性質進行建模；(2)可用預測破壞條件的模型來進行驗證，而后觀察在該破壞條件下發動機的損壞狀況。

多年來，該方法因其預估壽命可靠而得到了廣泛的應用[19]。但它仍存在不足：對單一型號進行的試驗的預測數據不具有普遍性。此外，最終的比較標準仍然是全尺寸發動機的自然儲存性能數據，因此需要長時間的數據采集，消耗大量人力物力。

2.4 模型法

從發動機貯存壽命來看，造成失效的損壞是長期緩慢逐步累積的，其性能下降的具體程度受其儲存環境影響，所以準確預估發動機壽命就要正確把握環境因素帶來的影響，對其進行量化定性[20-21]，這是利用模型法準確預估發動機壽命的重要前提。

模型法最大的優點是其試驗成本極小，且在建立模型后就可馬上得到試驗結果。但其預估的壽命準確性很大程度上取決于模型是否精確完備，早期有過：外部溫度模型、損傷模型、馬爾科夫狀態模型等[22]。近年來，越來越多的關于推進劑藥柱壽命預估的文獻采用了模型法、或模型法與試驗相結合的辦法，從中可以看出，使用的模型不斷完善，且計算精度能夠通過試驗驗證。

3 推進劑藥柱狀態監測手段

3.1 無損監測

固體發動機由于其高經濟價值和不可重復使用性，一般使用無損檢測來進行測試。固體火箭發動機無損檢測能夠發現推進劑藥柱中存在的氣孔、裂紋等微小缺陷或損傷，能夠用于推進劑藥柱測試的無損檢測法一般有聲全息、高能射線探傷、工業CT檢測等。

1) 聲全息。聲全息在獲得這些材料中物體形狀和結構的可見圖像方面具有獨特優勢，因為聲波可以通過不透明的材料。但美國在1976年曾使用該方法探測“民兵”導彈藥柱中的多層脫粘和老化裂紋，結果表明，該方法對發動機兩端的脫粘和藥柱裂紋探測效果不佳。

2) 高能射線探傷。實踐證明，對于大型固體火箭發動機，只有用電子直線加速器作為高能射線源才能解決其探傷問題[23]，這是因為電子直線加速器具有高能級的特點。目前，固體發動機無損檢測的能量范圍為4～15 MeV，最高可達60兆電子伏特。其對焦直徑約1～2 mm，操作方便，使用可靠，維護成本低，無噪音。1978年，美國洛克希德公司首次使用直線加速器對直徑1 600 mm的固體發動機進行了無損檢測，可以探到藥柱內寬度0.25～0.71 mm的裂紋，反差靈敏度小于1%[24]。

3) 工業CT檢測。無論使用哪種輻射源，物體的不同深度和部位(包括各種缺陷)都重疊在薄膜或熒光屏上，因此很難識別損傷，但工業CT系統能夠解決這些問題。該設備從多個角度收集射線衰減數據，該射線經不同角度橫穿發動機發生衰減，所以收集的數據經過計算機操作，可以得到截面內部結構清晰直觀的圖像。工業CT監測具有許多優點，例如其能夠得到比高能射線探傷分辨率更高的圖像，耗時更少，但它仍存在一定的局限性。系統復雜，硬件需要高精度的掃描儀，軟件需要圖像重建技術，試驗時間長、成本高，使用維護困難，不能用于發射場檢測等都是限制其對藥柱進行檢查的原因。

3.2 傳感器監測

聲全息、高能射線探傷、工業CT檢測都可以確定推進劑藥柱是否存在缺陷，但它并不能給出關于特定推進劑藥柱開裂傾向的信息。所以可以通過建立老化模型，匹配推進劑中的失效應力與藥柱中最大應力的接近程度來預測推進劑的材料特性。當前，使用嵌入式傳感器監測藥柱的應力值，從而推出藥柱的貯存壽命，是研究人員正在嘗試的一種新方法。這種方法能夠對固體火箭發動機的結構健康狀態進行全壽命周期的連續監測，彌補了傳統檢測和預測方法的許多缺陷。

目前，應用于固體火箭發動機的內嵌式傳感器主要有兩種，分別是應力傳感器和應變傳感器[25]。20世紀90年代，研究人員為了測量發動機在溫度載荷作用下產生的應力，將微應力傳感器粘接在發動機殼體和襯套之間的界面上，如今這種傳感器的精度和穩定性在經過數十年的發展后已經有了很大的提高[26]。美國空軍研究實驗室和海軍航空武器中心(NAWC)在1998年提出了高性能火箭技術整體規劃。其目的之一是使用傳感器監測推進劑藥柱理化性能的變化規律，同時，為了監測老化實驗中粘結應力的變化情況還專門制作了放置數個應力傳感器的模擬發動機。為了提高推進劑傳感器的兼容性和穩定性，擴大環境參數的監測范圍，美國軍方于2001與Micron Instruments公司共同開發用于固體火箭發動機健康監測系統的嵌入式傳感器。在公司提交的第一階段報告表明，在75%滿負荷條件下，傳感器在55周內無蠕變，零漂移僅為3.8磅/英寸，可從傳感器提供的數據中得到推進劑的累積損傷值，并且可以識別缺陷的位置。第二個階段則是開發一個嵌入式傳感器來監測發動機在運輸過程中的負載。

采用嵌入式傳感器進行發動機健康狀況監檢測具有系統簡單、成本低、測試方便和實時性等優點，是近年來固體火箭發動機健康監測技術的發展方向之一[27]。嵌入式傳感器能夠實時監檢測不同載荷歷程下發動機粘接界面的應力和應變情況，為發動機健康評估提供重要依據。但放置傳感器以后，可能影響界面粘接強度[28]，因此，需要研究在放置嵌入式傳感器后界面粘結強度的改變情況。張春龍等[29]就對此進行了研究，得出的結果是：界面粘接強度受應力傳感器影響極小，在不影響固體火箭發動機正常使用的前提下，嵌入式傳感器在發動機中至少可以穩定工作3個月以上。

4 結論

今后該領域的發展趨勢是：

1) 對每臺發動機建立單獨的數據收集文件，記錄出廠時的檢測數據、儲存和運輸過程中所承受的各種載荷、定期檢測的狀態等，從而準確地預測其壽命。

2) 光纖應變傳感器的發展消除了對傳統傳感器將電導線引入發動機中安全性擔憂，未來新型監測傳感器將具有更高的精度和安全性。

3) 隨著新技術和新算法的采用，分析模型不斷完善，計算精度日益提高，且所得的試驗結果可通過測試進行論證，利用模型法進行壽命預估具有較大發展空間。

4) 預估發動機的使用壽命需要綜合考慮推進劑與發動機的相互作用[30]，不能僅僅通過藥柱力學性能的變化來預測發動機的使用壽命。未來，發動機壽命預估會將發動機整體結構一起考慮，形成更加完備的壽命預估體系。